Динамика стенда для вибрационной диагностики поршневых колец тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Козявин, Александр Алексеевич

• Козявин, Александр Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Козявин, Александр Алексеевич

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика стенда для вибрационной диагностики поршневых колец»

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.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Козявин, Александр Алексеевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Козявин, Александр Алексеевич, 2007 год

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.