Колот Олександр Володимирович. Наукові основи підвищення ефективності системи приводів шляхом врахування стохастичності їх характеристик : дис... д-ра техн. наук: 05.02.03 / Національний технічний ун-т "Харківський політехнічний ін-т". - Х., 2005.
Анотація до роботи:
Колот Олександр Володимирович. Наукові основи підвищення ефективності системи приводів шляхом врахування стохастичності їх характеристик - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.03 – "Системи приводів". – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут". – Харків, 2005.
Створено наукові основи підвищення ефективності системи приводів. Підвищення ефективності здійснено шляхом врахування наявності випадкових змін характеристики гідроприводу, як складової частини системи приводів.
Виконано обґрунтування стохастичних змін характеристики приводу. Доведено, що причиною випадкових змін характеристики є особливості робочих процесів, зокрема це деформативні процеси робочої рідини, в якій присутнє нерозчинене повітря у вигляді дрібнодисперсної газової фази. Стохастичними гідродинамічними процесами є турбулізація, відривні і кавітаційні явища в рідині та інші.
Встановлено наявність випадкових змін стохастичних динамічних характеристик окремих гідросистем та системи приводів.
Випадкові зміни характеру системи приводів розглянуті на конкретних прикладах приводів стендового обладнання для діагностичних випробувань гідравлічних амортизаторів.
Виконано детальний аналіз об’єкта випробувань. Розглянуто ряд конструкцій амортизаторів залізничних вагонів та вагонів метрополітену. Обґрунтовано вибір типового гідравлічного амортизатора і розроблена його імітаційна модель. Виконано імітаційне математичне моделювання процесу стендових діагностичних випробувань гідравлічних амортизаторів. При цьому враховано стохастичні зміни статичних і динамічних характеристик системи електро- та гідроприводів стендового обладнання та гідравлічного амортизатора. Врахування випадкових змін характеристики дало можливість суттєво збільшити обсяг інформації, одержаної в результаті діагностичних випробувань амортизаторів та підвищити її достовірність. Для цього розроблені спеціальні методи спектрального аналізу результатів діагностичних випробувань амортизаторів.
Розроблені та адаптовані для опису стохастичних параметрів системи приводів методи аналізу і синтезу випадкових процесів, які дозволяють описати його специфічні характеристики, а саме: 1) показники стабільності роботи, 2) параметри точності при випадкових збуреннях, 3) випадкові зміни його дисипативних і жорсткісних параметрів при циклічному русі виконавчого механізму (штока гідроциліндра).
Встановлено, що причинами випадкових змін параметрів гідропривода, як складової частки системи приводів, є специфічні робочі процеси, які визначають закономірності перетворення і дисипації енергії. Головними процесами, які вносять вклад у формування стохастичних змін параметрів є: 1) процеси деформації робочого середовища по причині включень нерозчиненого повітря, 2) забруднення рідини і пов'язані з цим явища облітерації малорозмірних каналів, 3) вихрові та відривні явища в проточній частині гідропривода, 4) кавітаційні та хвильові процеси, зокрема гідроударні. Основними процесами, які визначають стохастичні характеристики гідропривода, є турбулентність та динамічні перехідні явища, які супроводжують зміни режимів руху рідини. Обґрунтовано наявність суттєвих випадкових змін дисипативних параметрів гідроcистем, що обумовлено зокрема турбулентним рухом рідини в трубопроводах та перехідними режимами в агрегатах гідропривода. Для експериментального визначення випадкових змін дисипативних параметрів гідроcистем доцільно використати експериментальні методи. При цьому гідроcистемa оснащається спеціальною апаратурою, що включає диференціальний манометр і пристрої виміру витрати на даній ділянці гідросистеми. Встановлено, що випадкові зміни перепаду тиску на гідролінії знаходяться в діапазоні близько 0,07 МПа при номінальних перепадах тиску на гідролінії 0,1..0,4 МПа.
Системи приводів та його елементи мають випадкові зміни своїх характеристик. Статичні характеристики змінюються як випадкові величини. Закони розподілу випадкових змін статичних характеристик визначаються особливостями елемента приводу. В більшості випадків закон розподілу можна вважати нормальним. При цьому математичне сподівання випадкових змін характеристики в точці відповідає номінальному значенню характеристики, а середньо квадратичне відхилення (стандарт) складає 1..2% від номінального значення характеристики. Динамічні характеристики змінюються як системи взаємозалежних (корельованих) випадкових величин та системи випадкових процесів. Вони характеризуються двомірними і багатомірними законами розподілу. За виключенням особливих випадків має місце двомірний нормальний закон розподілу. При цьому динамічні характеристики системи приводів (перехідні і частотні) утворюють смуги своїх ймовірних значень із відповідними розсіяннями і математичними сподіваннями. Діапазони випадкових змін їх динамічних характеристик складають 4..10%.
Для розрахунку випадкових змін статичних і динамічних характеристик складових частин системи приводів рекомендовано використати спеціальні методи, які полягають в синтезі базових випадкових параметрів гідропривода і електропривода у вигляді масивів випадкових величин або випадкових процесів і подальшому визначенні випадкового поля вихідних параметрів гідропривода і електропривода шляхом математичного моделювання. В результаті знаходяться діапазони випадкових змін вихідних параметрів та їх статистичні характеристики. Застосування запропонованих методів дозволяє суттєво підвищити точність і надійність визначення вихідних параметрів гідропривода і є основою для суттєвого підвищення ефективності його застосування, зокрема у гідрофікованих випробувальних машинах циклічної дії, якими є стендове обладнання для діагностичних випробувань гідравлічних амортизаторів.
Для визначення впливу статичних і динамічних характеристик електропривода гідро розподільника на характеристики стендового обладнання для діагностичних випробувань гідравлічних амортизаторів, розроблена динамічна модель системи кроковий електродвигун – гідро розподільник, на підставі якої описані динамічні процеси в електроприводі. Шляхом математичного моделювання обчислені випадкові елементи опору електропривода та враховані випадкові зміни його параметрів, що дозволило зменшити високочастотні коливання ротора крокового двигуна за рахунок зміни маси інерційного демпфера.
В результаті детального аналізу конструктивних особливостей гами гідравлічних амортизаторів встановлено, що зниження їх ефективності в процесі експлуатації є наслідком дії багаточисельних факторів випадкового характеру. Вони проявляються як раптовими (різко змінними) порушеннями регламентованих режимів роботи основних вузлів амортизаторів, так і постійними, порівняно невеликими, випадковими змінами їх характеристик. Визначено вплив випадкових змін параметрів гідравлічної системи амортизаторів на загальні показники ефективної їх роботи. Встановлено якісний і кількісний зв’язок паспортних параметрів амортизатора із випадковими змінами характеристик окремих гідроагрегатів.
Встановлено, що основними деталями амортизатора, які зношуються в процесі експлуатації шток, гільза циліндра і напрямна втулка. Зношені поверхні деталей амортизатора можуть бути описані полігармонічними випадковими процесами, які допускають математичний опис у вигляді канонічного розкладу по системі ортогональних гармонічних функцій. Знос деталей амортизатора в основному впливає на витрату рідини в зазорі між штоком гідроциліндра і напрямною втулкою. При цьому витрата рідини може змінитися в 10 і більше раз. Зношення отвору напрямної втулки відбувається нерівномірно. Зношена ділянка має протяжність по куту 270…300. Загальний лінійний знос по діаметру знаходиться в межах 0,4 мм. При цьому середній діаметральний зазор від номінального значення (0,02…0,04 мм) збільшується до 0,5 мм і вище. Встановлено, що знос поверхні спричиняє виникнення конусності отвору, причому більший діаметр конуса знаходиться з боку поршня амортизатора. Величина різниці діаметрів отвору на вході і виході змінюється в межах 0,05…0,3 мм.
Розроблена замкнена стохастична математична модель автоколивальної дисипативної гідросистеми амортизатора враховує випадкові зміни характеристик його основних вузлів і дозволяє визначити основні стохастичні параметри, які характеризують процеси дисипації енергії, а також здійснити імітацію різноманітних режимів випробувань амортизатора. При цьому враховується весь комплекс факторів, зокрема умови роботи амортизатора, які пов’язані із зміною його експлуатаційних характеристик. Математична модель силової частини стенда враховує випадкові зміни параметрів привода і дозволяє розрахувати закон переміщення поршня амортизатора та його робоче зусилля в функції часу. Розрахунки відповідають експериментальним даним з точністю 5..7%.
В результаті математичного моделювання та експериментальних досліджень встановлено, що дисипація енергії суттєвим чином змінює характеристики амортизатора внаслідок зміни температурного режиму роботи основних гідравлічних пристроїв амортизатора. Різке підвищення температури на перших циклах роботи амортизатора пояснюється інтенсивним тепловиділенням і нерівномірністю розподілу температур по об’єму амортизатора. Стабілізація температури пояснюється зменшенням дисипативних сил по причині зменшення в’язкості рідини і збільшенням тепловіддачі від корпусних деталей амортизатора. Загалом термічний режим амортизатора характеризується циклічними змінами температури, причому цикли відповідають середнім періодам переміщень штока амортизатора.
Розроблене стендове обладнання дозволяє здійснити діагностичні випробування амортизаторів із визначенням інтегральних показників їх якості та визначити відповідність характеристик амортизаторів паспортним даним. Стендове обладнання оснащене гідроприводом та системою керування. Воно забезпечує режими випробування амортизатора, які відповідають реальним умовам експлуатації. Навантаження формуються із детермінованих плавнозмінних та різкозмінних складових із доповненням стохастичними збуреннями, які відповідають натурним.
Застосування методів спектрального аналізу для дослідження експериментально визначених залежностей зусилля і переміщення штока амортизатора часто дає низьку точність або приводить до збою обчислювальної процедури, внаслідок неточного визначення циклічного процесу на межах інтервалу періодичності. Основною причиною збою процедур спектрального аналізу є штучно введені в процес розриви першого роду на межах інтервалу періодичності, які є наслідком неточного визначення періоду процесу. Це приводить до високочастотних осциляцій (явища Гібса), часткових сум ряду Фур’є на межах інтервалу періодичності процесу і необхідності врахування значного числа гармонік в частковій сумі ряду. Відповідно, коефіцієнти розкладу з високими номерами мають незначні абсолютні величини, які порівняні із похибками обчислення коефіцієнтів. Внаслідок некоректності постановки задачі, стосовно нескінченного ряду Фур’є, наявність високочастотних складових, з неточно визначеними коефіцієнтами, обумовлює виникнення грубих похибок часткових сум ряду Фур’є, а в багатьох випадках приводить до розходження часткової суми ряду і збою обчислювальної процедури. З метою забезпечення надійної роботи алгоритмів спектрального аналізу запропоновано сформувати дискретну модель процесу для одного періоду (циклу) переміщення штока амортизатора. Потім узагальнити розроблену модель на два сусідніх періоди. Після цього згладити одержану дискретну модель за допомогою процедури сплайн-інтерполяції і, використавши одержану символьну модель для одного (центрального) періоду, знайти коефіцієнти розкладу циклічного процесу в ряд Фур’є і здійснити повний комплекс спектрального аналізу процесу.
В результаті спектрального аналізу експериментально визначених залежностей зусилля і переміщення штока амортизатора встановлено, що суттєвими є гармоніки з номерами 3..5. Врахування такого числа гармонік дозволило з достатньою точністю описати окремо зміну зусилля і переміщення штока в часі. Основними гармоніками даних залежностей є перші. На перших гармоніках зосереджена основна потужність (середній квадрат значення) циклічних процесів зусилля і переміщення штока. Для діагностики характеристик амортизатора встановлено, що найбільш доцільно використати полярну діаграму “сила-переміщення”, визначену експериментально, та використати розклад її складових (окремо сили і переміщення) в ряди Фур’є. врахування лише суттєвих складових розкладу є недостатнім Для забезпечення необхідної точності опису полярної діаграми врахування лише суттєвих складових розкладу є недостатнім. Для достатньо точного опису полярної діаграми необхідно врахувати 10..15 гармонік. Для виявлення особливих ділянок діаграми, зокрема точок зламу, високочастотних осциляцій та обмежень необхідно врахувати близько 100 гармонік розкладу.
Публікації автора:
Колот О.В. Оцінка впливу зносу основних деталей гідравлічного амортизатора на його характеристики. // Вестник НТУУ "КПИ" серия "Машиностроение", Киев, 2003, № 44, с.134-137.
Колот О.В. Стендове обладнання для діагностичних випробувань гідравлічних амортизаторів. // Промислова гідравліка і пневматика. Всеукраїнський науково-технічний журнал, Вінниця 2004, № 3, с. 79-83.
Колот О.В. Методика і результати експериментального визначення випадкових змін дисипативних параметрів гідропривода. // Вестник НТУУ "КПИ". Машиностроение, К:. 2004, № 45, с. 117-120.
Колот О.В. Розробка стохастичної математичної моделі клапанного вузла гідравлічного амортизатора залізничних вагонів. // Вісник Національного технічного університету „ХПІ”. Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Нові рішення в сучасних технологіях . – Харків: НТУ „ХПІ” -2005. -№9 -С. 70-77.
Колот О.В. Діагностичні випробування гідравлічних гасителів коливань на спеціальному стендовому обладнанні. // Журнал "Залізничний транспорт України". Спеціальний випуск № 3/1. Київ. 2005. –С. 154-160.
Струтинський В.Б., Колот О.В. Математичне моделювання стохастичних процесів у системах приводів. // Монографія. – Краматорськ: ЗАТ "Тираж - 51", 2005. -530 с.
Автором особисто написано 6 і 10 розділи монографії. Розділи 3, 4, 5, 7, 8 і 9 написані спільно з науковим консультантом. Дольова участь автора в написанні цих розділів 50%.
Струтинський В.Б., Даниленко О.В., Колот О.В., Дем’яненко С.К.. Алексеева А.В. Аналіз точності токарного верстата методами спектрального аналізу форми обробленої поверхні // Вестник НТУУ "КПИ". Машиностроение, Киев, 2002, № 43, т.1. С. 86-88.
Автором розроблені методи спектрального аналізу процесу.
Струтинський В.Б., Колот О.В. Імітаційне математичне моделювання дисипативних характеристик комплектних гідромеханічних систем. // Промислова гідравліка і пневматика. Всеукраїнський науково-технічний журнал, Вінниця 2003, № 2, с. 63 – 68.
Автором розроблена імітаційна математична модель дисипативних характеристик комплектних гідромеханічних систем.
Струтинський В.Б., Кравець О.М., Колот О.В., Даниленко О.В., Самі (Мохд Амін) Мохд Іхміш..Дослідження робочих процесів тертя в динамічній системі верстата методами тензорного числення. // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. Випуск № 12. Кіровоград 2003. - С. 287-296.
Автором запропоновано методику дослідження робочих процесів тертя із врахуванням стохастичних характеристик взаємодії двох поверхонь.
Струтинський В.Б., Шевченко О.В., Верба І.І., Колот О.В., Ковальов В.А., Самі (Мохд Амін) Мохд Іхміш. Визначення теплових потоків у вузлах металорізальних верстатів методами тензорного числення. // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. Випуск № 13. Кіровоград 2003. - С. 8-15.
Автором запропоновано методику визначення теплових потоків у вузлах систем приводів.
Струтинський В.Б., Верба І.І., Даниленко О.В., Дем’яненко С.К., Колот О.В. Визначення частотних характеристик металорізального верстата на основі дискретних спектрів форм перерізів заготовок та обробленої поверхні // Всеукраїнський науково-технічний журнал “Вибрации в технике и технологиях” №1 (27) 2003, с. 94-97.
Автором запропоновано методику визначення частотних характеристик системи приводів верстатів.
Струтинський В.Б., Колот О.В. Експериментальне визначення випадкових деформативних параметрів стендового обладнання для випробувань гідравлічних амортизаторів. // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Краматорськ – Київ: ДДМА, вип.№16, 2004, с. 88-96.
Автором запропоновано методику експериментальних досліджень та розроблені конструктивні рішення стендового обладнання для випробувань гідравлічних амортизаторів.
Струтинський В.Б., Колот О.В. Дем’яненко С.К. Особливості аналізу результатів діагностичних випробувань системи гідроприводу циклічної дії. // Наукові праці Кременчуцького державного політехнічного університету. Вип. 6 - Кременчуг, 2004 (29). - С. 96-99.
Автором запропоновано методику діагностичних випробувань системи гідроприводу циклічної дії.
Струтинський В.Б., Колот О.В. Застосування методів спектрального аналізу процесів при діагностичних випробуваннях гідравлічних амортизаторів. // Збірник наукових праць Кіровоградського Національного Університету. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. Випуск №15. Кіровоград, 2004.– с. 405-410.
Автором обґрунтовано методику спектрального аналізу процесів при діагностичних випробуваннях гідравлічних амортизаторів.
Струтинський В.Б., Колот О.В. Закономірність зносу основних деталей гідравлічних амортизаторів транспортних засобів. // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. Випуск № 14. Кіровоград 2004. - С. 128-137
Автором визначено характер та головні кількісні параметри зносу основних деталей гідравлічних амортизаторів транспортних засобів.
Струтинський В.Б., Колот О.В. Спектральний аналіз результатів випробувань гідравлічних амортизаторів. // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Краматорськ – Київ: ДДМА, вип.№15, 2004, с. 117-125.
Автором виконано спектральний аналіз результатів випробувань.
Струтинський В.Б., Колот О.В. Спектральний аналіз вібраційних процесів із нечітко визначеним періодом циклічності. // Всеукраїнський науково-технічний журнал „Вибрации в технике и технологиях” № 2 (40) 2005, с. 104-110.
Автором обгрунтовано проведення спектрального аналізу вібраційних процесів з нечітко визначеним періодом циклічності.
Струтинський В.Б., Колот О.В. Розробка методів спектрального аналізу процесів з нечітко визначеним періодом // Всеукраїнський науково-технічний журнал “Вибрации в технике и технологиях” №1 (28) 2005,
с. 75-83.
Автором запропоновано методику приведення процесу з нечітко визначеним періодом до строго періодичного процесу.
Колот В.О., Колот О.В., Міхєєнков Ю.С., Малиновський М.Д., Лішаєв Г.П., Плеханов В.М. Методика расчета профиля обода железнодорожного колеса. // Свідоцтво про державну реєстрацію прав автора на твір ПА № 3025 від 05.06.2000.
Автором запропонована роозрахункова схема математичного обчислення криволінійного
профіля.
Інструкція з формування, ремонту та утримання колісних пар тягового рухомого складу залізниць України колії 1520 мм. Колот В.О., Колот О. В., Малиновський М.Д., Міхєєнков Ю.С., Сергієнко М.І. Відомчий нормативний документ міністерства транспорту України. Стандартизація та сертифікація залізничного транспорту. Видання офіційне.–Донецьк: ТОВ“Либідь”,2001. – 154 с.
Автором розроблено технічне завдання і методику виконання НДР.
Спосіб діагностики гасителів коливань. Колот О.В., Колот В.О. Патент на винахід №72048, G01M17/04, опубл. Бюл. №1, 2005.
Автором запропоновані принципово нові ознаки метода діагностики гасителів коливань.
Стенд для випробування гасителів коливань. Колот В.О., Колот О.В., Міхєєнков Ю.С., Тарадай В.О. Патент на винахід № 72280, G01M17/04, опубл. Бюл. № 2, 2005 р.
Автором запропоновані принципово нові ознаки виконавчого механізму стенда.
