CC BY
105
Вибрационная динамика машин и виброакустическая диагностика
А.И. Прыгунов, А.Н. Папуша
Судомеханический факультет МГТУ, кафедра технической механики
Аннотация. Статья посвящена обзору научных исследований в области динамики машин, проводимых на кафедре технической механики МГТУ, подводит итоги последних пяти лет деятельности, намечает направления дальнейших исследований, приглашает к сотрудничеству. При этом особое внимание уделяется исследованиям в области нелинейной динамики машин и анализу полученных теоретических и экспериментальных результатов.
Abstract. The work is devoted to the review of scientific researches in the field of machinery dynamics, which are carried out on the Technical Mechanics Chair of the MSTU, it makes results of the last five years of Chair's activity, plans directions of further researches and invites to co-operation. Thus, the special attention is given to researches in the field of machinery non-linear dynamics and to analysis of theoretical and experimental results which are received in this area.
1. Введение
Летом 1996 года на проходившем в городе Санкт-Петербурге Четвёртом Международном конгрессе по звуку и вибрации организаторами было заявлено, что это последний конгресс, проходивший под таким названием. В дальнейшем планируется проводить конгрессы с такой тематикой в рамках Международных конгрессов по прикладной механике, так как по сути современная прикладная механика на 70 - 80% представлена работами выполненными в области вибрационной динамики машин и конструкций. Такая ситуация связана с лавинообразным развитием возможностей персональной вычислительной техники, что привело к практически полному решению проблем статики машин и конструкций, а также кинематики машин с помощью универсальных вычислительных алгоритмов, таких, например, как метод конечных элементов, казавшихся ранее мало применимыми из-за больших вычислительных затрат. В то же время, ситуация в современной динамике, в том числе и в физической, такова, что, напротив, характеризуется революционным прорывом в область исследования нелинейных динамических систем и связанным с этим открытием ряда новых динамических эффектов, и новым осмыслением известных свойств динамических систем на основе применения к ним новых методов исследований. Поэтому с уверенностью можно сказать, что подавляющая часть фундаментальных проблем современной динамики находится в области нелинейной динамики механических систем в её новом понимании.
Настоящий момент характеризуется преимущественно теоретическими исследованиями и численным моделированием в этой области. Однако с учётом динамичного развития современных технологий следует ожидать в ближайшее время новых прикладных технических решений, основанных на новом понимании динамических процессов в машинах, которые способны преобразить традиционные концепции и алгоритмы проектирования машин, облик традиционной прикладной механики. Именно поэтому в качестве основного направления научной деятельности кафедры технической механики МГТУ приняты теоретические и экспериментальные исследования вибрационной динамики машин вообще и судовых машин в частности. Обзору основных результатов этих работ посвящена данная статья.
2. Теоретические исследования нелинейной динамики машин
Основу теоретических исследований вибрационной динамики машин на кафедре составляет численное моделирование динамических систем на основе построения адекватных нелинейных математических моделей реальных машин и использования для их решения математических пакетов MathCad и Mathematica.
К важнейшим результатам в этой области следует отнести работы проф. Папуши А.Н. (Papusha, 1996; Papusha, Prygunov, 1992; Papusha et al., 1997), по разработке адекватной динамической модели совместных колебаний цилиндро-поршневой группы дизеля, охлаждающей жидкости и газа в пространстве над поршнем, направленной на решение проблемы кавитационной эрозии поверхности цилиндровых втулок дизелей. В разработанной модели впервые совместно решаются волновые
уравнения для газа, жидкости и втулки, при этом в модели рассматривались как однородные, так и слоистые (биметаллические) втулки. В качестве источника нелинейности в среде охлаждающей жидкости предложено рассматривать кавитационные пузырьки, существенно влияющие на характер акустических колебаний в охлаждающей жидкости. В результате численного моделирования системы получен ряд важных практических рекомендаций по снижению вероятности эксплуатационной кавитационной эрозии на поверхности цилиндровой втулки уже на стадии проектирования дизелей. Получен важный теоретический результат, связанный с разработкой теоретического обоснования возможности формирования нового типа диссипативной структуры в слое охлаждающей жидкости по типу ячеек Бенара и вихрей Тейлора. Следует отметить, что данные для проверки и уточнения модели были получены нами в ходе экспериментов с реальными судовыми дизелями, выполненных в рамках отраслевой темы по оценке эффективности использования биметаллических втулок на дизелях рыбопромысловых судов, выполнявшейся Университетом (тогда МВИМУ) в конце 80-х годов. Этот пример наглядно показывает, как высока и долгосрочна может быть эффективность даже сравнительно небольших вложений в фундаментальные исследования с прикладной перспективой. Результаты эксперимента, выполненного в 1989 году, использованы нами в статье принципиального характера, опубликованной в 1997 году.
Другим важным результатом теоретических исследований динамики машин является открытие явления нелинейного субгармонического резонанса в области зубчатого привода механизма газораспределения судовых дизелей. Установлено, что нелинейный субгармонический резонанс является основной причиной усталостных разрушений элементов привода механизма газораспределения таких дизелей, как 6L525 и 8NVD48. Нелинейный характер колебаний приводит к высокой чувствительности их режима к незначительным отклонениям в точности изготовления и монтажа передач привода, большую роль в установлении режима колебаний играет также демпфирование в системе. Новейшие результаты в теории нелинейных колебаний привели нас к выводу о том, что наблюдаемая картина колебаний в зубчатых зацеплениях привода может быть связана с проблемой управления и самоуправления хаотических колебаний, а также к выводу о желательности хаотических колебаний в нелинейных системах с динамичным возбуждением. Такой вывод является примером актуальности в динамике машин не только проблемы управления хаосом, направленной на поиск параметрических или вынуждающих воздействий, повышающих степень регулярности движений, но и проблемы антиуправления хаосом, заключающейся в поиске параметрических и вынуждающих воздействий на систему, обеспечивающих сохранение хаотического режима колебаний. По нашему мнению, проблема антиуправления хаосом имеет важное значение не только для обеспечения прочностной надёжности машин, но и для решения проблемы создания малошумных машин и машин с элементами самоадаптации, поэтому данной проблеме мы предполагаем уделить повышенное внимание в наших дальнейших исследованиях.
Следует отметить также традиционное внимание, уделяемое в теоретических исследованиях кафедры проблеме взаимодействия колебательной системы с источником энергии - двигателем или генератором ограниченной мощности. В этой связи представляют несомненный интерес выполненные под руководством проф. Папуши А.Н. работы аспиранта кафедры Федотова A.B. (Papusha, Fedotov, 1996), посвященные проблемам взаимодействия источника энергии с колебательной системой применительно к судовым электромеханическим системам. По нашему мнению, представляется целесообразным взаимодействие между кафедрами технической механики и судовой автоматики и вычислительной техники при решении современных задач динамического управления нелинейными системами.
В ряде случаев необходимость теоретического осмысления применяемых методов исследования определяется потребностью в повышении их эффективности. Так, объективная потребность в экспериментальном исследовании динамики машин в фазовой области привела к необходимости теоретического обоснования метода, обеспечивающего наиболее адекватное, с точки зрения динамики, отображение сигналов вибрации в фазовую область. В работах проф. Прыгунова А.И. (Prygunov, 1996; Prygunov et al., 1997) на основе углублённого анализа свойств фазового пространства механики с привлечением основных идей глобальной геометризации динамики было показано, что наиболее адекватным методом отображения вибрационной динамики машин в фазовую область является метод карт задержки. Впервые показана топологическая эквивалентность карт задержки лагранжевым отображениям реальных фазовых траекторий системы на конфигурационное пространство, тогда как получившие наиболее широкое применение в теоретических исследованиях отображения, построенные на эквивалентности обобщённого импульса и обобщённой скорости, соответствуют классу лежандровых отображений, характерных для нечётномерных пространств, и потому не могут быть адекватны
эволюции системы в чётномерном симплектическом пространстве, каким является фазовое пространство механики. Отличительной особенностью карт задержки является их высокая чувствительность к характеру лагранжиана системы, его особенностям и фазовой симметрии, при этом особые точки отображения являются реальными особенностями развития процесса, так как в эксперименте показано, что с ними ассоциируются проявления стохастической компоненты сигнала вибрации, а также точки бифуркации фазовых траекторий. Дальнейшим направлением развития этих исследований является поиск методов отображения в фазовое пространство нестационарных импульсных сигналов на основе применения новых технологий предварительной обработки сигнала с использованием алгоритма декомпозиции короткой волны, позволяющего значительно повысить достоверность время-частотного анализа нестационарных колебаний.
Важным результатом теоретических исследований динамических систем явилась также возможность реализации новейших методов их исследования при проведении занятий со студентами и курсантами, так как применение современной вычислительной техники и современных средств программирования, сориентированных на пользователя, не имеющего специального математического образования, позволяет реализовать обучение по методу виртуального моделирования поведения реальных динамических систем, перевести анализ лагранжевых систем из области утомительных математических изысков в область творческого моделирования и интерпретации получаемых результатов. Поэтому не случайно, что работы проф. Папуши А.Н. (Papusha, 1997) в области применения пакета Mathematica к исследованию лагранжевых систем вызвали большой интерес коллег из-за рубежа. С развитием вычислительной базы появляется реальная возможность проведения занятий по теоретической механике по типу лабораторных работ с виртуальным объектом.
3. Экспериментальные исследования вибрационной динамики машин
Характерной особенностью работ, проводимых на кафедре технической механики, является соединение в них как теоретических, так и экспериментальных исследований вибрационной динамики машин и конструкций. В разное время били проведены исследования таких машин, как судовые дизели 6L525, 8NVD48, 6NVD48 и др., главные редукторы дизель-редукторных агрегатов практически всех проектов рыбопромысловых судов, главный редуктор и вспомогательные турбогенераторы атомного лихтеровоза "Севморпуть", главные и вспомогательные турбогенераторы атомных ледоколов "Ямал" и "Советский Союз", гидрогенераторы Нижнетуломской ГЭС, а также ряда уникальных объектов, таких, как тепловые генераторы Потапова, компрессоры сухого трения и печатные машины издательского комбината "Север", кулисно-рычажные редукторы конструкции В.В.Козлова. В итоге кафедра является держателем информации о характере вибрационной динамики большой группы разнообразных механических объектов, что само по себе имеет важную научно-прикладную ценность. Кроме того, экспериментальные исследования позволяют апробировать теоретические разработки, наметить перспективные направления дальнейших теоретических исследований. Следует отметить, что большинство экспериментальных работ проводилось нами в рамках хоздоговорной тематики, поэтому все работы заканчивались выдачей конкретных эксплуатационных и технологических рекомендаций для заказчика работ, при этом нареканий на качество и достоверность проведённых работ от заказчика не поступало.
Традиционно вибрационные исследования являются одним из самых дорогостоящих методов исследования машин, ввиду высокой стоимости виброизмерительной и анализирующей аппаратуры. Однако под руководством проф. Прыгунова А.И. аспирантом Леденёвым С.А. разработана и реализована концепция виртуального анализа сигналов вибрации на базе универсальных персональных ЭВМ, включая портативные компьютеры типа "Notebook". Разработаны имеющие коммерческое применение программы узкополосного анализа сигналов с широкими возможностями их цифровой обработки, программа диагностики подшипников качения по методу анализа спектра огибающей высокочастотной компоненты сигнала, а также программа третьоктавного спектрального анализа сигналов вибрации, особо актуальная для решения задач нормирования вибрации в широком частотном диапазоне звуковой вибрации от 12,5Гц до 5кГц с привязкой к абсолютным значениям уровней вибрации в полосах. Применение виртуальных анализаторов сигнала позволило значительно расширить область использования контроля вибрации для оценки динамики машин и использовать имеющиеся наработки в учебном процессе в рамках курсов "Вибрационная динамика машин и виброакустическая диагностика" и " Техническая диагностика и ремонт электрооборудования судов".
В целях активизации экспериментальных работ при кафедре создана и приступила к работе научно-производственная лаборатория "Анкер", оснащённая портативным анализирующим комплексом "Microlog" фирмы "Паломар" (США) и обладающая оригинальной одобренной Регистром методикой
контроля качества укладки коленчатых валов на основе контроля качества затяжки анкерных связей путём анализа амплитудно-частотных характеристик их свободных колебаний после затяжки в блоке цилиндров. Оборудование лаборатории имеет универсальный характер, а потому пригодно для проведения широкого круга работ по анализу вибрации машин и виброакустической диагностике. Особо перспективным представляется использование возможностей лаборатории при организации балансировки машин роторного типа в собранном виде, так как анализирующий комплекс "Microlog" позволяет определять фазу дисбаланса роторов на штатном месте. К сожалению, инженерно-технический персонал в регионе недостаточно осведомлён о существовании такой технологии, которая в условия ограниченного финансирования эксплуатационных расходов может быть значительным вкладом в их экономию за счёт увеличения ресурса машины и её узлов, связанного с уменьшением их вибронагруженности. Перспективными направлениями развития экспериментальных работ на кафедре являются совершенствование алгоритмов обработки сигналов вибрации, особенно нестационарных, направленных на получение простых критериев распознавания особенностей вибрационного сигнала, предназначенных для использования в системах автоматизированного контроля и в экспертных системах оценки технического состояния машин, а также расширение номенклатуры контролируемых машин за счёт включения в неё судовых машин вновь строящихся промысловых судов и крупных машин береговых объектов таких, как горные, энергетические машины, машины нефтегазового комплекса.
4. Виброакустическая диагностика машин
Эффективность виброакустической диагностики не вызывает сомнения для любого механика. Хорошо известно из практики, что опытные механики, используя субъективное прослушивание машины, получают важную и достоверную информацию о её техническом состоянии, иногда даже с классификацией типа дефектов. Хорошо известны высказывания автогонщиков о том, что они чувствуют машину по рёву мотора. Однако существенную роль при этом играет наличие опыта эксплуатации определённого типа машин и, как и в случае с музыкальным слухом, "искра Божья".
В массовом производстве, при обслуживании большого числа машин имеется явный дефицит механиков с изложенными выше качествами, поэтому стоит задача формализации процесса распознавания дефекта по виброакустическому сигналу, сравнимая по сложности с проблемой распознавания речи. Таким образом, вибродиагностика представляет из себя отрасль теории распознавания образов, а именно, образов, которые формируются на основе вибрационного сигнала. Для формирования этих образов могут подойти различные методы обработки сигналов, поэтому вибродиагностика самым тесным образом связана с теорией обработки сигналов. И только наименьшую часть её составляет собственно динамика машин, которая нужна лишь для оценки ожидаемого характера вибрации машины в нормальном состоянии и при развитии дефекта. При этом практически не нужны расчётные процедуры, а о характере ожидаемой вибрации можно судить, исходя из симметрии динамики машины, общих особенностей развития во времени вынуждающих и диссипативных сил, наиболее общих принципов отображения в спектре вибрации этих особенностей. Важной задачей теоретического анализа в задачах диагностики является анализ возможных форм динамического поведения объекта, особенно нелинейного.
Методической основой вибродиагностики является направленный эксперимент по имитации дефектов определённого типа в машинах. Дальнейшая процедура получения диагностического признака носит при этом формальный характер и заключается в построении образа, который однозначно отличался бы в пространстве признаков от исправного состояния и был характерен только для данного типа дефекта. Наибольшее применение на практике получили геометрические меры сходства состояний. Процедура построения образа не должна требовать больших вычислительных затрат, а получаемый образ должен легко формализоваться математически или логически. Желательной является чувствительность диагностического признака к степени развития дефекта. Однако нам приходится работать с машинами, для которых диагностический эксперимент, как правило, не проводился, и средств на его проведение нет. Поэтому реально нам приходится руководствоваться общими принципами проявления дефектов, характерных для данного типа машин, руководствуясь существующими наработками в области диагностики и собственным опытом.
Характерным примером в этой связи является разработанная под руководством проф. Прыгунова А.И. методика контроля технического состояния главных редукторов рыбопромысловых судов, одобренная Регистром и давшая значительный экономический эффект за пять лет эксплуатации на Северном бассейне. Объект был совершенно не изучен с точки зрения вибрационной динамики, поэтому первоначально в основу оценки были заложены общетехнические принципы, основанные на нормировании вибрации, исходя из усталостной прочности конструкций. В качестве ориентира были
использованы требования одной из промышленных спецификаций США, относящейся к турборедукторным агрегатам и достаточно апробированной к тому времени одним из авторов на кораблях ВМФ. Такая экстраполяция требований стандарта для турборедукторных агрегатов на дизель-редукторные оказалась приемлемой на первоначальное время использования методики, так как позволяла спрогнозировать вероятность усталостных отказов контролировавшихся машин на этапе сбора информации о характере их вибрации. На втором этапе разработки методики объект уже был достаточно хорошо изучен, поэтому появилась возможность разработки статистически обоснованных норм вибрации для оценки технического состояния главных редукторов рыбопромысловых судов. Специфика диагностики дефектов подшипников заключается в том, что зарождающиеся их дефекты практически никак не проявляются в характере общей вибрации машины. Некоторые изменения наблюдаются лишь в характере высокочастотной вибрации, поэтому для диагностики подшипников так эффективен метод субъективного прослушивания подшипникового узла. Для объективной диагностики подшипников было решено использовать метод спектрального анализа высокочастотной компоненты вибрации, отличающийся тем, что критерием диагностики является не абсолютное значение вибрационного параметра, а соотношение регулярной и случайной компоненты высокочастотной части вибрации. Эффективность данного метода гораздо выше традиционного метода ударных импульсов, так как он позволяет дифференцировать тип дефекта подшипника, что в значительной мере определяет точность прогноза его остаточного ресурса. Впервые метод был реализован на виртуальной системе анализа, сравнение эффективности которой с аналогичной, но в 15 раз более дорогостоящей системой на основе аппаратуры фирмы "Брюль и Къер" (Дания) показало удовлетворительную сходимость результатов и степени чувствительности к дефекту. Успешное использование методики на Северном бассейне, неоднократно подтверждённое результатами контрольного дефектования, способствовало признанию данного метода диагностики подшипников Российским Морским Регистром Судоходства.
Другими важными примерами использования теоретических наработок кафедры в практической диагностике являются методы, основанные на использовании карт задержки вибрационного сигнала, как средства отображения его в фазовое пространство. Получаемый при этом образ сигнала оказывается весьма информативным по отношению к его особенностям на интервале основного цикла вибрационного процесса, более однозначным в интерпретации, чем спектр того же сигнала.
В таблице приведены результаты диагностики динамики взаимодействия цапфы и вкладыша мощных турбогенераторов атомных ледоколов. Очевидна большая, чем у спектров, изменчивость вида фазовых образов под влиянием особенностей динамики взаимодействия цапфы и вкладыша, большая их достоверность, подтверждённая результатами контрольного дефектования. Впервые метод диагностики, основанный на одноканальном анализе вибрации, дал информацию не просто о величине вибрации и её спектральном составе, но и об истинном характере динамики взаимодействия цапфы и вкладыша, определяющей ресурс подшипника.
Кроме применения к диагностике подшипников мощных турбомашин, метод был применён к диагностике качества регулировки дизелей, что позволило сделать ряд принципиальных для динамики этих машин выводов. При нормальном качестве регулировки дизелей невозможно сделать вывод о том, какой цилиндр вносит определяющий вклад в неравномерность. При этом для дизелей с малым числом цилиндров, характеризующихся значительной неравномерностью вращающего момента, имеет место фазовый хаос неравномерности, который сразу же заменяется на фазовый детерминизм при введении даже небольшой разрегулировки по Р!. Характер проявления разрегулировки по Р2 отличается тем, что на фазовой траектории возникают особенности типа точек возврата, связанные с локальным увеличением трения в опорах коленчатого вала в момент вспышки в цилиндре с повышенным Р2. Метод защищён патентом и с успехом применялся при послеремонтной регулировке дизелей 6Ь525 судов пр.1332 в режиме швартовных испытаний. Представляет несомненный интерес применение метода к анализу качества регулировки малых дизелей автомобильного типа, не имеющих индикаторных кранов установки аппаратуры для традиционного параметрического анализа рабочего процесса в цилиндрах.
В ряду экспериментальных работ необходимо отметить наличие на кафедре достаточно обоснованной концепции бортового вибродиагностического комплекса для судов рыбопромыслового флота, основанного на использовании недорогого специализированного аналогового прибора диагностики с предусмотренной возможностью расширения системы до анализирующей и экспертной путём использования для этой цели универсальных компьютеров, включая портативные. В настоящее время планируется проведение работ в этой области, включая разработку и изготовление на западной элементной базе специализированного прибора, совместно с Тромсе Колледжем (Норвегия).
Таблица.
РЕЗУЛЬТАТЫ ДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ АТОМНЫХ ЛЕДОКОЛОВ
Объект диагностик и
Уск
з
мм/с
Спектр
Карта
задержки
Диагноз по спектру
Диагноз по карте
ВТГ № 1 АЛ
"Ямал"
15
рас-центровка
умеренное трение и
умеренный удар
ВТГ № 2 АЛ
"Ямал"
начальная
рас-центровка
низкое трение и
умеренный удар
ВТГ № 3 АЛ
"Ямал"
4.3
увеличен зазор и
ударная динамика
сильное трение и
мягкий удар
ВТГ № 2 АЛ
'Советский Союз"
14
дисбаланс ротора и
увеличены зазоры
сильное трение и
жёсткий удар
6
5. Заключение
Проведённый обзор работ в области динамики машин на кафедре технической механики МГТУ свидетельствует об их актуальности, новизне, большом практическом значении для решения вопросов эксплуатации и проектирования машин. В то же время имеется значительный потенциал для расширения тематики исследований и повышения их практической отдачи по мере расширения номенклатуры исследуемых машин и использования новых методов их теоретического и экспериментального
исследования. Единство динамических процессов позволяет прогнозировать эффективное использование разработанных на кафедре методов для исследования немеханических объектов.
Литература
Papusha A.N. Cavity destruction of the Diesel ship's engine: theory, mathematical model and experiment.
Proceedings of the Fourth International Congress on Sound and Vibration, St-Petersburg, Russia, June 24-27 1996, p.1611-1616, 1996. Papusha A.N. Mathematica in non-linear elastisity theory. Proceedings of the Second International
Mathematica Symposium, Computational Mechanics Publ., Southampton-Boston, p.383-390, 1997. Papusha A.N. and Fedotov A.V. Interaction of an electrodynamical system with an engine of a limited power. Proceedings of the Fourth International Congress on Sound and Vibration, St-Petersburg, Russia, June 24-27 1996, p.1011-1014, 1996. Papusha A.N. and Prygunov A.I. Non-linear resonances in ship internal combustion engine. Proceedings of the International Symposium "Transport Noise and Vibration", St-Petersburg, Russia, October 6-8 1992, p.174, 1992.
Papusha A.N. and Prygunov A.I. Application of the Whitney's theory of singularity to the investigation of machinery vibration: theory, method and examples. Proceedings of the Second International Symposium "TransportNoise and Vibration", St-Petersburg, Russia, October 4-6 1994, p.323-328, 1994. Papusha A.N., Prygunov A.I. and Karel'skaja T.K. A new kind of dissipative structures. Proceedings of the First International Conference "Control of Oscillations and Chaos", St-Petersburg, Russia, August 2729 1997, p.340-341, 1997.
Prygunov A.I. The atomic ice-breaker main and auxiliary machines vibration investigation in phase domain. Proceedings of the Fourth International Congress on Sound and Vibration, St-Petersburg, Russia, June 24-27 1996, p.1629-1632, 1996. Prygunov A.I., Ledenev S.A. and Belolipetsky A.V. Delay maps as an efficiency tool for a machinery vibration analysis. Proceedings of the First International Conference "Control of Oscillations and Chaos", St-Petersburg, Russia, August 27-29 1997, p.340-341, 1997.
