Харківський національний університет радіоелектроніки

Ляшенко Сергій Олексійович

УДК 681.51.015: 631.35.004.5

МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ РОТОРІВ У СИСТЕМАХ ДІАГНОСТИКИ ОБЕРТАЮЧИХ ВУЗЛІВ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ МАШИН

01.05.02 – математичне моделювання та обчислювальні методи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті сільського господарства Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент

Кунік Євген Григорович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки, професор кафедри

біомедичних електронних пристроїв

та систем.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Сіроджа Ігор Борисович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, завідувач кафедри програмного забезпечення автоматизованих систем;

доктор технічних наук, професор Путятін Валерій Петрович, Харківський державний технічний університет сільського господарства, завідувач кафедри кібернетики.

Провідна установа

Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, кафедра математичного моделювання та забезпечення ЕОМ, Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться “22” жовтня 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.02 в Харківському національному університеті радіоелектроніки, за адресою: пр. Леніна, 14, м. Харків, 61166; факс (0572) 40-91-13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки, за адресою: пр. Леніна, 14, м. Харків, 61166.

Автореферат розісланий 20.09. 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Безкоровайний В.В.

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення надійності сільськогосподарської техніки, з одночасним покращанням умов праці операторів сільськогосподарських машин, являє собою важливу технічну та соціальну проблему. Удосконалення конструкцій існуючих та розробка нових типів машин, пов'язаних із збільшенням їх потужностей і швидкостей роботи, приводять до значного підвищення рівня вібрації та шуму, що є причиною як зниження продуктивності праці механізаторів, так і зменшення надійності та довговічності роботи сільськогосподарської техніки.

Існує велика кількість причин, які викликають підвищену вібрацію, що свідчить про наявність пошкоджень у вузлі і є однією з основних причин, які підвищують швидкість зношування та пошкодження вузла. До їх числа в першу чергу входить неврівноваженість обертаючих роторних вузлів, яка впливає на технічний стан підшипникових вузлів і відповідно на їх діагностичні параметри.

Тому для підвищення надійності роботи обертаючих вузлів сільськогосподарських машин необхідно підвищити якість діагностування, а також удосконалювати існуючі методи та засоби діагностики, які дають можливість з мінімальними затратами, відносно невеликою трудоємкістю, достовірно і з достатньою точністю визначати технічний стан об'єкта. Успіх діагностування в значній мірі обумовлений ступенем адекватності використаної математичної моделі механізму.

Вказані проблеми визначили актуальність дисертаційних досліджень, скерованих на розробку математичних моделей роторних механізмів, методів і технічних засобів отримання інформації про технічний стан і використання їх в системах діагностики. Використання цих моделей, методів та засобів буде сприяти підвищенню надійності та точності діагностування роторних механізмів, що має велике значення для сільськогосподарського виробництва України.

Зв'язок роботи з науковими програмами та темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з планом НДР Харківського інституту механізації та електрифікації сільського господарства (ХІМЕСГ) на замовлення Міністерства сільського господарства України в межах госпрозрахункової теми № 75-85 “Машина коренезбиральна 6-рядна самохідна (на шасі КС-6) з гідростатичним приводом ходової частини робочих органів зі змінними викопними органами” (№ДР 81087894); держбюджетної НДР № 1-5 “Розробка і втілення пропозицій по підвищенню використання техніки в колгоспах та радгоспах АПК на прикладі окремих господарств Харківського обласного агропромислового об'єднання, які забезпечують зниження витрат на виконання механізованих робіт на 10-15%. Методи оцінки безпеки сільськогосподарської техніки” (№ ДР 01.86.0032090), над якими здобувач працював як виконавець і як керівник.

2

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка математичних моделей роторних механізмів, які дають можливість прогнозувати

їхній стан для забезпечення своєчасного ремонту, створення метода та технічних засобів отримання діагностичної інформації.

Для досягнення вказаної мети необхідно вирішити наступні задачі:

- побудувати математичні моделі ротора, які визначають його неврівноваженість і враховують як прогинання, так і нерівномірність його обертання;

- побудувати уніфіковані діагностичні моделі ротора, які дають можливість прогнозувати значення його параметрів з метою забезпечення своєчасного ремонту роторних механізмів;

- розробити програмне забезпечення для системи діагностики обертаючих вузлів роторних механізмів, яке реалізує розглянуті моделі і алгоритми;

- розробити відносно дешеві та зручні в використанні віброакустичні засоби діагностування, які дають можливість визначити місце та величину неврівноваженості обертаючих барабанів, а також величину зазору в підшипникових вузлах цих барабанів;

- провести імітаційне моделювання і здійснити перевірку отриманих результатів при вирішуванні практичних задач.

Об'єкт дослідження: роторні механізми сільськогосподарської техніки.

Предмет дослідження: математичні моделі роторних механізмів, які описують неврівноваженість і враховують прогинання та нерівномірність обертання.

Методи дослідження: методи теоретичної механіки; методи планування експериментів; теорія випадкових процесів; теорія статистичного оцінювання; теорія оптимізації; методи математичного моделювання.

Наукова новизна результатів дисертаційної роботи полягає в наступному:

- вперше побудована математична модель коливальної системи “комбайн - ротор - людина”, аналіз якої дозволяє встановити залежності віброшвидкості та віброприскорення на частотах збудження основних обертаючих вузлів від частоти обертання молотильного барабану та від величини неврівноваженості роторних барабанів і визначити значення віброприскорення на робочому місці оператора;

- отримала подальший розвиток узагальнена математична модель роторного механізму, яка відображує його неврівноваженість і враховує такі важливі фактори, як прогинання і непостійність частоти його обертання, забезпечуючи тим самим повноту опису механізму;

- вперше побудовані діагностичні моделі, які являють собою регресійні залежності врівноваженості роторних барабанів в підшипникових вузлах;

3

- вперше побудовані зручні прогнозні моделі роторних механізмів, що враховують нестаціонарність їх технічних параметрів;

- отримав подальший розвиток віброакустичний метод діагностики і балансування основних обертаючих вузлів сільськогосподарських комбайнів, який дає можливість визначити вплив шуму і вібрації роторних вузлів на працездатність оператора і встановити залежності вібросигналів від технічного стану цих вузлів.

Практичне значення одержаних результатів. Наукові результати дисертаційних досліджень у вигляді методів, моделей та технічних засобів реалізовані в системах діагностики роторних механізмів сільськогосподарських машин.

Втілення віброакустичного методу, який дає можливість здійснювати діагностування і балансування обертаючих вузлів без розбирання та збирання вузлів в ВАТ “Ізюмське РТП” забезпечило зменшення трудоємкості виконання цих операцій в 6 разів, а також зниження рівня шуму та вібрації в середньому на 5дБА і 0,9м.с-2 відповідно.

В результаті втілення розробки в ВАТ “Ізюмське РТП” Харківської області за рахунок більш ефективного балансування роторних барабанів сільськогосподарських комбайнів було отримано річний економічний ефект в розмірі 1005 грн., а за рахунок покращання умов праці операторів і підвищення надійності роботи людино - машинної системи очікуваний економічний ефект складе 9653 грн. на рік.

Основні положення і рекомендації, наведені в дисертаційної роботі, використовуються в учбовому процесі при читанні лекцій і проведенні лабораторних робіт за курсом “Безпека життєдіяльності” та “Охорона праці” на кафедрі “Безпека життєдіяльності” Харківського державного технічного університету сільського господарства (ХДТУСГ).

Особистий внесок здобувача. Основні результати отримано автором самостійно. В роботах, що опубліковано у співавторстві, здобувачу належать: в [1] – структура нелінійної математичної моделі врівноваженості ротора; в [2] – алгоритм оцінювання параметрів нестаціонарної моделі роторних барабанів; в [3] – алгоритм вибору параметрів зважування інформації; в [4] - математичне моделювання віброіндикатора дисбалансу; в [5] – вплив шуму та вібрації на оператора; в [6,7] – вибір діагностичних параметрів обертаючих вузлів; [8] – метод визначення зазору в підшипниках ротора.

Апробація результатів дисертації. Основні результати доповідались й обговорювалися на Українській науково-практичній конференції по тракторобудуванню (Харків, 1998р.): міжнародній науково-технічній конференції “Тех-нічний прогрес у рослинництві” (Харків, 2000р.); 7-й міжнародній конференції “Теорія і техніка передачі, прийому та обробки інформації” (Харків - Туапсе,

4

2001р.); міжнародній науково-технічної конференції “Проблеми мехатроніки в подальшому розвитку транспортних засобів та систем” (Харків, 2001р.); щорічних наукових конференціях Харківського державного технічного університету сільського господарства (1986-2002рр.).

Публікації. Наукові та практичні результати опубліковано в 8 друкованих працях, 5 з яких входять до переліку ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел зі 98 найменувань на 9 сторінках, 39 рисунків, з них 18 на повних сторінках, 9 таблиць, з них 3 на повних сторінках, та додатку на 24 сторінках. Загальний обсяг роботи – 193 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовані основна мета і завдання досліджень, наведені відомості про зв'язки обраного напрямку досліджень із планами організації, де виконана робота. Дано стислу анотацію отриманих у дисертації рішень, відзначена їх практична цінність, наведені дані про використання результатів проведених досліджень у народному господарстві.

У першому розділі дисертаційної роботи розглядаються задача побудови математичних моделей роторів з метою використання їх в системах діагностики обертаючих вузлів сільськогосподарських машин і сучасні підходи до її розв'я-зання.

Побудовано математичну модель коливальної системи “комбайн – ротор – людина”, дослідження якої довели, що значення віброшвидкості та віброприскорення, на частотах збудження основних обертаючих вузлів, на робочому місці оператора комбайна мають пряму залежність від частоти обертання молотильного барабану і від величини неврівноваженості роторних барабанів. Якщо працює комбайн і молотильний барабан має дисбаланс, значення якого відповідає гранично допустимій величині, значення віброприскорення (3,25 м/с2) на робочому місці оператора, на частоті обертання молотильного барабану, буде перевищувати допустиме значення.

Аналізуючи отримані результати, можна прийти до висновку, що неврівноваженість роторних барабанів приводить, по-перше, до підвищення рівня коливань, шуму та вібрації, що негативно впливає на здоров'я оператора, і, по-друге, - до зниження строків роботи механізмів. Тому однією з найважливіших задач, які виникають при експлуатації сільськогосподарської техніки, є визначення технічного стану її механізмів, особливо обертаючих вузлів. Розглянуто основні підходи до вирішення задачі діагностування роторних вузлів.

5

На основі проведеного аналізу сформульована мета і задачі дослідження, які полягають в розробці математичних моделей роторних механізмів, що дозволяють прогнозувати їхній стан для забезпечення своєчасного ремонту, і створенні метода і технічних засобів отримання діагностичної інформації.

У другому розділі досліджуються математичні моделі роторів, за допомогою яких можна прогнозувати стан механізму.

Адекватною динамічною моделлю ротора є тіло, що має вагу і екваторіальний момент інерції ротора, коливальний рух якого викликають проекції обертаючих в різних площинах неврівноважених центробіжних сил і реєструються в місцях розташування опор ротора. При цьому використовують відомі положення теоретичної механіки, які базуються на умові, що ротор недеформований, тобто він ідеалізований як тверде тіло. Реальний же ротор в робочих умовах вигинається. Крім того, значною завадою, яка вносить збурення в інформацію про дисбаланс, є непостійність частоти обертання ротора. В роботі отримана узагальнена математична модель ротора, яка враховує прогинання та нерівномір-ність його обертання

(1)

(2)

де - тангенціальна та нормальна складові неврівноваженої сили відповідно;

- моменти i-ї тангенціальної та i-ї нормальної неврівноважених сил; прогин ротора в і – тому розрізі; податливість ротора; ексцентриситет; дискретна маса ротора; кутова швидкість ротора.

Ця математична модель ротора дає можливість достатньо адекватно відбити його властивості, але є досить незручною при вирішенні задач діагностування роторних вузлів.

6

Розглянуто особливості побудови діагностичних моделей ротора. Показано, що досить зручним є опис вібрації роторних механізмів у вигляді полігармонійних та квазігармонійних коливань. Проаналізовано вплив різних дефектів на параметри моделей, що використовуються.

В зв'язку з тим, що адекватну динамічну модель механізму можна побудувати лише в тому випадку, якщо врахувати вплив дефекту на всі види коливань вузла механізму (крутильні, згінні, подовжні, зсувні) і не тільки в одному напрямку вимірів, а в усіх трьох напрямках вимірів, для рішення задачі діагностування доцільно будувати більш прості – регресійні моделі.

Для побудови лінійних та нелінійних регресійних діагностичних моделей роторних барабанів був розроблений достатньо універсальний пакет програм. Універсальність цього пакету полягає в тому, що він складається з немодифікуємих (модельно незалежних) та однотипних модифікуємих (модельно залежних) програм.

При дослідженні залежності неврівноваженості роторних молотильних барабанів від частоти їх обертання та радіального зазору в підшипнику на відповідній опорі основними факторами були вибрані: Х1 – величина неврівноваженості в крайніх площинах корекції барабану, прив'язана до відповідних опор; Х2 – частота обертання роторного молотильного барабану; Х3 - радіальний зазор в підшипнику відповідної опори роторного молотильного барабану. Для отримання залежності значення вібросигналу від цих факторів використано факторний план типу 23. Значущість коефіцієнтів нелінійних регресійних моделей різних видів неврівноваженості перевірялась за критерієм Ст'юдента, що дозволило дещо спростити моделі. Так в кінцевому вигляді співвідношення для правої та лівої опори роторного барабану будуть мати наступний вигляд:

- статична неврівноваженість

; (3)

; (4)

- моментова неврівноваженість

(5)

; (6)

7

- динамічна неврівноваженість

(7)

(8)

де

Адекватність отриманих співвідношень оцінювалась за критерієм Фішера.

Для більшої гнучкості моделі прогнозування в роботі в неї включено як авторегресійні компоненти, так і компоненти множинної регресії

(9)

де – порядок авторегресії; -випадкова складова, яка відповідає умовам , - символ Кронекера.

У зв'язку з тим, що перехід до такої моделі вимагає застосування методів оцінювання, які забезпечать отримання незміщених оцінок в умовах дії корельованих збурень, коваріаційна матриця яких на практиці звичайно не відома, запропоновано алгоритм побудови моделі, в якому на кожному такті здійснюється оцінювання елементів коваріаційної матриці збурень.

У третьому розділі розглянуто питання математичного моделювання роторних механізмів з урахуванням ефекту нестаціонарності.

Отримані в попередньому розділі моделі є достатньо ефективними в стаціонарних та квазістаціонарних умовах функціонування, які не враховують такий негативний, але дуже важливий побічний ефект, як нестаціонарність, пов'язану з виникненням і розвитком дефекту, який вносить “збурення” в вихідний процес. В той же час, в багатьох випадках, це збудження несе основну діаг-

8

ностичну інформацію. Тому урахування змін технічного стану об'єкта і знаходження моменту розладу є важливими етапами при ставленні діагнозу. В цьому випадку більш доцільна апроксимація дрейфу відомими функціями часу з випадковими коефіцієнтами.

Докладно досліджено апроксимацію з допомогою квадратичних поліномів, які враховують початкове значення, швидкість та прискорення зміни параметрів, що прогнозуються, але навіть в такому достатньо простому випадку моделі є складними при аналізі прогнозування і, крім того, потребують інформації про статистичні властивості завад.

Якщо ж швидкість зміни параметрів та прискорення є невідомими, або їх важко оцінити, отримані оцінки містять істотну завадову складову.

В таких випадках більш ефективним засобом є побудова прогнозної моделі у вигляді авторегресійної моделі - го порядку, змінні коефіцієнти якої можуть бути апроксимовані з допомогою алгебраїчних поліномів - го ступеню в часі.

Розглянуто особливості побудови нестаціонарних моделей методами планування експериментів. Показано, що якість отриманих моделей залежить від об'єму апріорної інформації. Доведена доцільність використання адаптивних методів оцінювання, що базуються на рекурентних алгоритмах методу найменших квадратів (РМНК)

(10)

(11)

де оцінка коефіцієнтів моделі в дискретний момент часу ;

- деяка послідовність позитивних вагових коефіцієнтів;

Проведений аналіз найбільш розповсюджених алгоритмів РМНК з експоненціальним зважуванням інформації показав, що формалізувати процес вибору не вдається, тому що для цього потрібно мати значний об'єм додаткової інформації.

9

Простим і в той же час ефективним є використання змінного коефіцієнту , що настроюється за правилом

( 12)

На рис.1 показано процес зміни коефіцієнтів, які входять до рівняння (3), одержаного за допомогою алгоритму (10)-(12) на підставі 100 вимірювань. Точками показані значення коефіцієнтів у дискретний час, а суцільною лінією – їх значення, отримані з 10 середніх значень

Рис.1. Результати оцінювання нестаціонарних коефіцієнтів рівняння (3)

На основі алгоритму (12), (13) побудовано новий алгоритм ідентифікації, який дозволяє отримати незміщені оцінки параметрів моделей типу (11) при наявності корельованих завад

(15)

10

(16)

(17)

де

;

.

коваріаційна матриця у загальному випадку нестаціонарних завад , до якої включено коефіцієнт експоненціального зважування .

Показано, що цей алгоритм можна значно спростити, якщо завади є стаціонарними.

Отримана зручна для реалізації на ЕОМ рекурентна форма даного алгоритму, яку можна суттєво спростити, якщо корельовані завади є стаціонарними.

Четвертий розділ присвячено розробці методів та засобів одержання діагностичної інформації щодо роторних механізмів.

Як показали дослідження, однією з основних причин, які викликають підвищену вібрацію, є неврівноваженість роторних барабанів, що впливає на технічний стан підшипникових вузлів і їх діагностичні параметри. Проведений аналіз по діагностуванню механічного обладнання свідчить про те, що одним з найбільш ефективних методів є віброакустичне діагностування, яке дає можливість зменшити кількість робіт, пов'язаних з зайвим розбиранням та збиранням техніки.

Сучасні методи контролю підшипникових вузлів, при яких не треба здійснювати операції по розбиранню та збиранню вузлів і які використовуються сільськогосподарському виробництві, досить трудомісткі та неефективні. Методом же віброакустичної діагностики, по параметрах вібрації, можна знайти не тільки значення неврівноваженості, але й радіальний зазор в підшипникових вузлах. При цьому в якості відповідних діагностичних параметрів слід використо-

11

вувати різні характеристики вібросигналу.

Розроблено спосіб визначення зазорів підшипників ротора та віброіндикатор дисбалансу (рис.2), який дає можливість реалізувати цей спосіб, які забезпечують ефективне діагностування технічного стану роторних механізмів

Рис. 2. Віброіндикатор дисбалансу

Проведено параметричну оптимізацію віброіндикатора, що дала можливість визначити номінали електронної схеми, при яких пристрій функціонує в оптимальному режимі. За допомогою даного пристрою отримані регресійні залежності, які дозволяють визначити величину радіального зазору в підшипниках роторного барабану.

У п'ятому розділі розглянуті питання вирішення практичних задач по діагностуванню технічного стану сільськогосподарських комбайнів.

Розроблена лабораторна установка дає можливість всебічно досліджувати параметри вібрації роторних механізмів. При проведенні досліджень, виміри шуму та вібрації здійснювались при різних режимах роботи комбайну: при холостому ходові і при навантаженні, а також при роботі окремих основних вузлів, які вмикались в певній послідовності, і при одночасній роботі всіх вузлів комбайну. Таке дослідження дозволило встановити, що рівень шуму та вібрації на робочому місці оператора комбайнів, які відпрацювали 2-3 сезони, перевищує допустимі норми, а також визначити фактори, які мають найбільший вплив на створення підвищеного рівня шуму та вібрації. Крім того, використання віброіндикатора дисбалансу забезпечує отримання залежностей віб-

12

росигналів від різних факторів, що дає можливість більш ефективно здійснювати діагностування та більш обґрунтовано визначати строки чергового ремонту обладнання.

У додатках наведено розроблену карту показників безпеки комбайну “Дон-1500” та акти впровадження дисертаційної роботи.

Висновки

У дисертаційній роботі отримано нове рішення наукової задачі, яка містить в собі розробку математичних моделей роторів, методів та технічних засобів отримання інформації про технічний стан роторних механізмів та їх використання в системах автоматизованої діагностики сільськогосподарської техніки. Ці результати мають важливе наукове та практичне значення для підвищення надійності та точності діагностування роторних механізмів, що в свою чергу забезпечить підвищення ефективності експлуатації сільськогосподарської техніки та покращання умов праці операторів.

1. Розробка та дослідження математичної моделі коливальної системи “комбайн-ротор-людина” дали можливість встановити залежності віброшвидкості та віброприскорення, на частотах збудження основних обертаючих вузлів, від частоти обертання молотильного барабану та від величини неврівноваженості і визначити значення віброприскорення на робочому місці оператора. Оскільки основні шкідливі фактори обумовлені неврівноваженістю роторних барабанів, виникає задача оцінки їх технічного стану. А в зв'язку з тим, що якість діагностування (особливо при визначенні дефектів, які тільки починають розвиватись) в значній мірі залежить як від методів та засобів отримання інформації про стан об'єкта, так і від використовуваних математичних моделей, теоретично обґрунтована необхідність створення зручних математичних моделей, методів та засобів діагностування.

2. Розроблена узагальнена математична модель ротора, яка базується на положеннях теоретичної механіки і враховує такі важливі фактори, як прогинання та нерівномірність його обертання. Це дає можливість отримати більш повний опис ротора, який адекватно відбиває його властивості.

3. Розроблені регресійні математичні моделі врівноваженості роторних барабанів у підшипникових вузлах з допомогою методу планування експерименту. Дослідження запропонованих моделей з допомогою спеціально розробленого пакету програм показало їх ефективність при аналізі стаціонарних та квазістаціонарних режимів роботи механізмів.

13

4. Розроблена прогнозна модель неврівноваженості роторних барабанів, яка включає в себе крім компонентів множинної регресії і авторегресійні компоненти. В зв'язку з тим, що задача визначення параметрів такої моделі ускладнюється внаслідок виникнення кореляції між збудженнями, пропонується алгоритм оцінювання параметрів, який являє собою модифікацію МНК, що викорис-

товує в якості вагової матриці матрицю, елементами якої є оцінки коваріацій збудження. Отримані при цьому оцінки є незміщеними.

5. Розроблені математичні моделі роторів, які враховують нестаціонарність їхніх характеристик. Докладно досліджено поліноміальну апроксимацію дрейфу, а також його подання в виді регресійної моделі, коефіцієнти якої в свою чергу апроксимуються алгебраїчними поліномами. Для прогнозної моделі, яка має як компоненти множинної регресії, так і регресійні компоненти, розроблено рекурентний алгоритм, який забезпечує отримання незміщених оцінок при корельованих завадах.

6. Розроблено спосіб і реалізуючий його віброіндикатор дисбалансу, який забезпечує ефективне діагностування технічного стану роторних механізмів. Проведена параметрична оптимізація віброіндикатора дала можливість визначити номінали електронної схеми, при яких пристрій працює в оптимальному режимі. За допомогою даного пристрою отримані регресійні залежності, які дають можливість визначити величину радіального зазору в підшипниках.

7. Розроблена лабораторна установка, в якій реалізовані отримані моделі та засоби діагностування і яка забезпечує всебічне дослідження параметрів вібрації роторних механізмів. Проведені дослідження з допомогою даної установки в “Вовчанскому РТП” Вовчанського району і застосування даних результатів в ВАТ “Ізюмське РТП” Ізюмського району та в дослідному навчальному господарстві ХДТУСГ “1-го Травня” Первомайського району Харківської області дали можливість, по-перше, встановити, що рівень шуму та вібрації на робочому місці оператора комбайнів, які відпрацювали 2-3 сезони, перевищують допустимі норми, по-друге, визначити фактори, які найбільше впливають на підвищення рівня шуму та вібрації, і по-третє, отримати залежності вібросигналів від різних факторів, що дозволяє більш ефективно здійснювати діагностування за рахунок зменшення трудоємкості балансування в 6 разів і більш обґрунтовано визначати строки чергового ремонту техніки.

14

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Куник Е.Г, Ляшенко С.А. Построение регрессионной модели уравновешенности роторных барабанов в подшипниковых узлах // Вестник национального технического университета ХПИ.- Новые решения в современных технологиях.- 2002. - Вып.3. - С.106-110.

2. Куник Е.Г, Ляшенко С.А. Идентификация параметров нестационарной модели уравновешенности роторных барабанов в подшипниковых узлах // Вестник национального технического университета ХПИ. - Новые решения в современных технологиях. - 2002.- Вып. 7. - С. 125-130.

3. Куник Е.Г, Коваленко А.Н, Ляшенко С.А, Аль Сади Ф.М. О выборе коэффициента взвешивания информации при оценивании параметров // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. – 2001.- Вып. 116.- С.109-114.

4. Куник Е.Г. Ляшенко С.А. Костюк Н.Н. Моделирование работы виброиндикатора дисбаланса // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Підвищення надійності відновлюємих деталей машин. - 2000. - Вип. 4. - С.244 - 249.

5. Ляшенко С.А. Результати досліджень впливу роботи основних вузлів зернозбирального комбайну “Дон-1500” на умови праці комбайнера // Тракторная энергетика в растениеводстве. - Харьков: - ХГТУСХ. - 2000. - С.212-216.

6. Гряник Г.Н, Ляшенко С.А. Совершенствование методов диагностики вращающихся узлов силосоуборочных комбайнов типа КСС-2,6 на примере имельчающего барабана // Совершенствование технологических процессов и рабочих органов сельскохозяйственных машин. – Москва: МИИСП.- 1986.- С.80-83.

7. Гряник Г.Н, Ляшенко С.А. Выбор параметров, определяющих процесс диагностирования измельчающих барабанов силосоуборочных комбайнов типа КСС-2,6 // Механизация работ в полеводстве. – Москва: МИИСП. - 1986. - С.64-68.

8. Авторское свидетельство № 1559256 “Способ определения зазора подшипников ротора” Госкомизобретений СССР, 1990. С.А. Ляшенко, Г.Н. Гряник, Н.В. Бакум, С.П. Никитин.

АНОТАЦІЯ

Ляшенко Сергій Олексійович. Математичні моделі роторів у системах діагностики обертаючих вузлів сільськогосподарських машин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.02 - математичне моделювання та обчислювальні методи.- Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2002.

15

Дисертація присвячена питанням розробки математичних моделей роторів для використання їх в системах діагностики сільськогосподарських машин.

Побудована та досліджена математична модель коливальної системи “комбайн-ротор-людина”, аналіз якої дозволив встановити залежності параметрів коливань та їх вплив на оператора. Запропонована математична модель ротора, що враховує прогинання та нерівномірність його обертання. Розроблено зручні регресійні моделі врівноваженості роторних механізмів, на базі яких створено прогнозні моделі. Для оцінювання параметрів таких моделей запропоновано алгоритм, який забезпечує одержання незміщених оцінок. Розроблено математичні моделі роторів, що враховують не стаціонарність їх характеристик. Розроблено спосіб, технічні засоби та лабораторну установку, які забезпечують всебічне дослідження параметрів вібрації роторних механізмів, що дозволяє більш ефективно проводити діагностування та обґрунтовано визначати строки чергового ремонту обладнання. На численних прикладах доведено ефективність запропонованих в дисертації рекомендацій.

Ключові слова: модель, ротор, алгоритм, вібрація, неврівноваженість, діагностування, прогнозування.

Аннотация

Ляшенко Сергей Алексеевич. “Математические модели роторов в системах диагностики вращающихся узлов сельскохозяйственных машин” - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 01.05.02 - математическое моделирование и вычислительные методы.- Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2002.

Диссертация посвящена вопросам разработки математических моделей роторов, методов и технических средств получения информации о техническом состоянии роторных механизмов с целью использования их в системах диагностики вращающихся узлов сельскохозяйственной техники.

Разработана математическая модель колебательной системы “комбайн - ротор - человек”, исследование которой позволило установить зависимости параметров колебаний от частоты вращения молотильного барабана и от величины неуравновешенности роторных барабанов и определить значение виброускорения на рабочем месте оператора. Анализ полученных результатов показал, что неуравновешенность роторных барабанов приводит, во-первых, к увеличению уровня колебаний, шума и вибрации, отрицательно сказывающихся на здоровье оператора, во-вторых, к снижению сроков службы механизмов.

16

С использованием известных положений теоретической механики разработана обобщенная математическая модель ротора, представленная уравнением равновесия сил и равновесия масс и учитывающая такие важные факторы как прогиб и неравномерность его вращения. Сделан вывод о том, что хотя данная модель адекватно отражает свойства ротора, она является достаточно сложной и неудобной для решения задачи диагностирования. Разработаны регрессионные диагностические модели уравновешенности роторных барабанов в подшипниковых узлах методом планирования эксперимента.

Для исследования полученных моделей разработан пакет программ, являющийся достаточно универсальным и требующий незначительного количества изменений при переходе от одного набора экспериментальных данных к другому или от одной регрессионной модели к другой.

Исследование данных моделей показало их эффективность при анализе стационарных и квазистационарных режимов работы механизмов.

Проанализирован наиболее широко используемый в настоящее время подход оценивания нестационарных параметров при неизвестном законе их дрейфа, в основе которого лежит рекуррентный МНК с экспоненциальным взвешиванием информации. Показано, что существует большой произвол в выборе параметров взвешивания, так как формализовать этот процесс не удается

вследствие необходимости наличия большого объема дополнительной информации. Эффективность простой рекуррентной настройки параметра взвешивания подтверждена результатами экспериментального построения нестационарной модели уравновешенности роторных барабанов.

Разработана прогнозная модель неуравновешенности роторных барабанов, включающая помимо компонентов множественной регрессии еще и авторегрессионые компоненты. В связи с тем, что задача определения параметров такой модели усложняется вследствие возникновения корреляции между возмущениями, разработан алгоритм идентификации, представляющий собой модификацию МНК и использующий в качестве весовой матрицу, элементами которой являются оценки матрицы ковариаций возмущений.

Разработаны математические модели роторов, учитывающие нестационарность их характеристик. Показано, что эффективность таких моделей зависит от наличия априорной информации о виде и характере дрейфа. Подробно исследована полиномиальная аппроксимация дрейфа, а также представление его регрессионной моделью, коэффициенты которой в свою очередь аппроксимируются алгебраическими полиномами, что обеспечивает адекватное отражение свойств роторных механизмов в нестационарных условиях.

17

Проведен анализ существующих методов получения диагностической информации о состоянии роторных механизмов, который показал целесообразность использования методов и средств виброакустической диагностики.

Разработан способ и реализующий его виброиндикатор дисбаланса, обеспечивающие эффективное диагностирование роторных механизмов. Проведена параметрическая оптимизация виброиндикатора, позволяющая определить номиналы его электронной схемы, при которых устройство функционирует в оптимальном режиме.

Показано, что используя различные характеристики вибросигнала, с помощью данного устройства можно определить не только величину неуравновешенности, но и радиальный зазор в подшипниковых узлах.

Разработана лабораторная установка, реализующая разработанные методы, алгоритмы и технические средства, обеспечивающая всесторонний анализ параметров вибрации роторных механизмов. Исследования с помощью различных режимов работы комбайнов позволили установить, а также определить факторы, оказывающие наибольшее влияние на повышение этих уровней. Кроме того, использование виброиндикатора дисбаланса позволило получить зависимости вибросигналов от различных факторов, что обеспечивает более эффективное диагностирование и более обоснованный выбор сроков очередного ремонта оборудования.

Результаты исследований были использованы при диагностировании сельскохозяйственной техники в ОАО “Изюмское РТП” и в учебном хозяйстве “1 Мая” при ХГТУСХ.

Ключевые слова: ротор, неуравновешенность, вибрация, модель, алгоритм, диагностирование, прогнозирование.

Abstract

Lyashenko Sergey Alekseyevich. “The mathematical models of rotors the systems of the diagnosis of the revolving of agricultural machines” – Manuscript.

Thesis for a candidate degree of technical sciences on specialty 01.05.02 – mathematical modeling and computing methods. – Kharkiv national university of radioelectronics, Kharkiv, 2002.

The thesis is dedicated to the question of developing the mathematical models of rotors for their application in the systems of the diagnosis of agricultural machines.

There has built the mathematical model of the oscillatory systems “combine-rotor-man”, the analysis of which enabled to establish the dependencies of oscillatory parameters and their influence upon the operator. The mathematical model of the rotor is offered, which allows for the flexure and irregularity

18

of its rotation. There have been offered handy regressive models of the balance of rotor mechanisms, on the basis of which the forecasting models have been developed. For the estimation of the parameters of such models there has been offered an algorithm, which makes for the receiving of unbiased estimators. There have been developed the mathematical models of rotors, which allow for a not stationary state of their characteristics. There have been developed a method, technical means and a laboratory plan, which provide all-round research of the oscillatory parameters of rotor mechanisms, which enable to diagnose more effectively and to soundly specify the terms of the regular equipment maintenance. The effectiveness of the recommendations offered in the thesis has been proved on numerous examples.

Keywords: rotor, instability, vibration, model, algorithm, diagnosing, foreca-sting.

Відповідальний за випуск: С.І.Васильєв

Підписано до друку Формат паперу 6084 1/16 Папір офсетний

29.06.2002р Обл.- вид.ар.

Віддруковано на ризографі Зам. № 28/2002 Обсяг 1,0 друк. арк.

ТR1510 № 80654645 від 1.07.2002 Тираж 100 прим.

__________________________________________________________________

Адреса редакції та поліграф підприємства

61002, м. Харків, вул.. Артема 44, кім.101

__________________________________________________________________

Навчально-методичний центр по заочній формі навчання

У закладах освіти 3-4 рівнів акредитації аграрного профілю