Динамика стенда для вибрационной диагностики поршневых колец тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах

Козявин Александр Алексеевич

ДИНАМИКА СТЕНДА ДЛЯ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ

Специальность 01 02 06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск 2007

003161445

Работа выполнена в ГОУ ВПО Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И И Иванова

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Яцун Сергей Федорович

доктор технических наук, профессор Лобачевский Яков Петрович

кандидат технических наук, доцент Корнеев Андрей Юрьевич

Ведущая организация

ГОУ ВПО Воронежский государственный технический университет

Защита состоится 9 ноября 2007 года в 10 часов на заседании

диссертационного совета Д 212105 01 в Курском государственном

техническом университете по адресу 305040, г Курск, ул 50 лет Октября, д 94

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курского государственного технического университета

Автореферат разослан « $ » октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

О Г Локтионова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Поршневые кольца относятся к наиболее важным деталям двигателя внутреннего сгорания От их состояния зависит динамика, расход масла и топлйва, пусковые свойства, токсичность выхлопных газов и многие другие эксплуатационные показатели Поршневые кольца в двигателе обеспечивают сведение к минимуму проникновения газов из цилиндра в картер и обратно, способствуют отводу теплоты от нагретого горячими газами поршня в более холодную стенку цилиндра, которая охлаждается жидкостью или потоком воздуха Плохая теплопередача ведет к перегреву поршня, задирам, прогарам и заклиниванию его в цилиндре Важнейшими характеристиками колец является упругость, которая характеризуется силой, необходимой для сжатия замка Чем она больше, тем лучше уплотняющие свойства кольца и его приспособляемость и приработка В тоже время диссипативные свойства, также существенно влияющие на характер поведения кольца, изучены недостаточно Для решения этой задачи нужно разработать оборудование, позволяющее определять упруго — вязкие свойства колец в динамических режимах нагружения Поиск оптимальных параметров упруго-вязких свойств кольца и создание системы вибрационной диагностики упруго-вязких свойств поршневых колец является актуальной научно-технической задачей

Объектом исследования данной работы является электромагнитный стенд для определения упруго-вязких свойств поршневых колец методом свободных и вынужденных колебаний

Цель работы: разработка оборудования и методики для вибродиагностики скрытых дефектов поршневых колец

Для достижения поставленной цели в настоящей работе решаются следующие задачи

1 Разработка математической модели колебаний эталонного груза на кольце с учетом дефектов типа поперечная и продольная трещины

2 Разработка математической модели электромагнитного стенда с регулируемыми параметрами и системой обработки информации и управления эталонным нагружением кольца.

3 Разработка методики определения дефектов кольца методом свободных и вынужденных колебаний в поперечной плоскости эталонного груза

4 Численное исследование движения эталонного груза и разработка методики обработки динамических сигналов электромагнитного стенда

5 Расчет параметров стенда для вибродиагностики дефектов кольца в осевом направлении и разработка рекомендаций по внедрению устройств автоматической вибродиагностики на промышленном предприятии

6. Разработка экспериментальной установки и проведение исследований по диагностике в динамических режимах дефектов кольца в осевом направлении методом присоединенной массы.

Методы исследования. При выполнении работы использованы

теоретические и экспериментальные методы теории колебаний, реологии, теории автоматического управления, теории электропривода, теории планирования эксперимента, теории обработки сигналов

Достоверность научных положений и результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, теории колебаний, динамики машин, экспериментальных методов исследования Теоретические результаты подтверждены результатами экспериментальных исследований Научная новизна;

- разработана математическая модель движения эталонного груза на кольце с дефектами типа продольная и поперечная трещины,

- разработана математическая модель электромагнитного стенда с регулируемыми параметрами для определения скрытых дефектов кольца,

- предложена методика обработки динамических сигналов, получаемых при колебаниях эталонного груза на кольце, позволяющая выявлять скрытые дефекты,

создана методика расчета параметров электромагнитного стенда, обеспечивающих с высокой точностью заданное движение эталонного груза

Практическая ценность. Практическая ценность данной работы состоит в том, что в результате исследований предложена новая конструкция устройства для проведения экспериментов по определению в динамических режимах упруго-вязких свойств кольца в осевом и радиальном направлении методом присоединенной массы и упругих колебаний кольца, закрепленного в эталонном зажиме, разработана методика проектирования системы вибродиагностики упруго-вязких свойств кольца в осевом и радиальном направлении и разработаны рекомендации по внедрению устройств автоматической вибродиагностики на промышленном предприятии

Результаты работы использованы при выполнении гранта РФФИ № 0508-33382 «Изучение закономерностей движения вибрационных мобильных роботов в различных средах» (2005-2006 гг), в учебном процессе кафедры технологии и ремонта машин Курской государственной сельскохозяйственной академии

Личный вклад автора заключается в разработке математической модели кольца, разработке расчетной схемы системы поршневое кольцо -электромагнитный привод стенда для определения упругих свойств кольца с регулируемыми параметрами и система обработки информации и управления эталонным нагружением кольца, разработке математической модели САУ и конструкции стенда, проведении численных и экспериментальных исследований динамических характеристик эталонного груза для различных типов нагружения, разработке экспериментальной установки, создании методики проектирования системы вибродиагностики дефектов кольца и разработке рекомендаций по внедрению устройств автоматической вибродиагностики на промышленном предприятии

Апробация диссертации. Основные положения диссертации докладывались на Международных научно-технических конференциях

«Вибрационные машины и технологии» (г Курск-2003, 2005г г ), 9-я Международная научно-практическая конференция-выставка «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (С -Петербург, 2007), на городском семинаре по теоретической механике (г Курск, 2006, 2007г г ), а также на научно-техническом семинаре проблемной научно-технической исследовательской лаборатории «Моделирование гидросистем» при кафедре «Динамика и прочность машин» ОрелГТУ (2007 г )

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, включая 8 статей, из них в изданиях, рекомендованных ВАК -1,1 патент на изобретение

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 88 наименований и приложения Текст диссертации изложен на 158 страницах текста, содержит 156 рисунков

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, дана общая характеристика диссертации, показана научная новизна и практическая значимость работы

В первой главе приводятся методологические аспекты процесса вибрационной диагностики поршневых колец От их состояния зависит работоспособность машины - динамика, расход масла и топлива, пусковые свойства двигателя, токсичность выхлопных газов и многие другие эксплуатационные показатели Очень важны механические характеристики кольца - упругость, прилегание к цилиндру, характер распределения (эпюра) давления на стенку цилиндра, а также приспособляемость, то есть способность принимать форму цилиндра при ее отклонении от идеальной Изменение упругости при одном и том же диаметре достигается в основном за счет изменения радиальной толщины колец Поршневые кольца должны быть гладкими, свободными от усадочных трещин, пор, раковин, рыхлостей и т д которые влияют на упругие свойства кольца

Важнейшим свойством поршневых колец является их упругость, связанная с радиальной и осевой деформациями В диссертации рассматривается только осевая деформация кольца

В настоящее время упругость кольца характеризуется силой, необходимой для сжатия замка При этом используются статические методы определения упругости Чем больше сила сжатия, тем лучше уплотняющие свойства кольца и его приспособляемость, быстрее приработка Последние годы все более широкое распространение получают методы вибрационной диагностики Методы контроля и диагностирования машин и оборудования по любым видам диагностических сигналов основываются на сравнении величины сигнала или его составляющих с пороговыми значениями, разделяющими множества бездефектных и дефектных состояний Системы контроля и диагностики, создаваемые на базе этих методов, обеспечивают выделение информативных составляющих из измеряемого сигнала и

регистрацию моментов превышения ими пороговых значений Любое превышение порогов регистрируется как дефект, вид которого определяется по совокупности составляющих, превысивших заданные значения Системы контроля, являющиеся прообразом и составной частью современных систем мониторинга, используют, как правило, простейшие способы измерения основных физических величин Диагностические системы строятся с учетом необходимости получения наибольшего объема информации, содержащейся, прежде всего в сигналах, полученных при вибрации объекта Поэтому для систем вибрационной диагностики широко используются новые информационные технологии, основанные на сложных методах измерения и анализа сигналов В главе приводится краткий анализ особенностей построения современных стационарных и переносных систем диагностики, возможностей используемых в них информационных технологий, методов диагностирования разных видов деталей машин и узлов

Во второй главе рассмотрены математические модели колебаний кольца в его плоскости в радиальном направлении и перпендикулярно плоскости в осевом направлении Для изучения физико-механических упруго - вязких свойств колец записаны дифференциальные уравнения движения кольца, указаны силовые факторы, действующие в нем (рис 1)

Рис 1 Схема силовых факторов в кольце Мшг, Мк - изгибающие, крутящие моменты, Q - поперечная сила, с1(р -элементарный угол

Общим вопросам колебаний криволинейных брусов, к которым в том числе относятся и поршневые кольца, уделяется большое внимание в классических работах по теории колебаний Тимошенко С П, Бидермана В Л Фролова К В и др В то же время колебаниям колец с дефектами изучены недостаточно Далее рассмотрим упрощенные модели дефектов типа поперечная и продольная трещина, комбинированный дефект Рассмотрим математические модели дефектов

1 Поперечная микротрещина Схема такого кольца представлена на рис 2 Очевидно, что появление трещины приводит к тому, что жесткость кольца при перемещении эталонного груза будет периодически изменяться

Дифференциальное уравнение, описывающее колебания эталонного груза на кольце с дефектом кольце можно записать в виде

тх + /хх + сх = P{t\

P{t) = Pq sin eût,

где m - масса эталонного груза, х, х,х- обобщенная координата, скорость, ускорение эталонного груза, с - приведенная жесткость кольца, Р - внешняя сила, ц - коэффициент вязкого сопротивления

Рис 2 Схема кольца с повреждением типа поперечная трещина (h - высота

поперечного сечения) В силу того, что площадь сечения кольца в зоне трещины изменяется при движении эталонного груза будем считать, что приведенная жесткость кольца с при повреждении типа поперечная трещина (рис 2) может быть определена с помощью кусочно-линейной модели коэффициента жесткости

_ Г С, х > О

|с2 А- < О

2 Продольная микротрещина При колебаниях груза на кольце при наличии дефекта типа продольная трещина (рис 3) имеет место относительное скольжение слоев кольца в зоне дефекта, что приводит к появлению периодически силы сухого трения в этой области Для приближенной оценки этих эффектов рассмотрим математическую модель колебаний эталонного груза в следующем виде

тх + fix + сх + Fmp = P(t),

Модель сухого трения аналитически можно представить в виде

F =

- fNsgn(x ), если x * 0,

-F0, еслих =OH|F0|<fN,

-fNsgn(F0), еслих =0 n|F0|>fN

где Б0 — сила трения при отсутствии проскальзывания, N - нормальная составляющая силы, действующая между слоями (сила нормального давления), { - коэффициент сухого трения

В третьей главе предлагается методика определения упруго-вязких свойств поршневых колец прямоугольного сечения

Рассматриваемый метод основан на идее измерения свободных затухающих колебаний эталонного груза, установленного на исследуемом кольце

Для измерения применялось оригинальное устройство вибрационного типа, схема которого представлена на рис 4

Рис 4 Схема установки для определения упруго-вязких свойств поршневых колец 1 - основание, 2 -поршневое кольцо, 3 - прижимная пластина, 4 -прижимные винты, 5 - акселерометр 6 - кронштейн, 7 - аналого-цифровой преобразователь, 8 — компьютер, 9 - усилитель, 10 - электромагнит, 80 -регулируемый воздушный зазор, задающий начальную поперечную деформацию кольца

Устройство состоит из основания 1, на котором помещен зажим для закрепления исследуемых поршневых колец 2, состоящий из прижимной пластины 3 и винтов 4 На свободном конце поршневого кольца установлен кронштейн 6, исполняющий роль эталонной массы, с закрепленным на нем пьезоэлектрическим акселерометром 5 Под кронштейном установлен и спусковой электромагнит 10, управляемый с помощью компьютера 8 через усилитель 9 Сигналы с датчика ускорения 5 поступают на входные линии универсальной платы сбора и обработки данных L-Card Е14-140 7 Данная карта сбора данных содержит встроенные аналого-цифровые цифро-аналоговые преобразователи, имеет возможность оперативной стыковки с персональным компьютером посредством стандартного порта USB 1 1 Для

управления спусковым электромагнитом 5 используется ЦАП системы L-Card Е14-140 Регистрация и запись поступающего сигнала, а также формирование управляющих импульсов, осуществляется программными средствами, созданными в интегрированной среде разработки приложений Borland С Builder

\ Л| А . /"Ч . e-^N 1 J— f-

V ^ 07 0.8 09 1

~0 5

(z.«),

а)

1 /

ft

\ Л л

чл

А/ъ*

\f V/ V v

^oU^ 05 аб 07 0.8 а?

б)

(о<'>) &-А-А' /X1 I-Н-1--1-1

О \ j чй^ аз аб О 7 0 8 О 9 1

(*«)

В)

Рис 5 Зависимость перемещения эталонной массы от времени а - на кольце с дефектом типа поперечная трещина (эффект упругой нелинейности), б — на кольце с дефектом типа продольная трещина (эффект сухого трения), в — при комбинированном дефекте кольца

Из зарегистрированных экспериментальных виброграмм (рис 5) выделяется фрагмент колебаний Далее, методом осевой симметрии, выделенный числовой массив расширяется вдвое, что обеспечивает повышение точности процедуры идентификации, особенно на начальном участке виброграммы Далее используется быстрое преобразование Фурье В его основе лежит прореживание по частоте и пирамидальный алгоритм, которым исключаются повторные вычисления периодически повторяющихся членов ряда Фурье Это преобразование дает нам спектр рассматриваемых колебаний

Для получения функций огибающей (мгновенной амплитуды) и мгновенной частоты используется интегральное преобразование Гильберта Преобразование Гильберта для любого произвольного сигнала представляет собой идеальный широкополосный фазовращатель, который осуществляет поворот начальных фаз всех частотных составляющих сигнала на угол, равный

90° (сдвиг на я/2). Применение преобразования Гильберта позволяет выполнять квадратурную модуляцию сигналов, в каждой текущей координате модулированных сигналов производить определение огибающей и мгновенной фазы (частоты) сигналов, выполнять анализ каузальных систем обработки сигналов

Теоретически формула имеет вид-

И Н-Х ТЕ I &

-00 О

где Х(0 -исходная функция колебаний, 1 — время, Б - временной интервал, V - функция Гильберта

Изменение спектра сигналов при выполнении преобразования Гильберта заключается в следующем Спектр сигнала содержит реальную и мнимую составляющие, т е. может быть записан в виде Х(ф = 11е(Х(1)) +J 1т(Х(1)), где Г - собственная частота системы При выполнении преобразования реальная и мнимая части спектра Х(1) умножаются на -) 5£п(1) Функция Яе(Х(1)) умножается на 1 при :М), на 0 при ^=0 и на —1 при £>0 Это означает, что все косинусные гармоники сигнала, которым соответствует реальная часть спектра сигнала, превращаются в синусные гармоники После обратного быстрого преобразования Фурье получается функция Гильберта в дискретной форме

Тогда дискретную функцию мгновенной амплитуды (огибающей) получают по формуле

где А, — мгновенная амплитуда

График мгновенной амплитуды А^1:) совместно с преобразованной

виброграммой и функцией Гильберта представлен на рис 6

В результате аппроксимации функции мгновенной амплитуды выражением АП)(1;) = А0е ^ находим приведенный коэффициент затухания п

Далее по имеющимся экспериментальным данным находятся мгновенные значения фазы колебаний в зависимости от времени V,

ср, = агс1ё(-±-) (2)

Численное дифференцирование выражения (2) позволяет получить функцию мгновенной частоты ©^А^,) График зависимости А(=Г(сй) для

рассматриваемых свободных колебаний системы является «скелетной кривой», аналитическое выражение которой для кубической упругой характеристики имеет вид

ю

отсщ-си

—■ Графнквибрпперемащання

..... График нСяйгДОЙОЙ амлщггуды

"— График фунп^ни Гильберта

Рис. 6. Расчетные функции Аппроксимируя экспериментальную зависимость А^А;»),} Выражением (3), находим приведенные коэффициенты к и характеризующие линейные и нелинейные упругие свойства системы соответственно. Предложенный метод позволяет определить дефекты формы кольца и микротрещины. Как показали исследования метод свободных колебаний имеет недостаток состоящий в том, что исследования проводятся на частоте собственных эталонного груза или кольца. Для оценки упруго - вязких свойств кольца предложено использовать фазовые портреты (рис. 7, 8).

(г.1"), (Л , г,.

а) б) .

Рис,7, Фазовый портрет колебаний на эталонном кольце (а) и на кольце с дефектом типа поперечная трещина (эффект упругой нелинейности) (б)..;,.,,,

а) б)

Рис 8 Фазовый портрет колебаний на кольце с дефектом типа продольная трещина (эффект сухого трения) (а) и при комбинированном

дефекте кольца (б)

В четвертой главе предложен более прогрессивный метод определения упруго-вязких свойств колец, в основе которого лежит анализ вынужденных колебаний Такой подход потребовал создания сложного оборудования, обеспечивающего колебания кольца по заданному гармоническому закону с заданной частотой и амплитудой Устройство содержит электромагнитный привод, преимуществами которого являются малые габариты и простота конструкции В тоже время создать управляемые колебания якоря электромагнита по заданному закону движения является непростой задачей, которая решена в данной главе На рис 9 приведена расчетная схема стенда

Рис 9 Схема стенда для диагностики поршневых колец методом вынужденных колебаний 1 - основание, 2 - зажимная пластина, 3 - зажимной болт; 4 - электромагниты, 5 - датчик ускорения, 6 - поршневое кольцо, 7-эталонный груз

Разработанная система замкнута единичной обратной отрицательной связью в сочетании ПИД — регулятора позволяет получить эталонный сигнал с ошибкой недревышающей 5% по амплитуде в частотном диапазоне от 5 до 75 Гц

Принцип работы устройства основан на периодической подаче от генератора напряжений соответствующих импульсов Для обеспечения заданного закона движения эталонного груза использована система управления замкнутого типа

Для определения параметров стенда и системы управления рассмотрим математическую модель описывающую колебания системы кольцо -электромагнитный привод-система автоматического управления

Особенностью данного метода является необходимость свести к минимуму массу присоединенных к кольцу элементов, чтобы исключить их влияние на упругие колебания кольца Поэтому в качества измерительного инструмента здесь применен датчик Холла в сочетании с малогабаритным постоянным магнитом Это обстоятельство потребовало разработать принципиально новую конструкцию стенда

Полученные виброграммы обрабатывались по методике описанной выше По сравнению с предыдущим методом, измерения производятся на высоких частотах Это дает возможность выявить дефекты покрытий и термической обработки поршневых колец

На рис 10 приведена расчетная схема стенда В качестве источника возмущения колебаний использованы два одинаковых электромагнита установленных симметрично относительно эталонного груза, который перемещается вдоль координаты х Свойства кольца задаются жесткость С и коэффициентом вязкости ц

Рис 10 Схема вибростенда а - расчетная схема для создания вынужденных колебаний эталонного груза на кольце, б - структурная схема системы, управляемой двумя электромагнитами

Ф,=и-0 (Д+Х) Ф, ¿2 =и-Э (Д-Х) Ф:

•г

шХ=-МХ)-С(Х>-х ф,2+х Ф/

где Ф1 - магнитный поток первого электромагнита, Ф2 - магнитный поток второго электромагнита, и — управляющее напряжение Коэффициенты, входящие в систему уравнений, будут иметь вид

Я - активное сопротивление обмотки электромагнита^ - площадь воздушного зазора, цо=4я Ю" Гн/м - магнитная постоянная, С - жесткость кольца,р. -вязкое сопротивление кольца,ш - масса эталонного груза; Ъ — число витков обмотки Анализ системы дифференциальных уравнений описывающая динамические процессы как в механической части так и электрической с учетом свойств системы управления, позволил определить параметры стенда обеспечивающие необходимые качественные показатели системы Отклонение закона движения от эталонного груза от синусоиды не превышает 2% На рис 11, а приведены зависимости напряжения электрического питания поступающего на электромагниты. На рис 11,6 показан закон движения эталонного груза установленный на исследуемом кольце Для оценки упруго -вязких свойств кольца предложено использовать фазовый портрет и спектр сигнала см рис 12,13

и

а)

б)

Рис 11 Зависимости входных и выходных параметров а - желаемая, б - действительная

а)

б)

Рис 12 Фазовый портрет колебаний груза а - на эталонном кольце,

а) б)

Рис 13 Фазовый портрет колебаний а - на кольце с дефектом типа продольная микротрещина, б - с комбинированным дефектом

Полученные фазовые портреты и спектры позволяют не только определить наличие дефекта в кольце, но и выявить тип дефекта

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В диссертации решена научно - техническая задача, направленная на создание системы автоматической вибродиагностики дефектов поршневых колец, основанной на обработке динамических сигналов, возникающих при колебаниях эталонного груза на кольце

1 Разработана математическая модель сложной мехатронной системы, состоящей из эталонного груза, системы управления, электромагнитного привода стенда, кольца

2 Разработана математическая модель колебаний эталонного груза, установленного на кольце с дефектами в виде продольной и поперечной микротрещины, а также комбинированный дефект

3 Разработана методика определения дефектов кольца методом свободных и вынужденных колебаний эталонного груза установленного на кольце

4 В результате численных исследований выявлена область параметров электромагнитного стенда, позволяющих определять дефекты кольца с высокой точностью, и предложена система обработки информации динамических сигналов колебаний эталонного груза

5 Разработана экспериментальная установка и проведены исследования динамических режимов стенда при колебании эталонного груза в осевом направлении

6 Разработана методика динамического расчета параметров стенда для определения дефектов кольца в осевом направлении, рекомендации по внедрению устройств автоматической вибродиагностики на промышленном предприятии

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1 Козявин, А А Вибродиагностика поршневых колец методом

идентификации упруго-диссипативных параметров [Текст] / А А Козявин, Б В Лушников, А С Яцун // Известия ВУЗов Машиностроение - 2007 - № 4 - С

26-33

Статьи и материалы конференций

2 Сребровский, А М Эффективность предпусковой задержки топлива [Текст] / А М Сребровский, А А Козявин // Техника в сельском хозяйстве - № 11-М, 1993 - С 54-57

3 Козявин, А А Методы определения упругих свойств поршневых колец [Текст] / А А Козявин, А Н Рукавицын // Вибрационные машины и технологии Сб науч тр - Курск, 2005 - С 27-30

4 Козявин, А А Виброакустическая диагностика машин [Текст] / А А Козявин, Т В Николаенко // Вибрационные машины и технологии Сб науч тр - Курск, 2005 -С 30-36

5 Козявин, А А Вибрационная диагностика поршневых колец двигателя [Текст] / А А Козявин, А С Яцун // Сборник научно-технических трудов -Ковров, 2007 - С 133-142

6 Козявин, А А Вибродиагностика поршневых колец [Текст] / А А Козявин, Б В Лушников, А С Яцун // 9-я Международная практическая конференция-выставка «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» - С -Петербург, 2007 - С 89-94

7 Козявин, А А Определение упруго-диссипативных параметров поршневых колец методом вибродиагностики [Текст] / А А Козявин, С Ф Яцун, В Я Мищенко // Известия Курского государственного технического университета -2007 - С 11-20

8 Козявин, А А Бракованная техника не пройдет [Текст] / А А Козявин // Сельский механизатор - М , 2007 - № 1 - С 36

9 Патент на изобретение Устройство для диагностики поршневых колец [Текст] / А А Козявин, В Я Мищенко, А С Яцун, положительное решение о заявке № 2007119904122 от 28 05 2007

ИД №06430 от 10 12 01 Подписано в печать 05 10 07 Формат 60x84 1/16 Печатных листов 1,0 Тираж 100 экз заказ ЗУ Курский государственный технический университет Издательско-полиграфический центр Курского государственного технического университета 305040, Курск, ул 50 лет Октября, 94

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Методологические основы диагностики поршневых колец

1.2. Методика расчета параметров, определяющих свойства колец

1.3. Методика расчета формы поршневых колец в свободном состоянии

1.4. Методы диагностики поршневых колец

1.5. Классификация методов и средств диагностики

1.6. Конструкции приборов, применяемых для диагностики поршневых колец

1.7. Измерительная и анализирующая аппаратура

1.8. Методы диагностирования

1.9. Выводы по главе

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ

2.1. Определение собственных частот

2.2. Колебания в плоскости кольца

2.3. Колебания, перпендикулярные плоскости кольца

2.4. Колебания растяжения-сжатия

2.5. Крутильные колебания

2.6. Изгибные колебания

2.7. Математическое моделирование колебаний поршневых колец с дефектами

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГО-ВЯЗКИХ СВОЙСТВ КОЛЬЦА

3.1. Стенд для определения параметров кольца методом изучения свободных упругих колебаний кольца

3.2. Стенд для определения упруго-вязких свойств кольца на основе измерения свободных затухающих колебаний эталонного груза, установленного на исследуемом кольце

3.3. Результаты исследования свободных колебаний поршневых колец

3.4. Методика определения упруго-вязких свойств кольца на основеизмерения свободных затухающих колебаний эталонного груза, установленного на исследуемом кольце

3.5. Результаты обработки экспериментальных данных

3.6. Выводы по главе

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОЛЬЦА МЕТОДОМ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ЭТАЛОННОГО ГРУЗА НА КОЛЬЦЕ

4.1. Стенд для определения параметров кольца методом изучения вынужденных колебаний эталонного груза на кольце

4.2. Математическое моделирование вынужденных колебаний эталонного груза на кольце

4.3. Оценка качественных показателей САУ стенда

4.4. Исследование динамики стенда с электромагнитным приводом и системой управления

4.5. Подбор параметров регулятора

4.6. Определение упруго-вязких свойств поршневых колец методом вынужденных колебаний

4.7. Выводы по главе 4 145 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 146 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 148 ПРИЛОЖЕНИЕ

Актуальность работы. Поршневые кольца относятся к наиболее важным деталям двигателя внутреннего сгорания. От их состояния зависит динамика, расход масла и топлива, пусковые свойства, токсичность выхлопных газов и многие другие эксплуатационные показатели. Поршневые кольца в двигателе обеспечивают сведение к минимуму проникновения газов из цилиндра в картер и обратно, способствуют отводу теплоты от нагретого горячими газами поршня в более холодную стенку цилиндра, которая охлаждается жидкостью или потоком воздуха. Плохая теплопередача ведет к перегреву поршня, задирам, прогарам и заклиниванию его в цилиндре. Важнейшими характеристиками колец является упругость, которая характеризуется силой, необходимой для сжатия замка. Чем она больше, тем лучше уплотняющие свойства кольца и его приспособляемость и приработка. В тоже время диссипативные свойства, также существенно влияющие на характер поведения кольца, изучены недостаточно. Для решения этой задачи нужно разработать оборудование, позволяющее определять упруго - вязкие свойства колец в динамических режимах нагружения. Поиск оптимальных параметров упруго-вязких свойств кольца и создание системы вибрационной диагностики упруго-вязких свойств поршневых колец является актуальной научно-технической задачей.

Объектом исследования данной работы является электромагнитный стенд для определения упруго-вязких свойств поршневых колец методом свободных и вынужденных колебаний.

Цель работы: разработка оборудования и методики для вибродиагностики скрытых дефектов поршневых колец.

Для достижения поставленной цели в настоящей работе решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели колебаний эталонного груза на кольце с учетом дефектов типа поперечная и продольная трещины.

2. Разработка математической модели электромагнитного стенда с регулируемыми параметрами и системой обработки информации и управления эталонным нагружением кольца.

3. Разработка методики определения дефектов кольца методом свободных и вынужденных колебаний в поперечной плоскости эталонного груза.

4. Численное исследование движения эталонного груза и разработка методики обработки динамических сигналов электромагнитного стенда.

5. Расчет параметров стенда для вибродиагностики дефектов кольца в осевом направлении и разработка рекомендаций по внедрению устройств автоматической вибродиагностики на промышленном предприятии.

6. Разработка экспериментальной установки и проведение исследований по диагностике в динамических режимах дефектов кольца в осевом направлении методом присоединенной массы.

Методы исследования. При выполнении работы использованы теоретические и экспериментальные методы теории колебаний, реологии, теории автоматического управления, теории электропривода, теории планирования эксперимента, теории обработки сигналов.

Достоверность научных положений и результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, теории колебаний, динамики машин, экспериментальных методов исследования. Теоретические результаты подтверждены результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна:

- разработана математическая модель движения эталонного груза на кольце с дефектами типа продольная и поперечная трещины;

- разработана математическая модель электромагнитного стенда с регулируемыми параметрами для определения скрытых дефектов кольца;

- предложена методика обработки динамических сигналов, получаемых при колебаниях эталонного груза на кольце, позволяющая выявлять скрытые дефекты;

- создана методика расчета параметров электромагнитного стенда, обеспечивающих с высокой точностью заданное движение эталонного груза.

Практическая ценность. Практическая ценность данной работы состоит в том, что в результате исследований предложена новая конструкция устройства для проведения экспериментов по определению в динамических режимах упруго-вязких свойств кольца в осевом и радиальном направлении методом присоединенной массы и упругих колебаний кольца, закрепленного в эталонном зажиме; разработана методика проектирования системы вибродиагностики упруго-вязких свойств кольца в осевом и радиальном направлении и разработаны рекомендации по внедрению устройств автоматической вибродиагностики на промышленном предприятии.

Результаты работы использованы при выполнении гранта РФФИ № 05-08-33382 «Изучение закономерностей движения вибрационных мобильных роботов в различных средах» (2005-2006 гг.), в учебном процессе кафедры технологии и ремонта машин Курской государственной сельскохозяйственной академии.

Личный вклад автора заключается в разработке математической модели кольца; разработке расчетной схемы системы поршневое кольцо -электромагнитный привод стенда для определения упругих свойств кольца с регулируемыми параметрами и система обработки информации и управления эталонным нагружением кольца; разработке математической модели САУ и конструкции стенда; проведении численных и экспериментальных исследований динамических характеристик эталонного груза для различных типов нагружения; разработке экспериментальной установки; создании методики проектирования системы вибродиагностики дефектов кольца и разработке рекомендаций по внедрению устройств автоматической вибродиагностики на промышленном предприятии.

Апробация диссертации. Основные положения диссертации докладывались на Международных научно-технических конференциях:

Вибрационные машины и технологии» (г. Курск-2003, 2005г.г.), 9-я Международная научно-практическая конференция-выставка «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (С.-Петербург, 2007), на городском семинаре по теоретической механике (г. Курск, 2006, 2007г.г.), а также на научно-техническом семинаре проблемной научно-технической исследовательской лаборатории «Моделирование гидросистем» при кафедре «Динамика и прочность машин» ОрелГТУ (2007 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, включая 9 статей, из них в изданиях, рекомендованных ВАК - 1, 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 88 наименований и приложения. Текст диссертации изложен на 158 страницах текста, содержит 156 рисунков.

4.7. Выводы по главе 4

1 .Разработан и изготовлен лабораторный стенд для изучения вынужденных колебаний поршневых колец.

2.Разработана система автоматического управления электромагнитным приводом вибростенда замкнутого типа, обеспечивающая высокоточное воспроизведение вибрационного воздействия на кольцо. Определены параметры регулятора, обеспечивающие закон движения эталонного груза по гармоническому закону с коэффициентом высокочастотных составляющих не более 5%.

3. Проведены исследования колебаний эталонного груза на кольцах с различными дефектами. Установлено, что дефект типа поперечная микротрещина приводящий к появлению нелинейности упругих свойств кольца приводит к появлению в спектре высокочастотных гармоник, а фазовый портрет изменяется по форме, приобретая каплевидную форму.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена научно - техническая задача, направленная на создание системы автоматической вибродиагностики упруго-вязких свойств поршневых колец, обеспечивающей измерение свойств кольца различных динамических режимах, что позволило получить следующие научные выводы и практические результаты.

1. На основе комплексного подхода к сложной мехатронной системе, в которую входят поршневое кольцо, электромагнитный привод стенда для определения упругих свойств кольца с регулируемыми параметрами и система обработки информации и управления эталонным нагружением кольца разработаны теория и методы математического моделирования и синтеза оборудования, обеспечивающего вибродиагностики упруго-вязких свойств поршневых колец.

2. Разработана математическая модель кольца, описывающая дефекты кольца в виде продольной и поперечной микротрещины, а также комбинированный дефект.

3. Разработана математической модели системы поршневое кольцо, электромагнитный привод стенда для определения упругих свойств кольца с регулируемыми параметрами и система обработки информации и управления эталонным нагружением кольца;

4. Разработана методика определения упруго-вязких свойств кольца методом свободных и вынужденных колебаний эталонного груза установленного на кольце;

5.Разработана методика определения упруго-вязких свойств кольца методом свободных и вынужденных упругих колебаний кольца, закрепленного в эталонном зажиме;

6. численное исследование динамических характеристик системы поршневое кольцо - электромагнитный привод стенда для определения упругих свойств кольца с регулируемыми параметрами и система обработки информации и управления эталонным нагружением кольца для различных типов регулятора;

7. Разработана экспериментальная установка и проведены экспериментальные исследования статических и динамических режимов упруго-вязких свойств кольца в осевом и радиальном направлении методом присоединенной массы и упругих колебаний кольца, закрепленного в эталонном зажиме;

8. Разработана методика проектирования системы вибродиагностики упруго-вязких свойств кольца в осевом и радиальном направлении и разработаны рекомендации по внедрению устройств автоматической вибродиагностики на промышленном предприятии.

1. Аврух В. Ю., Способ диагностики состояния посадочных натягов бандажных колец на бочку ротора электрической машины, описание изобретения к патенту РФ, 2006.12.10 RU 2289185 А

2. Ананьев И.В.,Тимофеев П.Г. Колебания упругих систем в авиационных конструкциях и их демпфирование. Изд-во Машиностроение. 1965. М.-526с.

3. Андриевский Б., Фрадков А. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке MATLAB. СПб.: Наука, 1999.

4. Андриевский Б., Фрадков А. Элементы математического моделирования в программных средах MATLAB 5 и Scilab. Наука. 2001.

5. Ануфриев И., Самоучитель MatLab 5.3/б.х. БХВ-Петербург. 2002.

6. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1983. - 243 с.

7. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. -М.: Высшая школа, 1968.- 512 с.

8. Бесекерский В.А.,Попов Е.П. Теория систем автоматического управления .М.Изд-во Профессия,2003.-747с.

9. Бессонов А.П. Надежность функционирования механизмов. Проблемы машиностроения и надежность машин, 2004.№3 с26-31.

10. Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний М.: Высшая школа, 1972. - 415 с.

11. Блехман И.И. Вибрационная механика. -М.: Физматлит.,1994.- 400 с.

12. Борисенко А.А., способ автоматического контроля поверхностных дефектов и устройство для его осуществления, описание изобретения к патенту РФ, 1995.10.27 RU 1715047 А

13. Васильев В.М, Устройство для магнитошумовой структуроскопии, описание изобретения к авторскому свидетельству СССР, 1980.04.30, SU 731368 А

14. Васильев В.М., Способ магнитошумовой структуроскопии, описание изобретения к авторскому свидетельству СССР, 1976.10.25, SU 532803 А

15. Васильев В.М., Устройство для магнитношумового контроля ферромагнитных материалов, описание изобретения к авторскому свидетельству СССР, 1979.06.15, SU 667920 А

16. Вахрушев А. В., Нанонасосная система, описание изобретения к патенту РФ, 2006.12.27, RU 2005119335 А

17. Веремей Е., Корчанов В., Коровкин М., Погожев С. Компьютерное моделирование систем управления движением морских подвижных объектов. НИИ Химии СПбГУ. 2002.

18. Вибрации в технике. Т.2. Колебания нелинейных механических систем: Справочник. М.Машиностроение, 1979.-351 с.

19. Вибрации в технике. Т.4. Вибрационные процессы и машины: Справочник/Под ред. Э.Э.Лавендела,- М.'Машиностроение, 1981,- 509 с.

20. Герман-Галкин С. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. Корона принт. 2001.

21. Герман-Галкин С. Линейные электрические цепи: Лабораторные работы. Корона принт. 2002.

22. Гинцбург Б .Я. Теория поршневого кольца. М.: Машиностроение, 1979, с.237.

23. Гультяев A. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows. Корона принт. 1999.

24. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде Matlab: Учебный курс. Питер. 2000.

25. Данилов А. Компьютерный практикум по курсу "Теория управления". Simulink-моделирование в среде Matlab. МГУИЭ. 2002.

26. Данилов Ю. С., устройство для определения радиального давления поршневых колец, описание изобретения к патенту РФ, 1997.07.27, RU 2085878 А

27. Данилов Ю.С., устройство для определения радиального давления поршневых колец, описание изобретения к патенту РФ, 1995.11.20, RU 94009918 А

28. Джонсон Н., Лион Ф., Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы планирования эксперимента. М.: Мир, 1981. -520с.

29. Длоугий В.В., Устройство для определения консистенции пульпы, описание изобретения к авторскому свидетельству СССР, 1958.01.01, SU 115929 А

30. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления: Перевод с английского. Лаборатория базовых знаний. 2002.

31. Дубровский В.А., Нахапетян Е.Г. Международное сотрудничество в области диагностики, прогнозирования и поддержания надежности машин. Проблемы машиностроения и надежности машин. 2004.№6 c.l 11-114.

32. Дьяконов В., Абраменкова И., Круглов В. MATLAB с пакетами расширений. Нолидж. 2001.

33. Дьяконов В., Абраменкова И. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. Питер. 2002.

34. Дьяконов В., MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5. Основы применения. Полное руководство пользователя. Солон-Пресс. 2002.

35. Дьяконов В., Компьютерная математика. Теория и практика. Нолидж. 2000.

36. Дэбни Дж., Харман Т. Simulink 4. Секреты мастерства. Бином. Лаборатория базовых знаний. 2003.

37. Золоторевский B.C. Механические испытания и свойства металлов. М: Металлургия, 1974. 303 с.

38. Ивашенцев Г.А., Хохлов А.В. Новый метод расчета формы поршневого кольца. Проблемы машиностроения и надежности машин. 2004. №6. с 95-98.

39. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике. М.: Энергия, 1971. - 185 с.

40. Казаков В. М., способ исследования влияния процесса обработки на износостойкость поршневых колец, поршней, пальцев шатунов две или компрессоров, описание изобретения к патенту РФ, 2002.10.10, RU 2000125324 А

41. Казаков Ю.Б., Тихонов А.И. Методы планирования эксперимента в электромеханике: Метод, указания к выполнению лаб. работ / Иванов, гос. энергетический ун-т. Иваново, 2001. - 28 с.

42. Клюев В.В. и др., Способ магнитошумовой структуроскопии, описание изобретения к авторскому свидетельству СССР, 1983.01.23, SU 991280 А

43. Книги серии "Пакеты прикладных программ" (под общей редакцией В.Г.Потемкина)

44. Кондрашов В., Королев, С. Matlab как система программирования научно-технических расчетов. Мир. 2002.

45. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учебник для вузов. М.: Высш. шк., 1994. - 318 с.

46. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. Мн.: Изд-во БГУ, 1982.-302 с.

47. Лазарев Ю. Matlab 5.x. BHV-Киев. 2000.

48. Леоненков А. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. БХВ-Петербург. 2003.

49. Любчик М.А. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов. -М.: Энергия, 1974. -392 с.

50. Макаров Е.Г. Инженерные расчеты в MathCad. Учебный курс. С-Пб:Питер,2003. 448с.

51. Мартынов Н., А.Иванов. Matlab 5.x. Вычисления, визуализация, программирование. Кудиц-образ. 2000.

52. Мартынов Н., Иванов A. Matlab 5.x. Пособие по программированию в системе MATLAB. МГУ. 2000.

53. Мартынов Н. Введение в MATLAB 6. Кудиц-образ. 2002.

54. Медведев В., Потемкин В. Control System Toolbox. Matlab 5 для студентов. Диалог-МИФИ. 2000.

55. Мироновский Д. Функциональное диагностирование динамических систем. МГУ. 1998.

56. Молдованов В.П., Пикман А.Р., Авербух В.А. Производство поршневых колец двигателя внутреннего сгорания, М.: Машиностроение, 1980.- 199 с.

57. Немец Р.С., Способ изготовления хромированных поршневых колец, описание изобретения к патенту РФ, 2002.05.10, RU 2182064 А

58. Поляк Б., Щербаков П. Робастная устойчивость и управление. Наука. 2002.

59. Попов А.В., Способ магнитошумовой структуроскопии и устройство для его осуществления, описание изобретения к авторскому свидетельству СССР, 1981.09.30, SU 868548 А

60. Попов А.В., Устройство для контроля ферромагнитных изделий, описание изобретения к авторскому свидетельству СССР, 1985.09.07, SU 1177738 А

61. Попов А.В., Устройство для магнитошумовой структуроскопии, описание изобретения к авторскому свидетельству СССР, 1982.11.23, SU 976409 А1

62. Попов А.В., Устройство для неразрушающего контроля ферромагнитных изделий, описание изобретения к авторскому свидетельству СССР, 1986.06.30, SU 1241122 А

63. Поршнев С., Компьютерное моделирование физических процессов в пакете MATLAB. Горячая Линия Телеком. 2003.

64. Потемкин В., MATLAB 6: Среда проектирования инженерных приложений. Диалог-МИФИ, 2003.

65. Потемкин В., Введение в MATLAB, Диалог-МИФИ. 2000.

66. Потемкин В., Вычисления в среде MATLAB, Диалог-МИФИ. 2004.

67. Потемкин В., Система MATLAB. Справочное пособие. Диалог-МИФИ, 1997.

68. Потемкин В., Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.x (в 2-х томах). Диалог-МИФИ. 1999.

69. Рудаков П., Сафонов В., Обработка сигналов и изображений, Matlab 5.x. Диалог-МИФИ. 2000.

70. Семененко, М., Введение в математическое моделирование, Солон-Р, 2002.

71. Сергиенко А., Цифровая обработка сигналов, Питер, 2002.

72. Слотин Ю.С. Композиционное планирование регрессионного эксперимента. М.: Знание, 1983. - 52 с.

73. Смоленцев Н., Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в MATLAB. Кемеровский госуниверситет, Кемерово. 2003.

74. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями.- М.:Наука, 1981.-110 с.

75. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. Изд-во Машиностроение. М. 1985.-472с.

76. Толокольников Г.П. Перспективные технологии XXI века. Проблемы машиностроения и надежности машин 2004. №6. с 115-116.

77. Троицкий В.А. Оптимальные процессы колебаний механических систем.- JL: Машиностроение, 1976.- 248 с. Фиакко А., Мак-Кормик Т. Нелинейное программирование. Методы последовательной безусловной минимизации.- М.:Мир, 1972.-240 с.

78. Фролов К.В. Методы совершенствования машин и современные проблемы машиноведения.- М.: Машиностроение, 1984.- 223 с.

79. Холмогорцев Ю.П., способ обработки бочкообразного профиля поршневых колец, описание изобретения к патенту РФ, 1999.08.20, RU 2134630 А

80. Хохлов А. В., Симдянкин А. А., Никитин Д. А., Данилов Ю. С., Устройство для определения радиального давления поршневых колец, описание к авторскому свидетельству СССР N 1578527, G 01 L 1/24, 1990

81. Цисарь И., Крыкин М. MatlabSimulink. Лаборатория экономиста. Анкил. 2001.

82. Цисарь И., Лабораторные работы на персональном компьютере. Учебное пособие для студентов экономических специальностей. Экзамен. 2002.

83. Чаевский М.И., способ изготовления поршневых колец из листовой стальной полосы, описание изобретения к патенту РФ, 2005.07.10, RU 2255850 А

84. Чалый В. Д. Планы эксперимента высоких порядков для идентификации объектов: Учеб. пособие. М.: Изд-во МИФИ, 1987. - 64 с.

85. Чен К., Джиблин П., Ирвинг A. MATLAB в математических исследованиях. Мир. 2001.

86. Черневский Л.В., способ комплексной диагностики подшипников качения и устройство для его осуществления, описание изобретения к патенту РФ, 2005.10.20, RU 2004108229 А

87. Черных И., Simulink: среда создания инженерных приложений. Диалог-МИФИ. 2003.

88. Яцун С.Ф., Гапонов Ю.А., Маслова О.Г. Анализ периодических процессов движения вибромашин с электромагнитным приводом // Известия вузов. Машиностроение. 1991. -№4-6. -С. 42-46.