Обобщенные динамические связи и механизмы в задачах виброзащиты и виброизоляции машин и оборудования

Рост производительности и эффективности работы машин, увеличение скоростей движения рабочих органов, снижение материалоемкости, повышение нагрузок вследствие вибраций и ударов, необходимость обеспечения надежности работы оборудования и безопасных условий трудафакторы, определяющие постоянное внимание к задачам виброзащиты и виброизоляции. Последнее составляет достаточно развитое и развивающееся направление современного машиноведения. Технические объекты, работа которых происходит в условиях интенсивного динамического окружения, характерны практически для всех отраслей промышленности и транспорта. Теоретические разработки в этих областях виброзащиты и виброизоляции во многом имеют междисциплинарный характер и опираются на методы теории механизмов и машин, теоретической механики, теории колебаний, теории управления, привлекая методы математического моделирования и информационные технологии для оценки, поиска и выбора рациональных проектно-конструкторских решений. Современные машины оснащаются быстродействующими и высокоточными системами автоматического управления, что позволяет в контроле за динамическим состоянием технических объектов использовать внешние источники энергии, а задачи обеспечения необходимого уровня вибрационных движений рассматривать как задачи обеспечения технологического качества [177].

Важнейшей проблемой для обеспечения надежности безопасности работы машин в условиях интенсивного вибрационного нагружения становится нахождение и определение возможностей управления их динамическим состоянием и доведение показателей до уровня, определенного нормативами [204].

Системы управления динамическим состоянием сложных технических объектов в последние десятилетия стали обычным проявлением понимания необходимости контролировать и нормировать степень внешнего воздействия на узлы и агрегаты машин, содержащих, так или иначе, средства защиты, настраиваемые на возможность эффективной работы [210].

В динамике машин проблемам управления динамическим состоянием различных объектов уделяется значительное внимание.

Фундаментальные результаты по решению этих вопросов представлены в многочисленных трудах отечественных и зарубежных ученых: Артоболевского И. И., Бабакова И. М., Бабицкого В. И., Бидермана В. Л., Блехмана И. И., Болотина В. В., Бутенина Н. В., Вейца В. Л., Ганиева Р. Ф., Генкина М. Д., Турецкого В. В., Ден-Гартога Дж.П., Диментберга М. Ф., Елисеева С. В., Клюева В. В., Колесникова К. С., Коловского М. З., Кононенко В. О., Кренделла С., Ларина В. Б., Митропольского Ю. А., Неймарка Ю. И., Пальмова В. А., Пановко Я. Г., Первозванского А. А., Светлицкого В. А., Синева А. В., Тимошенко С. П., Троицкого В. А., Фролова К. В., Фурунжиева Р. И., Хвингия М. В., Цзе Ф. С., Челомея В. Н., Черноусько Ф. Л. и др.

Задачи виброзащиты и виброизоляции, снижения уровня динамических воздействий на элементы машин, обеспечения надежной работы при комплексных динамических нагрузках на рабочие органы машин — это далеко не полный перечень современных актуальных направлений теоретических и экспериментальных исследований.

В известных работах рассматривались различные аспекты решения упомянутых выше проблем, связанных с уточнением математических моделей, введением в колебательные системы дополнительных связей, в т. ч. на основе использования внешних источников энергии и применения элементов автоматики. Существенное развитие в динамике машин получили методы и подходы теории систем и теории автоматического управления, включая и методы прямого управления динамикой процессов с использованием средств вычислительной техники. От рассмотрения отдельных динамических явлений и процессов наметилась вполне определенная тенденция перехода к изучению вибрационных состояний объектов, формированию вибрационных полей [47], исследованию способов управления динамическим состоянием машин, точнее, взаимодействием между элементами машин [197]. Системные подходы и методология на этой основе позволяют развивать оригинальные направления в динамике машин и машиноведении.

Системный анализ предполагает рассмотрение задач виброзащиты, виброизоляции, гашения, демпфирования, стабилизации — поддержания определенных форм и уровней колебаний, вибрационных режимов или динамического состояния с использованием расчетных схем и математических моделей механических колебательных систем. В последние годы аппарат теории колебаний получил своё развитие не только в плане освоения новых формализованных технологий, но и выхода на новые постановки традиционных задач динамики управляемых систем. Последнее достигается введением в колебательные системы дополнительных неуправляемых и управляемых связей, учетом ряда специфических особенностей работы оборудования, условий его опирания и взаимодействия агрегатов. Как показано в ряде работ отечественных ученых, спектр динамических свойств колебательных систем может быть расширен, по сравнению с классическими представлениями, если использовать введение различных дополнительных обратных связей [84]. Последние реализуют в механических колебательных системах эффекты управления состоянием объекта защиты в соответствии с принципам управления по относительному и абсолютному отклонениям, внешнему возмущению [72].

В этом плане достаточно перспективными представляются структурные методы исследования, в основе которых лежат идеи использования особого класса математических моделей [66, 156, 196]. По существу, каждой колебательной системе сопоставляется структурная схема эквивалентной в динамическом отношении системы автоматического управления. При тождестве систем дифференциальных уравнений моделей, полученных при обычном подходе и на основе структурных интерпретаций, последние обладают рядом преимуществ, особенно ощутимых при поиске новых конструктивно-технических решений. Развитие структурных методов позволяет построить систему обобщенных представлений о динамических свойствах колебательных систем с возможностями управления их динамическим состоянием путем введения дополнительных связей.

Актуальность научных исследований определяется значимостью и необходимостью учета влияния на работоспособность машин и их агрегатов вибраций, ударов, динамических взаимодействий, характерных для оценки технологического качества рабочих процессов. Проблемы вибрационной защиты, виброизоляции машин, оборудования, приборов и человека-оператора являются важными разделами междисциплинарного направления системного анализа, теории автоматического управления, теории механизмов и машин и современного машиноведения в целом. Методической основой для решения задач поиска, разработки, исследования технических средств защиты от вибраций и ударов является теория колебаний с её различными приложениями.

Вместе с тем, задачи введения дополнительных связей в механические колебательные системы, хотя и были представлены в ряде работ, но не получили еще систематического рассмотрения, в том числе, с позиций физической интерпретации дополнительных связей через механизмы преобразования движения и структуры других видов [69]. Поэтому представляется целесообразным накопленный опыт, развитые научно-методические, инженерно-технические наработки, апробированные в задачах виброзащиты и виброизоляции (в приложении к задачам «приборного» типа), использовать для поиска и разработки средств управления динамическим (точнее вибрационным) состоянием в системах, отражающих более детальные представления об их реальных свойствах. Особое значение приобретают вид и конструктивные варианты физических реализаций дополнительных связей, вводимых между взаимодействующими — инерционными элементами системы. Можно показать, что такой подход позволяет обобщенные задачи виброзащиты и виброизоляции [61] рассматривать как частные случаи более общих постановок задач управления динамическим состоянием сложных систем [71, 72, 92, 96].

Использование структурных схем, работа с ними по определению передаточных функций или матрицы передаточных функций эквивалентны процедурам составления системы дифференциальных уравнений с использованием известных подходов на основе формализма Лагранжа. Структурная схема довольно просто может быть построена по известной математической модели. Поэтому непосредственное построение структурных схем на основе представленных расчетных схем условно заменяет вывод уравнений с соблюдением определенного формализма, однако, это возможно лишь в меру того, насколько достаточным является опыт в составлении математических моделей.

Введение

дополнительных связей в расчетных схемах приводит к изменению формы и содержания выражений для кинетической и потенциальной энергий, обобщенных сил и энергии рассеивания колебанийменяется соответствующим образом и система дифференциальных уравнений. Если обратиться к структурным схемам, как аналогам дифференциальных уравнений, то дополнительные связи принимают форму дополнительных звеньев, включаемых или параллельно, или с учетом принципов обратной связи. Поскольку механизмы преобразования движения, реализующие дополнительные связи, различаются между собой с учетом конкретного вида звеньев, кинематических пар и возможностей их соединения, то актуальным представляется направление исследований в плане поиска некоторых общих свойств и особенностей. Это позволяет на обобщенной основе оценить предельные возможности в изменении спектра динамических свойств систем, учесть, в частности, те особенности, которые проявляются, если дополнительные связи представлены колебательными структурами.

Динамика управляемых систем, как направление современного машиноведения, позволяет в рамках общего методологического подхода выстраивать достаточно перспективный инструментарий поиска и разработки оригинальных решений, которые все шире находят применение для управления вибрационным состоянием технических объектов на транспорте, в робототехнике, создании вибрационных технологических машин, совершенствовании силовых передач машинных агрегатов.

Вместе с тем существует ряд трудностей, которые связаны с возможностями построения адекватных математических моделей, оценки роли и значения многомерных и нелинейных свойств элементов систем, выбором способов описания движения, оценкой возможностей изменения динамического состояния при выборе тех или иных конструктивно-технических решений [5,131,176].

Несмотря на успехи ученых в решении многих проблем динамики машин, работающих в условиях вибрационного и ударного нагружения, до настоящего времени не получил должного развития системный подход, который можно было бы воспринимать как единую и цельную методологию разработки специализированных средств управления динамическим состоянием, что предполагает дальнейшие исследования колебательных систем в направлении динамического синтеза на основе структурных методов и аналитического аппарата теории автоматического управления.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы 'состоит в развитии и разработке новых подходов в задачах изменения и управления вибрационным состоянием машин, агрегатов и оборудования, основанных на методах структурного анализа и синтеза систем и введения в механические колебательные системы дополнительных обратных динамических связей различной природы.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи.

1. Разработать новые подходы в технологиях изменения динамических свойств технических систем путем введения в их структуры обобщенных динамических связей в виде механических цепей различной природы.

2. Разработать методы математического моделирования машин, агрегатов, оборудования, работающих в условиях интенсивного внешнего нагружения, использующие структурные представления и интерпретации систем защиты от вибраций и ударов.

3. Разработать методы динамического синтеза для задач управления вибрационным состоянием на основе введения дополнительных связей, создающих активные воздействия на объект зашиты.

4. Развить методологические основы построения виброзащитных систем, дополнительные связи которых выступают в виде колебательных структур.

5. Провести сравнительный анализ возможностей систем защиты при различных видах и формах реализации дополнительных обратных связей и законах управления движением, а также провести экспериментальную проверку основных теоретических положений.

Решение рассматриваемых задач на основе программных реализаций позволяет разработать технологию автоматизированного поиска и расчета технических средств для построения систем виброзащиты и виброизоляции машин, агрегатов и оборудования.

Научная новизна результатов в целом заключается в создании методологии разработки способов и средств изменения динамического состояния и построения систем защиты машин и оборудования от вибраций и ударов на основе формирования структуры систем и использования в их составе дополнительных связей и механизмов.

К наиболее существенным научным результатам относятся следующие.

1. Разработана методологическая база для построения аппарата динамического синтеза виброзащитных систем, включающих в свой состав дополнительные динамические связи.

2. Развиты методические подходы к построению структурных интерпретаций механических колебательных систем, рассматриваемые в качестве базовых расчетных схем, систем машин.

3. Предложен расширенный набор типовых элементов, которые могут рассматриваться в структуре вибрационных систем для расширения возможностей изменения динамических свойств. Разработана технология прогнозирования новых конструктивно-технических форм реализации дополнительных связей.

4. Разработана методика динамического синтеза виброзащитных систем, предполагающая обработку информации о динамическом состоянии объекта в соответствии с различными законами управления в дополнительных связях.

5. Предложена и разработана концепция и методика построения и расчета активных виброзащитных систем на основе использования электрогидравлических управляемых исполнительных механизмов.

В завершение научных исследований разработана основа для создания системы прикладного программного обеспечения в поддержку автоматизации проектирования, выбора и расчета виброзащитных систем машин и оборудования.

Практическая значимость и использование результатов работ состоит в том, что разработанная методология построения виброзащитных систем с использованием дополнительных обратных связей, в том числе и в виде механизмов, позволяет:

• сформировать комплекс математических моделей и алгоритмов расчета вибрационных систем доставляющие основу для построения пакетов прикладных программ автоматизации их исследования и проектирования;

• обоснованно решать задачи создания эффективных виброзащитных систем с учетом особенностей реализации;

• проводить инженерно-техническую реализацию изменения динамических свойств колебательных систем;

• выполнять экспертные оценки существующих систем защиты машин и оборудования от вибраций и ударов;

• создать научную базу в поддержку внедрения технологий комплексного неразрушающего контроля и вибродиагностики технических объектов;

• рекомендовать методику и реализовать принципы построения активной виброизоляции транспортных объектов, гашения упругих колебаний роботов и др.

Разработанный научно-методический комплекс, математическое обеспечение позволяет создавать программные комплексы, ориентированные на учет специфики задач виброзащиты и виброизоляции, что, в частности, было реализовано в пакетах прикладных программ «ВИЗА» и «ПАМИР».

Результаты разработок использовались на ряде предприятий различных отраслей промышленности и транспорта. Пакеты прикладных программ были представлены и участвовали в конкурсе на соискание Государственной премии СССР в области науки и техники (1986 г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Концепция формирования, поиска и выбора способов и средств защиты машин и оборудования на основе введения в виброзащитные системы дополнительных связей.

2. Разработка виброзащитных систем нового типа, имеющих в своем составе дополнительные цепи в виде механизмов преобразования движения, активных гидравлических устройств и др.

3. Методология динамического синтеза, используемая для изменения состояния технических систем, основанная на использовании структурных подходов и структурных интерпретациях механических колебательных систем.

4. Результаты исследований, связанные с изучением особенностей динамических свойств колебательных систем с дополнительными связями.

5. Технология поиска, выбора и определения форм элементов и устройств, реализующих дополнительные связи, прогноза обнаружения элементов с необходимыми свойствами.

Программно-методический комплекс, реалгоующий методы анализа и синтеза механических управляемых систем в задачах виброзащиты и виброизоляции, закрепляет основные положения диссертации.

Достоверность и обоснованность полученных результатов основывается на применении апробированных методовтеории колебаний, теории машин и механизмов, системного подхода в теории автоматического управления, а также на теоретических исследованиях, выполненных по договорам с предприятиями, на проведении экспериментального изучения, оценки которых по динамическим характеристикам систем оказались практически близки, рассматриваемым модельным представлениям.

Результаты автора получены в рамках НИР, выполненных по Постановлению Президиума СО АН СССР («Прикладные методы исследования виброзащитных систем" — гос. per. 79 045 477) — Координационному плану НИР АН СССР на 1981;1985 г. г. по проблеме «Теория машин и систем машин», Приказу — Распоряжению МРИ и СО АН СССР («Методы виброзащиты технических объектов" — гос. рег.81 078 263)-: Плану НИР АН СССР по фундаментальным проблемам машиностроения, Координационному плану НИР АН СССР на 1986;1990 г. г. по проблеме «Теория машин и систем машин», Общесоюзной научно-технической программе «Надежность» на 1988;1990 г. г. и период до 1995 г. («Методы и системы автоматизированного исследования и проектирования виброзащитных систем" — гос. per. 1 860 055 961) — Проблемно-тематическому плану многостороннего научного сотрудничества Академий наук социалистических стран 1986;1990 г. г. по проблеме «Научные основы механики машин, конструкций и технологических процессов" — материалы, подготовленные с участием результатов исследований и разработок автора включены в 35 научных отчетов, прошедших государственную регистрацию и сданных заказчикам.

Апробация результатов. Основные положения проведенных в течение многих лет (1971 — 2008 г. г.) исследований и результаты,' включенные в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на ряде (более 30) научных, научно-технических, научно-практических и других мероприятиях с участием отечественных и зарубежных специалистов. Наиболее значимыми из них явились: I, Ш Всесоюзные симпозиумы. «Влияние вибраций различных спектров на организм человека и проблемы виброзащиты» (Москва, 1972, 1977 г. г.) — I — IV Всесоюзные научно-технические конференции «Активные виброзащитные системы», «Теорияи применение активных виброзащитных систем», «Механические управляемые системы», «Проблемы виброизоляции машин и приборов», (Иркутск, 1972 — 1989 г. г.) — Всесоюзное научное совещание по проблемам виброизоляции машин и приборов" (Звенигород, 1986 г.) — Пятый (Алма-Ата, 1981 г.), Шестой (Ташкент, 1986 г.) Всесоюзные Съезды по теоретической и прикладной механикеПервый (Алма-Ата, 1977 г.), Второй (Одесса, 1982 г.) Всесоюзные Съезды по теории машин и механизмовТретья Всесоюзная Четаевская конференция по аналитической механике, устойчивости и управлению движением (Иркутск, 1977 г.) — Всесоюзная" конференция «Проблемы нелинейных колебаний механических систем» (Киев, 1978 г.) — Четвертая Всесоюзная конференция по оптимальному управлению в механических системах (Москва, 1982 г.) — Шестая Всесоюзная конференция-по управлению в механических системах (Львов, 1988 г.) — Первое (Владимир, 1978 г.), Второе (Минск, 1981 г.) Всесоюзные совещанияпо робототехническим системамПервая (Йошкар-Ола, 1978 г.), Четвертая (Волгоград, 1987 г.) Всесоюзные Конференции «Автоматизация поискового конструирования" — Всесоюзное совещание «Современные методы синтеза машин-автоматов и их систем» (Тамбов, 1981 г.) — Всесоюзная конференция «Проблемы механики железнодорожного транспорта. Повышение надежности и совершенствование конструкции подвижного состава» (Днепропетровск, 1988 г.) — VIII Международная конференция «Применение ЭВМ в технике и управлении производством» (Москва, 1987) — Научный семинар «Проблемы управленияупругими мехатронными системами» (Иркутск, 1991 г.) XI Меду народная научнаяконференция, посвященная памяти академика М. Ф. Решетнева («Решетневские чтения», Красноярск, 2007 г.), «Обобщенные решения в. задачах управления» — IV Международный симпозиум, посвященный 80-летию академика РАН В. А. Ильина (Улан —Удэ, 2008 г.) и другие. Работа неоднократно обсуждалась на семинарах ГКНТ по проблеме «Виброзащита машин и вибрационная техника», региональных научно-технических конференциях НТОна заседаниях Ученого совета Иркутского вычислительного центра СО РАН (1976 — 1988 г. г.), Отдела робототехники, автоматизации и материаловедения, Автономного Отдела автоматизации и технической физики при Президиуме ИНЦ СО РАН (1988; - 1995 г. г.), научно-технических конференциях «Винеровские чтения» факультета Кибернетики Иркутского государственного технического университета (2000;2006;г.г.) и др.

Диссертация в целом обсуждена и одобрена Научно-методическим советом «Института современных технологий, системного анализа и моделирования» Иркутского государственного университета путей сообщения (2008 г. г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 52 работы, в том числе монография, 20 статей в ведущих журналах, рекомендуемых ВАКом для публикации докторских диссертаций, программные разработки «ВИЗА» и «ПАМИР» зарегистрированы в государственном реестре программ для ЭВМ (ГОСФАГГ).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, заключения, основных выводов по работе и приложения, в котором приведены документы, подтверждающие использование результатов работы на практике. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, содержит рисунков и таблиц.

Список литературы

включает 230 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи работы, характеризуется научная новизна и практическая значимость результатов исследования.

В главе первой «Современные подходы в теории и практике виброзащитных систем» рассматривается современное состояние вопроса виброзащиты и виброизоляции машин и оборудования, анализируются существующие подходы и методы решения задач машиноведческой направленности. В настоящее время сложилась вполне определенная технология определения динамического состояния машин и машинных агрегатов, основанная на изменении параметров состояния, соответствующих методиках расчета, применении технических средств в виде амортизаторов, демпферов, гасителей колебаний. Существующие подходы опираются на стандарты, позволяющие решать конкретные классы задач ограничения или удержания в необходимых пределах параметров динамического состояния.

Традиционные подходы ориентированы на снижение уровня вибраций, ударов в источниках их происхождения или на создание виброзащитных систем, включающих в свою структуру объекты защиты вместе с теми техническими средствами, которые в той или иной степени способствуют изменению динамического состояния в нужном направлении. Именно в этом плане в последние годы наметился интерес к построению управляемых виброзащитных систем, связанных с использованием достаточно развитых технологий сбора и обработки информации о состоянии системы и введении управляющих воздействий в различной форме. Такие системы реализуют активную виброзащиту и виброизоляцию, используются для обеспечения надежности силовых передач машинных агрегатов, защиты прецизионного оборудования, транспортных средств, предотвращения нежелательных колебаний зданий, сооружений, в робототехнике и др.

Вторая глава «Структурные подходы в динамике виброзащитных систем» посвящена изложению основных научно-методических положений структурной теориивиброзащитных систем. Рассматривается метод динамического синтеза виброзащитных систем и излагаются основные этапы их построения. Используя подход, основанный на введении в системы дополнительных динамических связей, раскрывается концепция структурных интерпретаций механических колебательных систем как систем автоматического управления динамическими состояниями. Это подводит понимание разработчиков к возможной конструктивно-технической реализации необходимых средств виброзащиты, обеспечивая задачи синтеза аппаратом системного анализа в обобщенном классе решений.

Показано, что средства пассивной и активной природы являются формами представления и развития обратных связей, вводимых в базовые модели колебательных систем. Рассматривается методологическое и алгоритмическое обеспечение решения задач динамического синтеза, связанное с представлением обратной связи в виде определенной цепи. Такая цепь, с одной стороны, описывается передаточными функциями частного вида из некоторого обобщенного выражения, с другой стороны, выявляется конкретными случаями реализации в рамках существования некоторого обобщенного механизма. Среди этих механизмов можно назвать устройства с преобразованиями движения, колебательные структуры, сервоприводы и т. п.

В третьей главе «Обобщенные динамические связи, их формы и особенности взаимодействия с объектом защиты от вибраций и ударов» рассмотрены динамические свойства виброзащитных систем возвратно-поступательных колебаний при введении дополнительных обратных связей в виде двухзвенных шарнирно-рычажных механизмов. Введены понятия приведенных жесткостей и масс системы, исследованы особенности свойств, определяемых конфигурацией механизма. Исследованы возможности изменения динамических свойств в системах крутильных колебаний, в составе которых имеются зубчатые, в. т. ч. планетарные механизмы, а также механизмы более сложной структуры, реализующими режимы преобразования движения в относительных перемещениях. Рассмотрены решения, обеспечивающие в системах с помощью механизмов эффекты динамического гашения, квазинулевой жесткости др. Изучаются вопросы построения каскадных систем. Предлагаются подходы к учету нелинейных свойств типовых звеньев виброзащитных систем с дополнительными связями на основе методов гармонической линеаризации.

Четвертая глава «Математические модели и подходы к оценке эффективности виброзащитных систем и способов введения обобщенных дополнительных связей» рассматриваются вопросы развития методологических позиций в задачах оценки эффективности и динамического синтеза виброзащитных систем при введении в их структуру дополнительных связей. Приводятся критерии эффективности введения дополнительных связей, которые оцениваются путем сравнения амплитудно-частотных характеристик, определения переходных функций, учета условий устойчивости систем. Обсуждаются вопросы влияния точек наблюдаемости и управляемости (точек приложения усилий), которые сказываются в определении дополнительных связей при построении виброзащитных систем. Решается задача синтеза управления, формируемого дополнительной обратной связью в виде одноосного воздействия интересующего динамического влияния на объект защиты.

В пятой главе «Активные электрогидравлические виброзащитные системы» рассматривается разработанная методология построения сложных систем защиты машин, оборудования и агрегатов, в которых дополнительные связи реализуются с помощью гидравлических механизмов (сервоприводов). Обоснованы методические основы построения математических моделей и структурных схем активных систем с учетом особенностей электрогидравлического следящего привода. Предложена методика построения зон эффективной работы систем защиты при выборе различных законов управления (обработки информации в цепях обратной связи), произведена сравнительная оценка возможностей систем управления при гармонических внешних воздействиях и в переходных режимах с учетом оценок устойчивости системы. Описаны опытная установка и методика испытаний, приведены результаты экспериментальных исследований образца (полунатурного макета) активной электрогидравлической виброзащитной системы при вибрационных и ударных нагрузках.

Общая сравнительная оценка достигнутых результатов, предлагаемых и развиваемых методологических позиций представлена в «Заключении» диссертации. Рассмотрены вопросы построения виброзащитных систем с использованием средств вычислительной техники и программного обеспечения. Сформулированы основания для системного подхода к решению обобщенных задач виброзащиты и виброизоляции. Определена система требований и условий, обеспечивающих эффективность автоматизированных технологий научных исследований. Результаты построены на материалах создания пакета прикладных программ «ВИЗА», одной из первых крупных отечественных разработок, ориентированной на широкий класс задач вибродинамики управляемых механических систем.

Автор чтит память академика [К.В. Фролова (1932;2007 г. г.), который взял на себя труд научного руководителя во время моей стажировки (1982;1983г.г.) в Институте машиноведения РАН имени акад. Благонравова А. А. Выражаю благодарность заведующему лабораторией общей теории виброзащиты (ныне лаборатории «исследования и разработки средств виброзащиты „человек-машина“»), д.т.н., профессору А. В. Синеву за помощь и поддержку в период стажировки в ИМАШ, за заботливые отношения как научного авторитета в нашем многолетнем сотрудничестве.

Автор признателен Заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, д.т.н., профессору [Коловскому М.3. (1927;2002) — моему научному оппоненту по кандидатской диссертации, одному из ведущих специалистов страны в динамике управляемых машин и нелинейной теории виброзащиты за постоянное внимание к исследованиям, за проявление инициативы в сотрудничестве с учителями и коллегами ленинградской школы механиков и управленцев — Блехманом И. И., [Вейцем В .Л, Вульфсоном И. И., [Лурье А.И.

Первозванским А.А.|, Попковым В. И., Смирновым Г. А.

Благодарен академику В. М. Матросова за поддержку исследований в период работы в ИНЦ СО РАН (1976;1995 г. г.). Признателен д.т.н., профессору Хоменко А. П. — ректору Иркутского государственного университета путей сообщения за человеческую поддержку, за создание условий для завершения диссертации. Заслуженный деятель науки РФ, д.т.н., профессору С. В. Елисеев научный консультант диссертации заслуживает особые слова благодарности за долгую совместную службу и многолетнее партнерство, за большую и конкретную помощь в работе над диссертацией.

Основные выводы по работе.

1. Развиты методы динамического синтеза виброзащитных систем на основе введения в структуру системы дополнительных обратных связей, имеющих вид обобщенных динамических связей, в том числе, предусматривающих возможности применения различных механизмов.

2. Предложена теория построения структурных схем колебательных систем при введении различных дополнительных связей, выявлен расширенный набор типовых элементов и определены правила их соединения, что позволяет решать задачи поиска и разработки новых технических средств.

3. Раскрыты методы построения математических моделей на основе использования структурных подходов, позволяющих реализовать частотные оценки возможностей изменения вибрационного состояния машин.

4. Разработана методология построения дополнительных цепей в обобщенных задачах виброзащиты и виброизоляции машин, оборудования и агрегатов на традиционной основе и на основе использования специально вводимых в структуру механизмов для преобразования движения, в том числе и сервоприводов.

5. Предложена научно-обоснованная методическая база для создания активных виброзащитных систем, в обратных цепях которых реализуются различные законы обработки информации о динамическом состоянии объектов защиты.

6. Разработаны принципы построения и методология расчета активных электрогидравлических виброзащитных систем, которые подкреплены экспериментальными исследованиями.

В завершение научных исследований складывается системный подход, позволяющий создание системы прикладного программного обеспечения как технологии построения автоматизированной системы проектирования и расчета виброзащитных систем машин и оборудования. Результаты разработок в виде программных средств пакета прикладных программ ВИЗА и соответствующих рекомендаций, внедрены на предприятиях нескольких отраслей транспорта и промышленности. I.

Заключение

.

Задачи виброзащиты и виброизоляции характерны для многих отраслей промышленного производства и транспорта и стимулируют дальнейшие поиски, связанные с разработкой способов и средств управления колебательными процессами. Структурные методы интерпретации динамики механических колебательных систем находят все более широкое применение в смежных научно-технических направлениях, таких как вибродиагностика, робототехника, мехатроника. Управление, реализуемое в самых различных технических формах от пассивных до активных средств или сервоприводов позволяет создавать машины, устройства, агрегаты и их системы, которые адаптируются к условиям внешних воздействий и, в принципе, могут обеспечивать условия надежной эксплуатации машин и оборудования и создавать условия для безопасной работы персонала.

I. Основной концепцией, развиваемой в диссертации, стало рассмотренное в различных вариантах исполнения и реализации введение дополнительных динамических связей в механические колебательные системы. В этом плане, достаточно продуктивный подход обозначился в возможности расширения типового набора элементов, участвующих в динамических взаимодействиях. К обычным элементам виброзащитной системы в виде упругих (пружины) и демпфирующих (демпферы), звеньев как оказалось, можно добавить новые дополнительные связи и элементы, реализуемые в доступных конструктивно-технических формах.

В общем случае, передаточная функция дополнительной связи может быть представлена дробно-рациональной функцией от оператора р{р = joj, j = V-1), а все известные случаи конструктивной реализации элементов виброзащитных систем становятся частными случаями от общего выражения, определяющего структуру дополнительной связи.

Ряд предложений подтолкнул к конкретным техническим решениям, которые получили закрепление на уровне изобретений и были сделаны рядом авторов в различное время. Такой подход, в конечном итоге, не мог не привести к обобщенной постановке задач виброзащиты и виброизоляции, в рамках которой положительные стороны структурных подходов стали достаточно очевидными.

Структурные интерпретации, основанные на введении эквивалентных в динамическом отношении систем автоматического управления (САУ), хорошо соотносятся с направлением структурных отображений в виде дуальных механических цепей. Использование последних имеет перспективы применения в задачах волновой динамики в силу удобств перевода схемных решений в электрические цепи на основе методов электромеханических аналогий.

Методологическая ценность методов динамического синтеза на основе структурных интерпретаций заключается в возможности обеспечения целенаправленного поиска и разработки новых конструктивно-технических решений, ориентированных на инженерные приложения.

П. Дополнительные связи, как было показано, вводятся параллельно элементам (пружин и демпферов) базовой расчетной модели, а составные элементы дополнительнойсвязи (ее можно назвать в таком случае дополнительной цепью) в своих соединениях используют правила последовательных и параллельных соединений (как, например, в соединениях пружин). Однако, таким правилам соединения (или коммутации) подчиняется весь расширенный набор типовых элементов.

Введение

дополнительных связей может происходить в нескольких формах, которые предполагают не только построение параллельных связей в базовых моделях в виде систем с одной, двумя и тремя степенями свободы, но и в направлениях реализации основных принципов автоматического управления.

Введение

дополнительных связей пассивной и активной природы может осуществляться по принципам управления по абсолютным и относительным отклонениям, а также по внешнему воздействию. Последнее позволяет использовать для решения задач анализа и синтеза в динамике колебательных систем развитый аппарат теории автоматического управления.

Основное внимание в диссертации было уделено углублению и расширению представлений о физических эффектах, возникающих в базовых моделях при введении дополнительных связей пассивной природы. В частности, достаточно подробно изучались вопросы, связанные с введением дополнительных связей на основе устройств с преобразованием движения. В качестве таковых могут выступать различные механизмы (точнее, механические цепи в виде механизмов): шарнирно-рычажные, зубчатые, винтовые и др.

Использование активных дополнительных связей приводит к необходимости учета ряда специфических особенностей, привносимых сложностью структуры дополнительной связи. Такая связь формируется из звеньев, обеспечивающих сбор и обработку информации о состоянии объекта защиты, усиление сигнала по мощности и воспроизведение в некоторой конструктивно-технической форме. Последнее нередко сопровождается введением в базовые расчетные схемы связей конструктивного происхождения, которые влияют на динамические свойства системы и при отсутствии сигнала от датчиков. В любом случае введение активных связей (как, впрочем, и других" дополнительных связей) в сложных структурах должно сопровождаться учетом правил взаимодействия элементов, что определяет топологические свойства структуры, соответствующие передаточные свойства и, тем самым, динамические характеристики системы.

IIIПоиск и выбор технических решений для создания виброзащитных систем связан с разработкой математических моделей различных форм, формулировки целей и задач анализа и динамического синтеза, что, в свою очередь, требует создания соответствующего математического, алгоритмического и программного обеспечения.

В течение многих лет под руководством автора велась разработка пакета прикладных программ ВИЗА [93, 95, 98, 115, 102- 109]. Эта проблемно-ориентированная система предназначена для решения ряда задач автоматизации проектирования и расчета виброзащитных систем.

Исследования показывают, что разработка систем виброзащиты и виброизоляции, обоснования которой дается в рамках структурного подхода, сводится к решению типовых задач построения: определение необходимости защиты, оценка предельных свойств, синтез параметров, анализ динамики, выбор данных по каталогу серийных виброизоляторов (на примере решения задач защиты блоков аппаратуры — «приборной» защиты) [105].

Отметим, что интересующие решения отыскиваются в пакете программ в полном объеме только для случая, когда объектом виброзащиты является твердое тело. Для упругого тела или для комплекса твердых тел, связанных упругими элементами, представляется возможность созданными средствами пакета ВИЗА обращения только к соответствующим задачам анализа (моделирования) [107].

Программным обеспечением пакета реализуются расчетные процедуры, имеющие место в нормативных методиках проектирования для проблем «приборной» защиты [73,74, 76, 97, 107]. Таким образом, с помощью пакета программ ВИЗА могут быть проведены обоснования как исследовательских (поисковых), так и инженерных разработок ВЗС.

Общая характеристика пакета. Предлагаемый пакет программ позволяет провести автоматизированную поддержку решения типовых задач проектирования (построения), определяющих упругодемпфирующие и геометрические характеристики специальных технических средств виброзащиты и виброизоляции при ограничениях, предъявляемых к абсолютным ускорениям и относительным смещениям, некоторых точек объекта защиты. В целом пакет ВИЗА предназначен стать системой прикладного программного обеспечения на основе решения задач исследования динамики механических управляемых систем.

При создании любой системы защиты от вибраций и ударов, прежде всего, должен быть решен вопрос о необходимости самой защиты, (проведения разработок системы с использованием специальных средств). Сравнивая динамические показатели объекта защиты с их предельно допустимыми величинами в случае жесткого крепления твердого тела к основанию при заданных внешних воздействиях, можно сделать вывод о целесообразности дальнейшего проектирования. При этом такие расчеты базируются в пакете на соответствующих алгоритмах анализа [80].

С целью определения разрешимости требований виброзащиты или виброизоляции, сначала без учета вопросов физической реализуемости, представляет интерес получить оценку возможных предельных свойств систем. Это позволяет знать тот уровень ограничения на динамические нагрузки объекта, который при заданных возмущениях вообще может быть достигнут при построении сколь угодно совершенных систем. Кроме того, удается в последующем сделать вывод о существовании технически реализуемой системы защиты, способной удовлетворить заданные требования. В пакете оценка предельных свойств систем виброзащиты и виброизоляции определяется из решения, некоторой вспомогательной задачи [111].

Функциональное наполнение пакета. Пусть процесс виброизоляции описывается системой уравнений [105]: q = и —cf (t), q (0) = q (0) = 0, (1) где q — 6-мерный вектор обобщенных координат системы, определяющих перемещения объекта относительно основания, и — 6-мерный вектор, рассматриваемый как управление, <х (t) — 6-мерный вектор обобщенных координат, описывающих заданное перемещение основания.

Требуется оценить снизу численное значение критерия качества q (u) = max шах u’Ru, (2) si. tel /го ' 4 ' которое может быть достигнуто, если система (1) будет управляться оптимальным образом, на классе кусочно-постоянных функций, при выполнении фазовых ограничений q’Qjq.

Предельная величина (2) находится без отыскания оптимального управления [80].

В пакете программ решение задачи синтеза в общем случае производится поэтапно [105]. Сначала отыскивается в рамках оптимального управления при действующих на основание возмущениях так называемый эталонный закон движения объекта защиты. Далее, для предполагаемой схемы системы виброизоляции на основе известных технических средств находятся параметры, которые позволяют приблизить, в определенном смысле, реальный закон движения к предыдущему — желаемому. Алгоритмы решения данной задачи строятся в виде условий минимизации некоторой невязки по их отклонению [73].

Традиционные разработки обычно реализуются, прежде всего, с использованием проверенных на практике технических средств. В связи с этим в пакете предусмотрено получение рекомендаций на основе алгоритмов выборки номенклатуры, типоразмеров и эксплуатационных характеристик, отвечающих найденным ранее расчетным данным. Выполняется это по базе данных, составленной по каталогам, в частности серийных конструкций виброизоляторов [109, 116].

В целом программное обеспечение реализует методологию проектирования ВЗС в следующем порядке: а) выбор типа системы виброзащиты или виброизоляцииб) назначение схемы и определение структуры конкретной системыв) статический расчет, в т. ч. по условиям рационального монтажаг) определение типоразмеров виброизоляторов согласно данным расчетад) обоснование операции «выравнивание» при установке объекта защиты в составе упруго-демпфирующей подвеские) динамический расчет, включающий отыскание спектра собственных частот, а также абсолютных ускорений и относительных смещений ВЗСж) предварительная оценка ВЗС на воздействие возможных ударов.

Разработанный пакет прикладных программ позволяет решать задачи моделирования виброзащитных систем в составе системы твердых тел или объектов защиты в виде упругих систем.

Функциональное наполнение пакета ВИЗА как укрупненное дерево типовых задач показано на рис. 1 (заключения).

Рис. 1. Функциональное наполнение пакета прикладных программ ВИЗА.

Для обеспечения организации диалога и пакетного режима в вычислениях пакет снабжен комплексом системных программ. Их наполнение позволяет автоматизировать поддержку работу пользователя в процессе подготовки данных и решения задач.

Системное обеспечение включают следующие операции: управление работой пакета в целомосуществление диалогаописание задач на входном языкехранение данных в архивесинтаксический анализ вводимых данных и их корректировкудинамическую загрузку проблемных программвывод результатов [106].

Функциональная структура системного обеспечения пакета ВИЗА приведена на рис. 2 (заключения) и содержит следующие компоненты: а) управляющую систему (монитор) — б) подсистему ввода диалогового режимав) подсистему инициализации решаемой задачиг) подсистему динамической загрузки ПЛ-1 и ФОРТРАН-программд) архивную информационно-поисковую системуе) подсистему организации пакетного режима.

Организация управления в пакете. Управление и взаимодействие основных системных компонент между собой и с пользователем обеспечиваются монитором пакета. Монитор представляет собой программу, оперирующую с данными таблицы.

Управляющая подсистема.

Пакетный.

Анализ.

Диалоговый ввод.

Интерпретац|1я.

Инициализация решаемой задачи.

Вывод из рабочего поля.

Ввод в рабочее поле I.

Динамическая загрузка i к г.

Библиотека функциональных модулей.

Справочно-информанионный блок.

Информационно-поисковая подсистема.

Рис. 2. Функциональная структура системного обеспечения ППП ВИЗА.