ДИНАМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ УЗЛОВ ТРЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Российский патент 2021 года по МПК G01N3/56 

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 C_n 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 ω_n переменной, составляющей сил фрикционного взаимодействия и сдвинутой на 180° фазой при резонансе переменной составляющей ω_n.

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;

R_к - сопротивление контакта;

α_T - коэффициент внешней теплоотдачи;

ρ - удельное сопротивление,

l_K - «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.

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.

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.