Файл: Вибрационная диагностика конструкций с. С. Кораблев, В. И. Шапин игэу, г. Иваново аннотация приводятся универсальный алгоритм и результаты вибрационной резонансной диагностики конструкций.pdf

ВИБРАЦИОННАЯ ДИАГНОСТИКА КОНСТРУКЦИЙ С. С. Кораблев, В. И. Шапин
ИГЭУ, г. Иваново АННОТАЦИЯ Приводятся универсальный алгоритм и результаты вибрационной резонансной диагностики конструкций. Основой алгоритма являются этапы составления расчетной схемы реального объекта и математическое моделирование колебательного процесса под воздействием тестового вибрационного сигнала. Определяются наиболее чувствительные формы колебаний. Рассмотрены примеры, иллюстрирующие эффективность тестового вибрационного контроля диагностика неподвижных, в том числе вальцовочных соединений, гироскопов и биомеханических объектов типа трехглавой мышцы голени. ВВЕДЕНИЕ Известно, что первые понятия и термины технической диагностики были использованы в [1 – 3] и получили развитие в работах А. В. Мозгалевского, Д. В. Гаскарова, П. П. Пархоменко, АИ. Биргера и других авторов.
Вибродиагностика – это наука об оценке технического состояния механических объектов по вибрационным процессам. Спектр процессов достаточно широки охватывает акустический диапазон. Отсюда вытекает полезность разделения вибродиагностики на пассивную – функциональную и активную – тестовую. Тестовая вибродиагностика определяет техническое состояние объектов с помощью искусственно создаваемой вибрации [4 – 7]. Следует ли рассматривать вибродиагностику как нечто принципиально новое в науке Достаточных оснований для этого нет, так как используется комплекс наук, уже получивших завершенное развитие, нос новым взглядом на их возможности и содержание, например, решение обратных задач антисистем. Прежде всего, используются достижения теории колебаний. Это основная научная база, выделяющая вибродиагностику и придающая ей исключительную специфику. Естественно, что основной вклад вносят специалисты по теории колебаний. Здесь может быть использован весь арсенал накопленных знаний по спектральному составу колебаний, амплитудно-частотным характеристикам, нелинейным свойствами присущим только им проявлениям в поведении диагностируемого объекта, в том числе под действием тестовых воздействий и многим другим признакам, характерным только для колебательных систем. Первостепенное значение имеет связь параметров системы с таким интегральным признаком, как собственный спектр частот, отражающий упругоинерционные свойства систем. Любое параметрическое возмущение (например, трещинообразование) немедленно сказывается на смещении спектра. Это обстоятельство используется в качестве диагностического признака, степень чувствительности которого определяет его эффективность. Анализ показывает, что степень обусловленности матриц чувствительности тем выше, чем выше рассматриваемый диапазон информативных частот [4]. Другим диагностическим признаком является диссипативный фактор. Малейшие конструктивно-эксплуатационно-технологические изменения объекта сказываются на его добротности и фазовой характеристике. Наиболее эффективное решение задачи вибродиагностики предлагает построение достаточно полной математической модели диагностируемого объекта, что в целом упрощает ее, сокращает время и позволяет однозначно выявить причинно-следственные связи. Это удается сделать лишь в сравнительно простых случаях, в которых, как правило, можно обойтись детерминированной постановкой. На этом этапе применяется теория идентификации ив принципе, если решена задача идентификации при наличии полной информации о системе, то можно считать, что тем самым в значительной мере решена и задача диагностики. Естественно, что ив этом случае нельзя обойтись без элементов теории распознавания. Кроме привлечения аппарата теории идентификации, для построения диагностических моделей ивы- бора решающего правила приходится решать задачу условной (реже безусловной) оптимизации, проводить регрессионный анализ, привлекать методы теории чувствительности систем, располагать опытом выбора тестового воздействия. Последние обстоятельства роднят методологию вибродиагностики с подходами, принятыми в теории автоматического управления. Ниже приведены некоторые характерные примеры, иллюстрирующие эффективные возможности тестового вибрационного контроля качества сборки конструкций, не воспроизводящих, при этом, собственных шумов и вибраций.
ВИБРОДИАГНОСТИКА КОМПЛЕКСНОГО ПРЕССОВИНТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ Монтажная схема сборки прецизионной механической системы (ПМС) и фиксации осевого натяга шарикоподшипникового узла, фрагмент которого приведен на рис. 1, предусматривает прессовую посадку фланцев 1 с винтовым креплением к корпусу 2; выставку осевого натяга резьбовым соединением 3 и фиксацию этого элемента стопорным винтом 4. Подлежат определению жесткости соответствующих прессовинтовых соединений на тестовых основах вибрационных испытаний [8, 9]. Экспериментальные исследования показывают, что изменение конструктивных параметров соединения существенно влияет на динамические характеристики узла. Так, если обозначить через
ω
10
, х, Q
10
значения частоты, амплитуды и добротности первого (главного) резонансного состояния эталонного сборочного узла, то соответствующие значения составляют при ослаблении стопорных винтов 1,03
ω
10
; 0,85 х ; 1,24 Q
10
; при ослаблении винтов фланцев l,12
ω
10
; 0,29 х 3,65 Q
10
; приуменьшении осевого натяга: 0,94
ω
10
; 0,15 х
6,8 Q
10
. Главная – первая форма колебаний массивного ротора ПМС в осевом направлении. На риса приведена выборка одной из характерных комбинаций частотно-жесткост- ных функций чувствительности узла
.
;
;
;
3 1
2 1
1 1
1 4
3 Здесь
ω
1
– частота колебаний главного осевого резонанса конструкции, а заштрихованная часть диаграммы отвечает области качественной сборки узла по параметрам жесткости. На рис. б приведен фрагмент экспериментальной амплитудно-частотной характеристики узла полученной с применением автоматизированной системы. Здесь же пунктиром приведена

АЧХ объекта с параметрами, отвечающими номинальной сборке. На основе разрешающих уравнений диагностики по изменению динамических характеристик узла определяется принадлежность параметров состояния конструкции к области качества. На рис. 2, в приведены гистограммы стабильности воспроизведения частоты резонансных колебаний узла
ω
1
с применением автоматизированной системы (слева) и для случая разомкнутой цепи управления (справа. Сравнение гистограмм стабильности показывает, что применение автоматизированного эксперимента существенно повышает точность измерения динамических характеристик объекта, а следовательно, и точность вибродиагностики качества сборки прецизионной механической системы [9]. ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ Электроэрозионный метод размерной обработки металлов широко применяется в приборостроении при изготовлении резонаторов механических фильтров и камертонных электромеханических осцилляторов при прошивании отверстий сложного профиля при обработке прецизионных деталей навигационных приборов и т. д. Однако для данного метода характерен такой недостаток, как сложность промывки изделий от шламовых включений. В результате, при сборке, например, динамически настраиваемых чувствительных элементов
(ДНЧЭ), где одним из основных конструктивных элементов является упругий подвес жесткого ротора, наблюдается значительный разброс упругодиссипативных параметров соединений в серии. Подвижность кольцевых поверхностей подвеса относительно центральной оси вала обеспечивается тонкими (до 5 мкм) перемычками путем изготовления лабиринтов радиальных и концентричных пазов и отверстий, выполненных в детали электроэрозионным методом. На рис. 3 приведены выборочные АЧХ подвесов при диагностических испытаниях
[10, 11]. Если динамические характеристики (риса) подвеса принять в качестве эталона, то для подвеса (рис. б) заниженная жесткость перемычек и нелинейность жесткого типа свидетельствуют об их геометрическом несовершенстве. Подвесам с трещиной в корпусе или водном из пазов перемычек отвечают динамические характеристики с нелинейностью мягкого вида (рис. в. Испытания изделий без предварительной промывки и обработки перемычек показали, что вследствие больших диссипативных потерь в колебательных контурах частотные характеристики подвесов (рис. г сохраняются плоскими. ВИБРАЦИОННЫЙ НОРМОКОНТРОЛЬ ВАЛЬЦОВОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ Опыт эксплуатации теплообменных установок современной (в первую очередь, атомной) энергетики, а также конструкций и объектов нефтегазового и химического машиностроения свидетельствуют обо всевозрастающей роли совершенствования методов контроля вальцовочных соединений. Разгерметизация конструкций приводит к нарушениям как экологических требований, таки технологии производства с аварийными последствиями. Тестовая вибродиагностика проводилась исследованием динамических реакций сборочного узла в виде амплитудных, частотных, диссипативных и нелинейных характеристик при изменении граничных условий в стыках труба–трубная решетка в процессе развальцовки соединения [10, 12]. Поперечные колебания экранных труб воспроизводятся посредством электродинамического вибровозбудителя или возбудителя ударных тестовых возмущений – контроллера, содержащего акселерометр. При сообщении объекту ударного или гармонического возмущения в радиальном направлении сигнал с виброприемника, размещенного в трубопроводе, воспринимается виброизмерителем. На рис. 4 приведены экспериментальные АЧХ дефектной и бездефектной сборки. Анализ показывает, что диагностический признак нелинейности АЧХ мягкого типа соответствует неидеальным условиям опирания на начальном этапе сборки в упругой зоне (риса В процессе развальцовки соединения отмечается увеличение частоты резонансных колебаний и добротности колебательных контуров на всех последовательно возбуждаемых формах колебаний. Наличию трещины в соединении наконечном этапе сборки соответствует АЧХ, представленная на рис. б. Бездефектная модель характеризуется линейной АЧХ (рис, в,г) и значительным (на порядок) отличием в добротности колебательной системы на начальном и конечном этапах монтажа трубной системы. Предложенный метод позволяет закладывать дополнительный запас надежности на стадии сборки трубных систем и по результатам производственных испытаний увеличивать, в среднем, в 1,5 раза ресурс работы конструкции. ВИБРАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДИАГНОСТИКИ И РЕАБИЛИТАЦИИ МЯГКИХ ТКАНЕЙ Известно, что лечение больных с повреждениями и заболеваниями опорно-двигатель- ной системы требует дифференцированного подхода. При этом определенные трудности возникают в диагностике закрытых повреждений ахиллова сухожилия. Диагностические ошибки приданном виде повреждений встречаются в 63,2 % случаев. В тоже время известны положительные эффекты, достигаемые влиянием вибрации на организм человека. В
[14, 15] предложены методы и стенды для вибрационного обследования состояния ахиллова сухожилия и экспериментально обнаружены динамические реакции мышечно-сухожильного комплекса на локальное вибрационное воздействие. На рис. 5 приведены динамические реакции априорно здоровой – контралатеральной конечности (риса) и с подозрением на застарелый подкожный разрыв ахиллова сухожилия рис. б) без активной статической нагрузки на сгибатели стопы. Получено, что характерным признаком разрыва ахиллова сухожилия является отсутствие вариабельности динамических характеристик при изменении фазового положения стопы по отношению к голени рис. б) в отличие от контралатеральной конечности. При этом, естественно, отсутствует и вариабельность по отношению к активной статической нагрузке вследствие нарушения функций мышечно-сухожильного комплекса. Заметное присутствие динамических реакций на застарелом разрыве ахиллова сухожилия с резистентностью по отношению к положению стопы объясняется наличием соединительной рубцовой ткани в зоне разрыва и отсутствием осевого натяга в мышечно- сухожильном комплексе. Для свежего разрыва характерна плоская амплитудно-частотная характеристика (рис. в) с пониженной амплитудой и полным отсутствием вариабельности к фазе поворота стопы относительно оси вращения. Использование в комплексе вибрационной резонансной технологии в клинических условиях для лечения 248 лиц с 252 повреждениями ахиллова сухожилия позволило диагностировать подкожный разрыву больных, уменьшить количество послеоперационных осложнений на 8,5 % и сократить сроки нетрудоспособности при свежих разрывах в среднем на 3,1 недели, а при застарелых – на 4,3 недели.

ЛИТЕРАТУРА
1. Brule J. D., Johuson R. A., Kletsky E. J. Diagnosis of equipment failures. – IRE Ttansachions. 1960.
V. RQC-9. P. 23 – 34.
2. Гельфанбейн Я. А. Методы кибернетической диагностики динамических систем. – Рига Зинатне,
1967. – 542 с.
3. Павлов Б. В. Кибернетические методы технического диагноза. – М Машиностроение, 1966. – 151 с.
4. Korablev S. S., Shapin V. J., Philatov J. E. Vibrationale Diagnostics in Instrument Constructions. USA.:
Hemisphere, 1989. – 86 p.
5. Кораблев С. С, Покровский А. Ю, Фролов КВ. Электромеханические колебательные системы с ограниченным возбуждением. Bып. Под ред. aкад. КВ. Фролова. – М Международный центр
НТИ, 1993. – 104 с.
6. Кораблев С. С. Разработка новых методов и средств виброиспытаний и вибродиагностики – Проблемы машиностроения и надежности. 1991. №3. С. 100 – 106.
7. Кораблев С. С, Шапин В. И, Колобов А. Б. Повышение надежности и качества машин и конструкций методами вибродиагностики. – В кн Материалы XIV Российской научно-техн. конф. Неразрушающий контроль и диагностика – Мс. Вибростенд для испытания объектов на резонансныхчастотах Ас. 862016 //Кораблев С. С, Ша- пин В. И, Щавелев В. Ли др. – Бюлл. изобр. 1981. № 33. Се on the Theory of Machines and Mechanisms. Part 2. – Sevilla,
1987. – P. 875 – 878.
10. Способ вибродиагностики элементов конструкций/А.с. 1732256 //Крылов НИ, Ноздрин МА,
Шапин В. И. – Бюлл. изобр. 1992. № 17. С. 176.
11. Шапин В. И. Динамический контроль электроэрозионной обработки деталей прецизионных приборов Вестник машиностроения. 1994. № 8. С. 27 – 29.
12. Кораблев С. С, Муницын АИ, Шапин В. И. Вибрационный нормоконтроль вальцовочных соединений энергооборудования – Контроль. Диагностика. 1999. № 7. С. 22 – 27.
13. Фролов КВ, Миркин АС, Машанский В. Фи др. Вибрационная биомеханика/Использование вибрации в биологии и медицине – М Наука, 1989. – 142 с.
14. Малышев ИВ, Ноздрин МА, Шапин В. И, Щавелев В. Л. Стенд для вибродиагностики ахил- лова сухожилия Патент РФ № 2077266. – Бюлл. изобр. 1997. № 11.
15. Шапин В. И, Кораблев С. С. Вибрационная технология диагностики и реабилитации мягких тканей Контроль. Диагностика. 2000, № 6. С. 32 – 36. Рис. 1. Фрагмент комплексного прессовинтового соединения
1 – фланец 2 – корпус 3 – резьбовое соединение 4 – стопорный винт

Рис. 2. Функции чувствительности (а, фрагмент амплитудно-частотной характеристики (б) и гистограммы (в) стабильности воспроизведения динамических характеристик узла Рис. 3. АЧХ при прямом (сплошные линии) и обратном (штриховые) сканировании частоты а – эталон, б – дефект геометрии, в – трещина в корпусе, г – шламовые накопления
-2 2
-4 4
0
-2 2
-4 4 6
-6
Гц
в
1
1
2
2
3
3
4
4 1,1 1,0 1,0 1,2 0,8 0,8 0,6 0,9
ω
1
/
ω
k
i
/k
i0
a
ω
1
ω
2
ω
3 б 200 300 400
A, мВ
100 200 300 400 100 200 300 400 50 60 70 80
ω
, Гц 200 300 400 50 100 150 200
ω
, Гц
а б в г

Рис. 4. АХЧ соединения в процессе сборки а – дефект геометрии, б – дефект трещины, в – эталонная сборка одного торца, г – эталонная конечная сборка Рис. Амплитудно-частотные характеристики а – контрлатеральная конечность б – поврежденная конечность
– застарелый разрыв ахиллова сухожилия в – свежий разрыв ахиллова сухожилия 1 – 0 0
; 2 – разгибание 3 – сгибание