CC BY
22
technique for classifying a spectrogram for detecting the main echo signal and a signal reflected outside the unambiguously measured range is presented. The results of the algorithm for wind profile reconstruction are presented. Alternative algorithms for classifying echo spectrograms related to the field of machine learning are discussed
Key words: Doppler radar, signal filtering, pattern recognition, spectrogram classification.
Kalmykov Andrei Viktorovich, postgraduate, voldr4396@yandex.ru, Russia, Tula, JSC «Central Design Bureau of Apparatus Engineering»
УДК 629.7.08
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-5-144-152
МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД ДЛЯ ПРОДЛЕНИЯ СРОКОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ АМОРТИЗАЦИИ
В.В. Козлов, А.В. Лагун, К.А. Лямин, К.В. Румянцев
В статье ставится задача разработки подхода к оцениванию технического состояния систем амортизации различных конструктивных исполнений, таких так системы амортизации пружинного, пружинно-демпферного типа, а также пневматических и упругопластических амортизаторов. Результаты расчетов, выполненные по математическим моделям в последующем подвержены расшифровкой на основе вейвлет-преобразования, позволяющей выявлять незначительные изменения в физических параметрах в системах амортизации из осциллограмм их кинематических параметров. На основании получаемых результатов появляется возможность определить техническое состояние свистам амортизации.
Ключевые слова. защищаемый объект, импульс воздействия, перегрузка, перемещение, динамика движения, параметры амортизации.
Эксплуатация амортизируемых объектов (АО) МО РФ как сложных систем является долговременным, многоплановым, и трудоемким процессом, регламентация которого постоянно совершенствуется в изменчивых военно-политических, социально-экономических и научно-технических условиях. Одним из эффективных подходов к обеспечению длительной эксплуатации АО в настоящее время является использование систем мониторинга.
Создание систем мониторинга стало уже утвердившимся направлением совершенствования систем эксплуатации и обеспечения долговечности сложных технических систем [1]. Особую актуальность имеет внедрение систем мониторинга в процессы проектирования и эксплуатации систем амортизации (СА) АО. Так, функционирования СА совместно с системой мониторинга приводит к тому, что уже на стадии проектирования необходимо обеспечить приспособленность оборудования к выполнению контроля его технического состояния переносными приборами неразрушающего контроля, а в особо ответственных случаях предусматривать в его составе стационарные диагностические системы.
Разработанные модели пригодны для оценивания технического состояния на уровне элемента, что не обеспечивает системного подхода к анализу технического состояния СА, поскольку причинами снижения работоспособности оборудования СА являются, как правило, неблагоприятные комбинации различных факторов и свойств сопряженных элементов.
Так, один и те же внешние проявления эксплуатационных факторов в различных режимах функционирования СА могут соответствовать различных ситуациям.
Поэтому необходимо использовать объём информации, достаточный для распознавания технического состояния, сопоставляя частные и общие параметры объекта с позиций системного подхода.
Следует заметить, что системный подход дает общие рекомендации, и не всегда согласующиеся со спецификой СА ОА как сложных систем. Поэтому при создании и исследовании технических систем СА необходимо разработка специализированной методологии, опирающейся, с одной стороны, на фундаментальные методологические принципы системного подхода, с другой стороны, учитывающей упомянутые выше особенности объектов исследования.
Особенности системы мониторинга для систем амортизации. Специфика СА АО как объектов системных исследований и мониторинга, характеризуется следующими основными особенностями. Они должны удовлетворять жестким требованиям по эффективности, определяемой заданным целевым эффектом.
Обеспечение эффективности сложных систем допускают возможность сохранения работоспособности и продолжения эксплуатации при сниженном уровне её эффективности. Подобное свойство считается преимуществом обычных сложных систем, однако, это относится и к СА АО, поскольку они работают в режиме строгой регламентации процессов функционирования. Это обстоятельство вызывает необходимость особого подхода к формированию показателей эффективности и принципам их обеспечения. В частности, показатели эффективности должны отражать свойства объекта эксплуатации. При этом реализация принципов функционирования системы мониторинга (обследования, определение технического состояния оборудования и прогнозирования остаточного ресурса) не должна приводить к выводу техники из работоспособного состояния. В противном случае для ОА не будут выполнены тактико-технические требования по готовности, надёжности и в целом по боеспособности.
Из этого следует необходимость конструктивного и гарантированного выполнения целевых задач на всех этапах эксплуатации, включая и этап эксплуатации за пределами назначенного ресурса, на котором имеется наибольшая неопределенность знания технического состояния объектов эксплуатации.
СА ОА являются уникальными объектами с относительно невысокой общей наработкой, поэтому для него не всегда пригодны статистические методы оценивания показателей качества и эффективности функционирования, и с учетом рассматриваемого этапа эксплуатации (за пределами назначенного ресурса), когда каждый цикл функционирования приводит к необратимым изменениям. Вероятностные показатели не всегда дают необходимую информацию. Поэтому возникает необходимость использования характеристик, отражающих физическую природу конкретных объектов, процессов их функционирования и деградации условиях длительной эксплуатации. Особенности иерархического строения АО состоят в том, что элементы различных уровней существенным образом различается по своей физической природе, связей и процессов функционирования [2].
Оборудование СА представляет собой преимущественно объекты, которые при эксплуатации испытывают разнообразные нагрузки и влияние различных факторов, обусловливающих, деградацию свойств элементов.
В первую очередь это касается свойств, отражающих физическую природу процессов (в частности, для механического оборудования необходим учет коррозии металлов, старения материалов и пр.). Это приводит к необходимости постановки и решения ряда новых задач математического моделирования воздействий упомянутых факторов, анализа их влияния на техническое состояние оборудования и прогнозирования остаточного ресурса СА.
В частности, возникают новые задачи моделирования, в которых в проектные модели должны быть внесены элементы, учитывающие факторы деградации материалов элементов оборудования и рабочих жидкостей.
Особенности и накопленный опыт длительной эксплуатации СА АО показывают, что разработка принципов и методов научного обоснования систем мониторинга СА АО представляет собой сложную научную задачу.
Формирование облика систем функционального мониторинга (СФМ) для эксплуатируемых СА с позиций системного подхода предлагает наличие алгоритмически взаимосвязанных моделей, отражающих работоспособность и долговечность элементов различных уровней иерархии СА.
Следует особо заметить, что именно учет факторов деградации путем введения при моделировании специальных элементов, описывающих деградацию в реальных элементах, является одной из основных особенностей предлагаемого метода формирования облика СФМ.
Примерами таких специальных элементов являются люфты, деформации, изменения геометрии поверхностей и внутренней структуры материалов, изменения прочности элементов и упругости материалов и прочие процессы.
Такое моделирование позволяет формировать следующие элементы:
- номенклатуру и диапазоны измеряемых параметров [3],
- приборный комплекс средств мониторинга,
- определять места для проведения измерений.
Это в свою очередь позволяет выполнить следующие действия:
- создать диагностические портреты функционирования СА АО при наличии в них изменений, связанных с расходованием потенциала работоспособности,
- создать базу данных, связывающую степень деградации отдельных узлов и деталей СА с внешне доступными параметрами процессов функционирования.
Такая база данных в СФМ позволит выявить текущее техническое состояние объектов, определять степень деградации конструкционных материалов, рабочих жидкостей и элементов, а также выполнять прогнозные оценки по запасу потенциала работоспособности [4].
Общая задача обоснования облика СФМ СА АО должна решаться одновременно с проектированием системы эксплуатации АО. На практике такую задачу можно решить и для эксплуатируемого комплекса. Но при этом должны быть сформулированы исходные данные в виде требований к показателям технического состояния СА АО.
Решение задачи обоснования облика СФМ СА АО опирается на использование множества эксплуатационно-технических показателей и алгоритм их вычисления.
Основной методологической схемой при физико-статистическом моделировании процессов деградации технических объектов является дуальная модель «параметр-поле допуска».
Расширяя понятия «параметр» и «поля допуска», можно практически все модели, существующие в рамках физико-статистического подхода, представить данной схемой (например, модель «нагрузка - несущая способность»).
Характеристики систем амортизации амортизируемых объектов. АО при сейсмовоздействий получают большие ускорения, которые в виде перегрузок (безразмерная векторная величина, зависящая от сил инерции АО), которые в виде перегрузок оказывают поражающее воздействие на личный состав и технологическое оборудование.
Перегрузки всегда направлены противоположно действующим ускорениям. Поражающее действие перегрузок усугубляется их величиной, длительностью и скоростью нарастания
Необходимость применения систем амортизации определяется путем последовательного проведения следующих мероприятий:
Анализа соответствия параметров движения мест размещения личного состава общим техническим требованиям к обитаемости специальных фортификационных сооружений «Системы общих технических требований к видам вооружения и военной
техники. Наземные (подземные) стационарные объекты военной техники, фортификационные сооружения специальных объектов вооруженных сил».
Анализа стойкости оборудования к сейсмоударному воздействию.
СА специальных объектов могут быть классифицированы по следующим признакам:
По функциональному назначению на системы общей, групповой и местной амортизации [5].
Системы общей амортизации применяются для защиты всего объема технологического оборудования и личного состава, размещенного в помещении строительного сооружения, в качестве АО в них используются встроенные амортизируемые конструкции (ВАК).
Системы общей амортизации, как правило, применяются при необходимости защиты технологического оборудования и личного состава суммарным весом более 100 тонн и площадью более 200 м2.
Системы групповой амортизации, применяются для защиты отдельных групп технологического оборудования и личного состава, размещаемых в отведенных зонах помещений строительного сооружения, в качестве амортизируемого объекта в них используются платформы.
Системы групповой амортизации применяются при общем весе амортизируемой конструкции от 10 до 150 тонн.
Системы местной амортизации применяются для защиты обособленных единиц оборудования в помещениях строительного сооружения, а также для амортизации индивидуальных рабочих мест личного состава.
Системы местной амортизации применяются для отдельных образцов оборудования, вес которого не превышает 10 тонн
По способу установки в строительном сооружении на опорные (рис.1), подвесные (рис.2) и комбинированные.
В опорных СА амортизируемый объект устанавливается на полу строительного сооружения, в подвесных подвешивается к потолку, а в комбинированных СА связывается одновременно с полом и потолком сооружения.
Гаситель___ Сггацобо-
-Гаситть.-/шэлобэмий
Амортизируемая ' платформа
I || 1"|.|| ||1 || "Г я
Ш\ Пружинный К Щ
™ амортизатор- \
а«м>тимтор
а б Рис. 1. Средства амортизации: а — опорного типа; б — подвесного типа
Связи между АО и строительным сооружением могут быть нагружены растягивающими или сжимающими усилиями. Растягивающие усилия характерны для подвесных СА, а сжимающие усилия - для опорных СА.
По конструктивному исполнению связей между амортизируемой конструкцией и сооружением на прямые и редукционные. В прямых СА перемещения сооружения и возникающие при этом усилия передаются на амортизирующие устройства без трансформации, например, прямая передача усилий может осуществляться через траверсу, служащую опорой для упругих элементов, работающих на сжатие. В редукционных СА
при передаче перемещений и усилий от сооружения к АО происходит их трансформация. В качестве редукционной передачи усилий используются различные рычажные и тросо-блочные (полиспастные) устройства. По конструктивному исполнению амортизаторов на упругопластические (рис.2) пружинно-демпферные (рис.3), пневмокордные (рис.4).
ДЕМПФИРУЮЩИЙ / ПЕРЕКАТЫВАЮЩАЯСЯ \ ПОДШИПНИК \
ЭЛЕМЕНТ ЛЕНТА ШС17
Рис. 2. Упругопластический амортизатор
а б
Рис. 3. Амртизаторы: а — пружинный; б — пружинно-демпферный
ИНОКОРДНАЯ ОБОЛОЧКА
о о- ¡1 8
1
@ 1 )
560
Рис. 4. Пневмоамортизатор
148
В пружинно-демпферных СА в качестве амортизирующих устройств применяются винтовые пружины, а в качестве демпфирующих элементов - гидравлические демпфера. В пневмокордных СА в качестве амортизирующих устройств применяются пневматические амортизаторы на основе резинокордных оболочек различных моделей. В упругопластических СА в качестве амортизирующих устройств применяются упру-гопластические амортизаторы различных моделей.
Несмотря на большое разнообразие СА их функционирование может быть описано общим уравнением
тг + Ь1(р])г + = ^(0,
Здесь г - перемещение АО; т - масса АО; Ъг - функция демпфирования; сг - функция жесткости; Q(t) - возмущающая сила внешнего воздействия; р - параметры соответствующих функций СА; г е 1... п; j е ,... т; к е 1.../- индексы соответствующих величин, описывающих конструктивное и параметрическое многообразие СА.
Для оценивания технического состояния СА особенно за границами назначенных показателей ресурса доступными для измерения при использовании методов не-разрушающего контроля являются кинематические параметры перемещения и скорости ¿(0 = К(0.
Общий вид таких параметров имеет зависимости, показанные на рис. 5.
1 г 0 10 V 0
- 1 - 10
о
10
20
0
10
20
t t Рис. 5. Перемещение элемента АО после внешнего воздействия
Поскольку факторы деградации СА описываются экспоненциальными зависимостями [6], то с учетом того, что согласно эксплуатационной и конструкторской документации изменения технических параметров (р.) СА должны изменяться в незначительных диапазонах, назначенных разработчиком
Р =[р, ]±АР, ,
то для их описания принимается допущение о возможности составления моделей деградации технических параметров в линейном приближении.
Таким образом, в статье сформирована следующая математическая модель деградации исследуемых параметров СА, значения которых изменяется в допустимых пределах:
рфакт = к]- •рном ; к] е 1.....0.95; рфакт = кк • р%ом ; кк е 1.....0.95
Однако при проведении численных экспериментов на моделях, описывающих функционирования СА, выявить влияние в изменении кинематических параметров при таком незначительном изменении их физических не представляется возможным.
Для преодоления такой ситуации целесообразно использовать расшифровки сигналов о параметрах работы СА вейвлет-преобразований, которые успешно работают в условиях нестационарных сигналов.
Для расшифровки использованы вейвлет-преобразования с функцией Дуабечи.
Р (! ) =
ъгп
2л
t
50
+ 0.3 • ъгп
2л
t
ю
Расшифровка осциллограмм кинематических параметров при изменение физических параметров в СА по процедурам вейвлет-анализа показывает различимость изменения таких параметров.
Для достижения удовлетворительной точности расшифровки осциллограмм кинематических параметров может быть выбран коэффициент вейвлет-преобразований, например (с<9>), который позволяет при обратном преобразовании получить исходные
осциллограммы. Поскольку каждый элемент исследуемого объекта обладает собственным частотно-временным портретом, то после идентификации временных отрезков (,) на вейвлет-графике (рис.6), соответствующим физическим параметрам, удается определить влияние текущей величины этого параметра амплитуде коэффициента вейвлет-преобразования на соответствующем временном отрезке.
0.05
(с<9>), 0
- 0.05
3 4 4 4
0 7.5х103 1.5х104 2.25х104 3х104
Рис. 6. Вейвлет график перемещения г^)
Таким образом, на основании приведенных выше рассуждений можно предложить методический подход для продления сроков эксплуатации, модернизации и созданию новых систем амортизации.
Заключение. В основе предлагаемого методического подхода лежит создание банка данных о проявлениях дефектов в деталях и рабочих средах систем амортизации, выявленных при математическом моделировании процессов их функционирования на основе расшифровки кинематических параметров этих систем.
Кроме того, метод подразумевает выявление приборного комплекса, которым следует оснащать система амортизации. В результате сравнения физических измерений, полученных на реальных объектах и данными из банка данных, полученных при численных исследованиях удается контролировать и выявлять текущее техническое состояние систем амортизации.
Список литературы
1. Аль-Вароуди У., Гранкин Б.К. Козлов В.В., Мокан Д.О. Оценивание долговечности сложных технических систем. СПб.: Сборник трудов ВКА им. А.Ф. Можайского. 2013. Вып. 640. С. 62 - 68.
2. Методологические аспекты обеспечения долговечности механического оборудования СК на основе функционального мониторинга. Петров Г.Д., СПБ: ВКА им. А.Ф.Можайского, 2005. 37 с.
3. Основы эксплуатации космических средств / Под ред. В.А. Никитина. СПБ.: ВИКУ им. А.Ф.Можайского, 2000. 499 с.
4. Аль-Вароуди У., Козлов В.В., Мокан Д.О. Методика обоснования номенклатуры технических показателей качества функционирования системы эксплуатации технологического оборудования ракетных комплексов // Труды 15 всероссийской НПК РАРАН (4-5 апреля 2012 г.). Вооружение и военная техника. М.: Изд. ФГБУ «Российская академия ракетных и артиллерийских наук». 2012. Т. 1. С. 470-474.
5. Гуськов В.Д., Долбенков В.Г., Лямин К.А. типовые амортизирующие и демпфирующие устройства систем амортизации, созданные АО «КБСМ» в период с 1960 года по 2017 год. АО «Конструкторское бюро специального машиностроения». Г. Санкт-Петербург, 2018.
6. Козлов В.В., Гранкин Б.К. Мокан Д.О. Оценивание работоспособности гидравлических машин объемного действия стартовых космических комплексов. Приложение к журналу «Мехатроника, автоматизация, управление», 2007. Вып. №11. 2007. 55 с.
Л и Л/
№ N \л
Козлов Владимир Владимирович, доктор технических наук, профессор, vka@mil.rH, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Лагун Андрей Валерьевич, кандидат технических наук, доцент, vka@mil.rH, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Лямин Константин Александрович, сотрудник, office@,kbsm.sH, Россия, Санкт-Петербург, Конструкторское бюро специального машиностроения,
Румянцев Кирилл Владимирович, сотрудник, mail@,corpspH.rH, Россия, Москва, Корпорация Стратегические пункты управления
METHODICAL APPROACH FOR EXTENSION OF TERMS OPERATION
DEPRECIATION SYSTEMS
V.V. Kozlov, A.V. Lagun, K.A. Lyamin, K.V. Rumyantsev
The article sets the task of developing an approach to assessing the technical condition of shock absorption systems of various structural designs, such as spring-type, spring-damper-type shock absorption systems, as well as pneumatic and elastic-plastic shock absorbers. The results of calculations performed using mathematical models are subsequently subject to decoding based on the wavelet transform, which makes it possible to detect minor changes in physical parameters in depreciation systems from the oscillograms of their kinematic parameters. Based on the results obtained, it becomes possible to determine the technical condition of the depreciation whistles.
Key words: protected object, impact pulse, overload, displacement, movement dynamics, depreciation parameters.
Kozlov Vladimir Vladimirovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisk.,
Lagun Andrey Valeryevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky.
Lyamin Konstantin Alexandrovich, employee, office@kbsm.su, Russia, St. Petersburg, Design Bureau of Special Engineering,
Rumyantsev Kirill Vladimirovich, employee, mailai corpspii.ru, Russia, Moscow, Corporation Strategic Control Points
