Динамический мониторинг узлов трения мобильных технических систем

Изобретение относится к способам динамического мониторинга узлов трения мобильных технических систем. Сущность: анализируют нормальную и тангенциальную составляющие сил фрикционного взаимодействия, их взаимный трибоспектр и автотрибоспектр нормальной составляющей, а также их отношения в форме комплексного коэффициента передачи или амплитудофазочастотной характеристики. Диагностика текущего состояния фрикционного контакта и прогнозирование его изменения выполняется на основании базы интегральных оценок как на всем частотном диапазоне регистрации амплитудофазочастотных характеристик трибосистемы, так и на заданных октавных диапазонах частот. Изменение указанных оценок на заданную величину пик-фактора определяет чувствительность систем автоматического управления (САУ) трибосистемой или систем автоматического регулирования (САР) параметрами трибосистемы и служит идентификационным признаком перехода из одного стационарного состояния в другое. Диагностика текущего состояния фрикционного контакта, идентификация процессов трения и изнашивания, краткосрочное или долгосрочное прогнозирование его изменения выполняются на основании сравнительного анализа собственных трибоспектральных характеристик фрикционного взаимодействия поверхностей трения, полученных на базе методов физико-математического моделирования процессов трения и трибоспектральных характеристик фрикционного взаимодействия поверхностей трения натурных узлов. На первом этапе динамического мониторинга натурных мобильных технических систем (МТС) формируется база трибоспектральных характеристик для идентификации процессов трения и изнашивания протекающих во фрикционных контактах МТС и фиксации в трехкоорндинатном пространстве периодических сигналов фрикционного взаимодействия контактирующих микро- и макрошероховатостей поверхностей трения, разложение периодических сигналов (собственных трибоспектров) в ряды Фурье на фиксированной сетке частот. На втором этапе фиксируются в трехкоординатном пространстве периодические сигналы фрикционного взаимодействия контактирующих микро- и макрошероховатостей поверхностей трения МТС. На третьем этапе проводится оценка корреляции сигналов в виде рядов Фурье, полученных в лабораторных условиях и эксплуатации МТС. Обеспечивается адекватность физико-математической модели МТС и натурной МТС путем выполнения физико-математического моделирования в m-масштабах линейных размеров с последующим определением относительных, абсолютных погрешностей, коэффициентов конкордации и корреляции фиксируемых выходных параметров в m физико-математических моделях МТС. Технический результат: повышение адекватности модели и снижение числа модельных экспериментов. 1 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способам динамического мониторинга узлов трения мобильных технических систем. Интенсивное развитие в XXI веке вычислительной техники, информационных технологий и инструментальных средств измерений способствует появлению новых, перспективных способов, методов и технологий для решения задач научного познания законов функционирования машин и механизмов. Практически любая машина или механизм являются фрикционными системами (ФС), состоящими из квазилинейных частей механических подсистем и существенно-нелинейных подсистем фрикционных контактов (ФК). С учетом специфики эксплуатации их можно выделить в особую группу - мобильные технические системы (МТС), к которым относятся железнодорожный, автомобильный, воздушный и водный транспорт.

Развивающиеся методы виброакустической диагностики ФС на базе виброакустического анализа колебательных состояний поверхностных слоев трущихся тел позволяют без изменения их конструкции обеспечить наблюдение за изменением состояния отображением свойств ФС в координатах состояния, доступных измерению. От их колебательных состояний зависит стабильность работы ФК и, в конечном счете, устойчивость всей ФС и безопасность эксплуатации. Однако до настоящего времени отсутствуют системы непрерывного динамического мониторинга ФС, имеющие высокую достоверность прогноза.

В качестве аналога выбран способ исследования триботехнических характеристик узла трения [1], заключающийся в том, что на узел пары трения, одной из составляющих которой является ползун, воздействуют нагрузкой, дополнительно воздействуют на весь узел трения спектром колебаний с переменными частотами и амплитудами, отличающийся тем, что изменяют жесткость двух связей узла трения и регистрируют его триботехнические характеристики в момент трогания ползуна при плавном увеличении нагрузки, страгивающей ползун с места.

Недостатком этого аналога является отсутствие возможность проведения проверки адекватности полученных результатов при модельных испытаниях в лабораторных условиях

Другим аналогом может служить способ определения триботехнических характеристик пары трения [2], заключающийся в том, что регистрируют переменные составляющие сил фрикционного взаимодействия пары трения и по их гармоническому анализу определяют текущие триботехнические характеристики пары трения, при том, что с целью повышения достоверности результатов определяют текущее значение жесткости Cn фрикционного контакта элементов пары трения и воздействуют на один из элементов пары трения внешней силой с частотой

где m - масса этого элемента пары трения, амплитудой равной амплитуде, возникающей на частоте ωn переменной, составляющей сил фрикционного взаимодействия и сдвинутой на 180° фазой при резонансе переменной составляющей ωn.

В этом аналоге существует недостаток, при котором для окончательного выяснения корректности результатов требуются комплексные длительные эксплуатационные испытания натурного объекта.

В качестве еще одного аналога, выбран способ испытаний узлов трения, и основываясь на его методах, решается задача обеспечения адекватности физико-математической модели МТС и натурной МТС методом физико-математического моделирования [3]. Заключающийся в том, что механические системы объектной и модельной фрикционных механических систем, состоящей из подсистемы механической и подсистемы или подсистем фрикционных, при этом механические подсистемы описываются системой аналогичных линеаризованных дифференциальных уравнений, а процессы, протекающие на фрикционном контакте «объекта» и «модели», описываются аналогичными математическими моделями, уравнениями регрессии, получаемыми при натурном эксперименте, например, с применением математического планирования полного или дробного факторного эксперимента, при этом между параметрами «объекта» и «модели» обеспечивается следующее соотношение: отношение линейных размеров объекта (L) и модели (l) равно геометрическому масштабу подобия

отношение времени протекания исследуемых процессов объекта (T) и модели (t) равно

отношение физико-механических параметров материалов (модуля упругости, температуры объемной и ее градиента и т.д.) объекта (Ф) и модели (ф) равно

отношение внешних сил, действующих внутри системы, объекта (F) и модели (f) равно

отношение площадей объекта (S) и модели (s) равно

отношение амплитуд колебаний связей механических подсистем и деформаций микронеровностей объекта (А) и модели (а) равно

отношение параметров микрогеометрии фрикционных поверхностей объекта (H) и модели (h) равно

отношение контактного давления объекта (Q) и модели (q) равно

отношение линейных скоростей скольжения объекта (V) и модели (v) равно

отношение масс объекта (М) и модели (m) равно

отношение жесткостей объекта (С) и модели (с) равно

отношение частот колебаний объекта (Ω) и модели (ω) равно

отношение удельных величин спектральных плотностей мощности

где

- спектральная плотность сигнала x(t) в единицу времени Τ на частоте Ω, приходящаяся на единицу площади S поверхности), при этом правые части дифференциальных уравнений (внешние возмущающие воздействия математических моделей МТС) обеспечивают выполнение констант подобия амплитуды колебаний:

и частоты колебаний:

при этом измерение трибопараметров МТС осуществляется во время проведения испытаний, коэффициент трения представляется в виде комплексной функции, т.е. в виде отношения взаимного трибоспектра в тангенциальном и нормальном направлениях к автотрибоспектру в нормальном направлении, действительная часть которого характеризует упругие, а мнимая - диссипативные свойства подсистемы фрикционного контакта, одновременно выполняется контроль и фиксирование удельной площади касания в реальном масштабе времени, например, методом проводимости в паре металл-металл или методом лазерного просвечивания в паре металл-полимер, а значение контактной температуры (максимальной объемной температуры, температуры на вершинах микронеровностей контакта) определяется формулой:

где J - ток, проходящий через контакт;

Rк - сопротивление контакта;

αT - коэффициент внешней теплоотдачи;

ρ - удельное сопротивление,

lK - «длина» контакта.

Можно отметить недостаток этого аналога, которым является отсутствие возможность проведения проверки адекватности полученных результатов при модельных испытаниях в лабораторных условиях.

В качестве еще одного аналога рассмотрим способ построения физической модели фрикционной механической системы [4], который заключается в том, что определяют число сосредоточенных масс системы, ее частоту и форму колебаний, а также логарифмические декременты колебаний в связях системы, с учетом которых строят физическую модель системы, при этом, с целью повышения достоверности результатов моделирования, дополнительно определяют расположение осей колебаний сосредоточенных масс, а также направления осей переменных составляющих сил трения и сил деформации связей системы и углы между ними, которые учитывают при построении физической модели системы.

Недостатком является отсутствие возможность проведения проверки адекватности полученных результатов при модельных испытаниях в лабораторных условиях.

В качестве прототипа выбран способ определения параметров трения и изнашивания [5], заключающийся в том, что нагружают элементы пары трения осевой силой, придают им относительное перемещение и измеряют силу трения, износ и величину нормального давления, при этом с целью повышения информативности и оценки влияния конструкции и демпфирующих свойств узла трения и изнашивания, измеряют пространственные колебания сил фрикционного взаимодействия элементов пары трения на поверхности трения и реакции держателей элементов пары трения, определяют коэффициенты вибропередачи узла трения и спектральные характеристики колебаний указанных сил, строят тарировочные зависимости параметров трения и изнашивания от полученных спектральных характеристик колебаний сил, по которым судят о процессе трения и изнашивания в узле трения.

Как и в предыдущем случае не обеспечивается возможность проведения проверки адекватности полученных результатов при модельных испытаниях в лабораторных условиях, для окончательного выяснения корректности результатов требуются комплексные длительные эксплуатационные испытания натурного объекта, что в ряде случаев затруднительно, а в некоторых случаях невозможно.

Сущность изобретения заключается в том, что способ динамического мониторинга узлов трения мобильных технических систем (МТС), осуществляет контроль процессов трения и изнашивания путем анализа нормальной и тангенциальной составляющих сил фрикционного взаимодействия, их взаимного трибоспектра и автотрибоспектра нормальной составляющей, а также их отношения в форме комплексного коэффициента передачи или амплитудофазочастотной характеристики, с учетом, что диагностика текущего состояния фрикционного контакта и краткосрочное или долгосрочное прогнозирование его изменения выполняется на основании базы интегральных оценок (диссипативной составляющей IQ, степени диссипации Ιγ, приведенных к выходу энергетических потерь If, квадрата модуля когерентности IC) как на всем частотном диапазоне регистрации амплитудо-фазочастотных характеристик трибосистемы, так и на заданных октавных (1/3, 1/12, 1/24 - долеоктавных) диапазонах частот, либо заданных частотных диапазонах, охватывающих те или иные собственные частоты механической системы, полученных при испытаниях физико-механических моделей реального объекта исследования в лабораторных условиях, обеспечивающих идентичность динамических характеристик механических и фрикционных подсистем объекта и модели, а изменение указанных оценок на заданную величину пик-фактора (пикового значения отклонения оценки от математического ожидания к ее среднеквадратическому отклонению) определяет чувствительность систем автоматического управления (САУ) трибосистемой или систем автоматического регулирования (САР) параметрами трибосистемы и служит идентификационным признаком перехода из одного стационарного состояния в другое, в частности потери стабильности фрикционных связей, переходом от упругих деформаций к пластическим, к атермическому или термическому схватыванию активных микрообъемов поверхностей трения на фактической площади касания, при этом диагностика текущего состояния фрикционного контакта, идентификация процессов трения и изнашивания, краткосрочное или долгосрочное прогнозирование его изменения выполняется на основании сравнительного анализа собственных трибоспектральных характеристик фрикционного взаимодействия поверхностей трения, полученных на базе методов физико-математического моделирования процессов трения и трибоспектральных характеристик фрикционного взаимодействия поверхностей трения натурных узлов; на первом этапе динамического мониторинга натурных мобильных технических систем (МТС) формируется база трибоспектральных характеристик для идентификации процессов трения и изнашивания протекающих во фрикционных контактах МТС и фиксации в трехкоорндинатном пространстве периодических сигналов фрикционного взаимодействия контактирующих микро- и макрошероховатостей поверхностей трения, разложение периодических сигналов (собственных трибоспектров) в ряды Фурье на фиксированной сетке частот, на втором этапе фиксируется в трехкоординатном пространстве периодические сигналы фрикционного взаимодействия контактирующих микро- и макрошероховатостей поверхностей трения МТС, на третьем этапе проводится оценка корреляции сигналов в виде рядов Фурье, полученных в лабораторных условиях и эксплуатации МТС, отличается тем, что для обеспечения адекватности физико-математической модели МТС и натурной МТС физико-математическое моделирование выполняется в m - масштабах линейных размеров с последующим определением относительных, абсолютных погрешностей; коэффициентов конкордации и корреляции фиксируемых выходных параметров в m физико-математических моделях МТС.для обеспечения адекватности физико-математической модели МТС и натурной МТС физико-математическое моделирование выполняется в m - масштабах линейных размеров с последующим определением относительных, абсолютных погрешностей; коэффициентов конкордации и корреляции фиксируемых выходных параметров в m физико-математических моделях МТС.

Литература

1. Патент РФ №2090859, кл. G01N 3/56, 1994.

2. Авторское свидетельство СССР №1610402, кл. G01Μ 3/56, 1988.

3. Патент РФ №2343450, кл. G01N 3/56, 2006.

4. Авторское свидетельство СССР №1821678, кл. G01Μ 3/56, 1990.

5. Авторское свидетельство СССР №1237949, кл. G01Μ 3/56, 1983.

6. Озябкин, А.Л. Теоретические основы динамического мониторинга фрикционных мобильных систем // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2011. - №10. - С.17-28.

7. Сергиенко, А.Б. Цифровая обработка сигналов - СПб.: Питер, 2003. - 604 с.

8. Колесников, В.И. Транспортная триботехника (трибомеханика): учеб. пособие. Т.II / В.И. Колесников, В.Л. Заковоротный, В.В. Шаповалов; Рост. гос. ун-т путей сообщения. - Ростов н/Д, 2006. - 478 с.

Способ динамического мониторинга узлов трения мобильных технических систем (МТС), заключающийся в контроле процессов трения и изнашивания путем анализа нормальной и тангенциальной составляющих сил фрикционного взаимодействия, их взаимного трибоспектра и автотрибоспектра нормальной составляющей, а также их отношения в форме комплексного коэффициента передачи или амплитудофазочастотной характеристики с учетом, что диагностика текущего состояния фрикционного контакта и краткосрочное или долгосрочное прогнозирование его изменения выполняются на основании базы интегральных оценок (диссипативной составляющей IQ, степени диссипации Iγ, приведенных к выходу энергетических потерь Iƒ, квадрата модуля когерентности IC) как на всем частотном диапазоне регистрации амплитудофазочастотных характеристик трибосистемы, так и на заданных октавных (1/3, 1/12, 1/24 - долеоктавных) диапазонах частот, либо заданных частотных диапазонах, охватывающих те или иные собственные частоты механической системы, полученных при испытаниях физико-механических моделей реального объекта исследования в лабораторных условиях, обеспечивающих идентичность динамических характеристик механических и фрикционных подсистем объекта и модели, а изменение указанных оценок на заданную величину пик-фактора (пикового значения отклонения оценки от математического ожидания к ее среднеквадратическому отклонению) определяет чувствительность систем автоматического управления (САУ) трибосистемой или систем автоматического регулирования (САР) параметрами трибосистемы и служит идентификационным признаком перехода из одного стационарного состояния в другое, в частности потери стабильности фрикционных связей, переходом от упругих деформаций к пластическим, к атермическому или термическому схватыванию активных микрообъемов поверхностей трения на фактической площади касания, при этом диагностика текущего состояния фрикционного контакта, идентификация процессов трения и изнашивания, краткосрочное или долгосрочное прогнозирование его изменения выполняются на основании сравнительного анализа собственных трибоспектральных характеристик фрикционного взаимодействия поверхностей трения, полученных на базе методов физико-математического моделирования процессов трения и трибоспектральных характеристик фрикционного взаимодействия поверхностей трения натурных узлов; на первом этапе динамического мониторинга натурных мобильных технических систем (МТС) формируется база трибоспектральных характеристик для идентификации процессов трения и изнашивания протекающих во фрикционных контактах МТС и фиксации в трехкоординатном пространстве периодических сигналов фрикционного взаимодействия контактирующих микро- и макрошероховатостей поверхностей трения, разложение периодических сигналов (собственных трибоспектров) в ряды Фурье на фиксированной сетке частот, на втором этапе фиксируются в трехкоординатном пространстве периодические сигналы фрикционного взаимодействия контактирующих микро- и макрошероховатостей поверхностей трения МТС, на третьем этапе проводится оценка корреляции сигналов в виде рядов Фурье, полученных в лабораторных условиях и эксплуатации МТС, отличается тем, что для обеспечения адекватности физико-математической модели МТС и натурной МТС физико-математическое моделирование выполняется в m-масштабах линейных размеров с последующим определением относительных, абсолютных погрешностей, коэффициентов конкордации и корреляции фиксируемых выходных параметров в m физико-математических моделях МТС.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к способам динамического мониторинга мобильных нелинейных технических систем (МНТС). Способ заключается в контроле процессов трения и изнашивания путем анализа нормальной и тангенциальной составляющих сил фрикционного взаимодействия, их взаимного спектра и автотрибоспектра нормальной составляющей, а также их отношения в форме комплексного коэффициента передачи или амплитудофазочастотной характеристики.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам и средствам триботехнических испытаний, в частности к способам и устройствам для испытания узлов с парами сухого трения.

Изобретение относится к испытательной технике. Сущность: процессы, протекающие на фрикционном контакте (ФК) «объекта» и «модели», описываются аналогичными математическими моделями, уравнениями регрессии, получаемыми при натурном эксперименте, с применением математического планирования полного или дробного факторного эксперимента.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам для испытания металлов и сплавов, а также композиционных материалов и покрытий на стойкость к абразивному изнашиванию при низких, нормальных и повышенных температурах в условиях трения, удара и трения с ударом по абразивной поверхности.

Изобретение относится к области определения механических свойств упрочняемых деталей, преимущественно с нанесенным, в частности напыленным, поверхностным слоем. Способ испытания поверхностного упрочняющего слоя образца с регистрацией зоны деформации после индентирования с помощью метода делительных сеток.

Группа изобретений относится к испытательному оборудованию в трибометрии. Машина содержит электродвигатель, датчик крутящего момента, подшипниковые опоры, механизм фрикционного нагружения образца, климатическую камеру, поддерживающую опору, датчик, предназначенный для передачи на регистрирующий прибор информации о частоте вращения и пути трения образца.

Изобретение относится к вспомогательному оборудованию для обслуживания шахтной многоканатной подъемной машины. Система диагностики износа футеровки канатоведущего шкива подъемной машины, включающая устройство для измерения длины окружности (1) по дну канавки (5а) футеровки (5b) канатоведущего шкива (5), которое содержит измеритель длины (1а), и устройство для измерения расстояния (6) до дна канавки (5а) футеровки (5b) канатоведущего шкива (5), которое содержит измеритель глубины (6а), а также блок управления (2), который содержит функционально связанные блок обработки данных (2а) и блок приема и передачи данных (2b), к которому подключены, импульсный датчик (1b), связанный с измерителем длины (1а), датчик (6b), связанный с измерителем глубины (6а) до дна канавки (5а) футеровки (5b) канатоведущего шкива (5), датчик полного оборота (3) шкива (5), который взаимодействует с сигнальной меткой (4), размещенной на шкиве (5).

Устройство относится к области исследований сопротивлений износу или истиранию материалов в смазке путем приложения к ним усилий и может быть использовано в научных и производственных лабораториях при изучении трибологических свойств масел и пластичных смазок.

Изобретение относится к области контроля стойкости (прочности) материалов и их защитных покрытий при воздействии концентрированных потоков вещества и энергии. Сущность: размещают образец с испытываемым материалом в жидкой среде перед торцевой поверхностью излучателя ультразвуковых колебаний, обеспечивают колебания на ультразвуковой частоте, формируют в зазоре между торцевой поверхностью излучателя и образцом кавитационный процесс, его реализуют в течение времени, достаточного для разрушения поверхности исследуемого материала, и определяют кавитационную стойкость по изменению толщины исследуемого материала.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к стендам для испытания стальных канатов на выносливость. Машина для испытания стальных канатов на выносливость содержит ведущий барабан с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения образца стального каната на заданную длину, сменные ролики определенного диаметра, обеспечивающие изгиб образца на 90°, грузовой ролик с грузом, свободно лежащий на образце и обеспечивающий определенное, в зависимости от диаметра образца натяжение ветви каната, оснащена разгружающим устройством, состоящим из дополнительного ролика и поводка, проходящего через дополнительный ролик, один конец которого закреплен на ведущем барабане, а второй - на оси грузового ролика.
Наверх