НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МАШИН И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИХ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

 

Добрынин С.А., Суслов В.Н., Фирсов Г.И.

(ИМАШ РАН, г.Москва, РФ)

 

The basic tasks of the dynamic tests of machines at different stages of their design, production, finishing and operation are represented, and the obtained with the aid of the theory of analytical signal interconnections between the elastic and dissipative parameters of machine parts and their influence on the frequency characteristics are also given.

 

По мере усложнения объектов машиностроения применение расчетных методов математического описания все более дополняется экспериментальным изучением для получения достаточно точной и полной информации об объекте. Это обусловлено тем, что, во- первых, результаты экспериментальных исследований служат основной исходной информацией для решения задачи идентификации сложных механических систем, априорное построение математических моделей которых весьма трудоемко, недостаточно точно и не всегда возможно. При этом экспериментальное изучение наблюдаемых явлений позволяет оценить результаты исследований с точки зрения проверки методов расчета и математического моделирования.

Во-вторых, на основе экспериментальных исследований получают объективную оценку динамического качества образца и группы образцов, производят сравнение испытываемых машин, а также выявляют эффективность реализованных конструктивных мероприятий, что позволяет рассматривать экспериментальные исследования как важнейшую часть испытаний и контроля качества создаваемой продукции [1].

Современная экспериментальная динамика машин является теоретической основой тех стадий машиностроительного производства, которые связаны с динамическими испытаниями, аттестацией и контролем машин и их элементов. На начальном этапе проектирования машины в первую очередь представляется важным получение сведений о внешних нагрузках и условиях эксплуатации, что позволяет обосновать расчетные условия и уточнить исходные данные для CAIIP. На этапе технического проектирования и создания опытного образца (машины-прототипа) удельный вес экспериментальных исследований существенно возрастает, а основная задача сравнительных испытаний с целью совершенствования конструкции может быть сформулирована следующим образом: оценка динамического качества машины. Сюда относятся вопросы объективной оценки кинематических и динамических параметров, внешних воздействий, модальный анализ конструкции, анализ виброактивности, идентификация математической модели объекта и действующих возмущений, анализ взаимосвязи динамических параметров и выходных характеристик машины. На этапе серийного производства и эксплуатации парка машин основная задача испытаний с целью контроля качества и ресурса состоит в аттестации паспортных динамических характеристик; вибродиагностике оборудования с целью проверки качества изготовления, настройки, ремонта, перехода на обслуживание по техническому состоянию, обеспечения автоматизированной работы оборудования; оценке надежности оборудования и прогнозирования срока службы путем динамических испытаний.

Для удовлетворения той или иной потребности человека каждое изделие должно обладать качеством, соответствующим его назначению. Для каждой группы машин соответствующие технические показатели в более конкретной форме, например в виде выходных (паспортных) характеристик, дают оценку качества функционирования объекта. Прямая или косвенная оценка выходных характеристик может выполняться путем измерения различных параметров машины в известных условиях эксплуатации. С точки зрения вредных вибраций, ухудшающих работу техники, можно рассмотреть по отдельности влияние вибраций на технические показатели машины и влияние условий работы машины на проявление динамики. Влияние вибраций на работу машин может быть весьма разносторонним. Так, например, вибрация, сопровождающая работу машины, искажает кинематическое движение механизмов и вызывает циклические кинематические погрешности; дополнительное виброперемещение инструмента относительно заготовки в зоне резания станков вызывает погрешности обработки в виде погрешности формы и шероховатости поверхности; виброперемещение элементов конструкции влияет на их напряженно-деформированное состояние и на условия контактирования, что приводит к поломкам, усталостным повреждениям, интенсификации износа поверхностей, нарушению технологической надежности, развинчиванию резьбовых соединений и т. п. Из-за вредного влияния вибраций для обеспечения заданных показателей качества продукции приходится снижать производительность работы оборудования, что приводит к потерям мощности и экономическим потерям. Вибрация и шум оказывают также вредное влияние на организм человека.

С другой стороны, рассматривая влияние условий работы машины на ее динамическое поведение, в первую очередь можно выделить влияние скоростных кинематических показателей, которые определяют частотный спектр воздействий на систему. Вместе с тем увеличение нагрузок и мощностей приводит к увеличению интенсивности спектра воздействий. Изменение параметров и режимов работы машины и рабочих процессов приводит к соответствующему изменению динамических характеристик, уровня и частотного состава вибраций. Экономия конструкционных материалов при росте требований к точности и надежности машин приводит к повышению роли жесткости и динамических явлений.

Учет динамического поведения машины при оценке качества ее работы в настоящее время приобретает все большее значение. Это связано со сложностью и интенсификацией режимов современных технических объектов, содержащих динамические системы с обратными связями, рабочие процессы в приводах и соединениях, взаимодействующих с окружающей средой. Работа реальной машины всегда сопровождается вибрационными явлениями и случайными возмущениями в широком спектре частот. Создание оптимальной конструкции при противоречивых показателях (критериях) приводит к компромиссу, для которого особое значение имеет объективная оценка предельных с точки зрения динамики состояний машины.

Это значит, что, во-первых, должны применяться четкие понятия о количественных показателях динамического качества машины, позволяющие ответить на вопрос: насколько хорошей или насколько плохой получилась данная модель. Во-вторых, процесс получения этой ценной информации должен быть достаточно простым, чтобы не усложнять и не тормозить основную созидательную деятельность конструктора. Поэтому представляют интерес экспериментальные экспресс-методы автоматизированного исследования динамики (идентификации) систем. В ходе такого экспериментального изучения объекта обычно ставятся и решаются задачи оценки его качества с целью дальнейшего совершенствования конструкции: анализ устойчивости и вынужденных колебаний системы; определение показателей динамического качества; сравнение с требуемыми показателями; разработка рекомендаций по совершенствованию конструкции; оценка эффективности конструктивных рекомендаций. Решение этих задач обычно проводится по следующим этапам экспериментального исследования динамики систем.

1. Определение динамической податливости системы, например, в виде амплитудно-фазовой частотной характеристики (АФЧХ), содержащей информацию о собственных частотах, величине жесткости и декрементах колебаний, позволяет оценить запас устойчивости и параметры обратной связи замкнутой динамической системы и дает объективную оценку фактического динамического состояния исследуемого образца машины. Другими словами, это констатация определенных динамических свойств конструкции машины. Для улучшения конструкции необходимо выявить пути уменьшения динамической податливости (повышения динамической жесткости).

2. Построение собственных форм колебаний определяет доминирующий (наиболее податливый) элемент конструкции, показывает баланс виброперемещений различных элементов, а также определяет во многом структуру математической модели исследуемой колебательной системы. Благодаря графическому построению форм колебаний удается выявить наиболее слабые элементы и разработать рекомендации по улучшению конструкции. Чтобы принять то или иное решение по изменению конструкции, необходимо оценить величину положительного эффекта в каждом случае с точки зрения повышения показателей динамического качества объекта. Оценка эффективности рекомендаций до их реализации в опытном образце может быть получена только с помощью математической модели колебательной системы.

3. Разработка математической модели динамической системы, отражающей инерционные, упругие, диссипативные свойства системы, взаимосвязь различных движений, а также внешние воздействия, позволяет оценить эффективность конструктивных рекомендаций и выбрать наиболее оптимальный вариант новой конструкции машины.

Использование для решения задач динамики и диагностики машин информации о мгновенных амплитуде и частоте [1], позволяет построить различные алгоритмы восстановления упругих и диссипативных характеристик. В частности, сравнивая решения для моделей частотно-зависимого (вязкого) и частотно-независимого трения [1], можно сделать следующие выводы. В обоих случаях свободные колебания линейных систем затухают по экспоненте, и поэтому различить их не представляется возможным. Частота свободных колебаний при вязком трении на доли процента меньше, а при частотно-независимом трении больше, чем собственная частота системы. Однако ввиду малости этого различия, его не представляется возможным использовать для практического выявления механизмов диссипации колебаний. Чтобы выявить тонкие особенности сил трения необходимо выполнить анализ свободных колебаний с изменением собственной частоты системы, например, за счет вариации массы или упругости, либо за счет собственно нелинейных упругих сил. При этом если с изменением собственной частоты будет наблюдаться пропорциональное изменение коэффициента демпфирования, а декремент останется постоянным, то имеет место частотно-независимое трение. И наоборот, если коэффициент демпфирования не меняется, а декремент обратно пропорционален частоте, то наблюдается частотно-зависимое (вязкое) трение. В соответствии с природой сил трения рассмотренные показатели демпфирования могут более сложным способом зависеть от амплитуды и частоты колебаний. В частности известно, что декремент колебаний деталей машин существенно зависит от амплитуды колебаний. В этом случае уравнение свободных колебаний системы с одной степенью свободы можно записать в виде:  где w₀ - собственная частота, d - логарифмический декремент колебаний, A - мгновенная амплитуда, и в результате его решения получаем нелинейную зависимость мгновенного декремента от амплитуды:  = , где f(t) =  - мгновенная частота свободных колебаний. Итак, благодаря тому, что нелинейные диссипативные и упругие силы совершенно различным способом влияют на собственные колебания: диссипация энергии приводит к своеобразному уменьшению мгновенной амплитуды, а упругость связывает определенной зависимостью частоту и амплитуду колебаний, открываются возможности выявления нелинейных характеристик колебательной системы при импульсном воздействии [1].

Рассмотренные вопросы экспериментального анализа динамических процессов и систем непрерывно развиваются и успешно применяются при исследовании различных машин, в том числе промышленных роботов, металлорежущих станков, энергетического оборудования и т. п. [1].

 

Литература

1. Добрынин С.А., Фельдман М.С., Фирсов Г.И. Методы автоматизированного анализа вибрации машин. - М.: Машиностроение, 1987. - 221с.