Часть четвертая

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАШИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ¹

19. Задачи и методы прогнозирования

Задача прогнозирования виброакустических характеристик транспортно-технологических машин на заключительной стадии проектирования может быть сформулирована как задача нахождения отклика сложной динамической системы в виде функций распределения в пространстве и времени скоростей, ускорений, сил, виброакустических мощностей и других характеристик отдельных точек системы на действие возмущающих сил различного характера в источниках. Задача прогнозирования виброакустических характеристик включает также способы регулирования этого отклика в требуемых пределах.

Прогнозирование кинематических и энергетических виброакустических характеристик транспортно-технологических машин в процессе возмущающих воздействий со стороны двигателя, узлов трансмиссии, рабочего органа и других источников возможно несколькими методами.

Во-первых, экспериментальным. Сущность его заключается в том, что отклик в отдельных точках машины в процессе выполнения типовых технологических операций регистрируется с помощью специальной аппаратуры. Данный метод позволяет решать задачу шумовиброзащиты по результатам эксперимента, но не пригоден на стадии проектирования. Кроме этого, для проведения натурных или стендовых испытаний требуются дорогостоящее оборудование и большие трудозатраты.

Во-вторых, теоретическим. При таком способе прогнозирования и оценки отклика необходимо провести идентификацию динамической системы, адекватно отражающей её поведение под действием возмущающих нагрузок. Отклик в интересующих точках системы, например в опорных связях источников возмущающих воздействий или конструктивных элементах (пол кабины, рама и др.), определяется путем решения на ЭВМ системы дифференциальных уравнений относительно кинематических и силовых параметров.

В-третьих, экспериментально-теоретическим. Этот способ основан на применении первых двух. В таком случае модель строится на основании виброакустических исследований отдельных узлов и агрегатов машины, а отклик в требуемых точках определяется расчетным путем.

В последние годы произошли значительные сдвиги в методах виброакустического расчета различных инженерных конструкций и систем. Традиционные методы расчета, базирующиеся на классических теориях, с учетом ограниченных их возможностей, уступают место современным численным методам для виброакустических исследований и проектированию сложных инженерных систем с применением мощных ЭВМ.

19.1. Системный анализ

В центре методологии системного анализа находится операция количественного сравнения вариантов, которая выполняется с целью выбора оптимального варианта, подлежащего внедрению в практику.

Система определяется заданием системных объектов, свойств и связей. Системные объекты – вход, процесс, выход, обратная связь и ограничение.

Применительно к созданию виброшумобезопасных машин как сложных системных объектов задачи могут быть интерпретированы следующим образом. Входом будем называть возбуждающие воздействия агрегатов и узлов на другие структурные составляющие, входящие в конструкцию машины. При этом возбуждающие воздействия претерпевают изменения. Выход – это результат конечного состояния процесса. Процесс переводит вход и выход. Например, в процессе передачи виброакустической энергии по конструкции происходит её излучение в пространство, рассеяние и поглощение. Связь определяет следование процессов, т.е. выход некоторого процесса в одном узле является входом в процесс в другом узле или механизме машины.

Во всякой искусственной системе существуют три различных по своей роли подпроцесса: основной процесс, обратная связь и ограничение.

Обратная связь должна позволять сравнивать параметры вибрации выхода с требуемыми, оценивать содержание и смысл различия, вырабатывать решение, формировать ввод решения и воздействовать на процесс образования и распространения вибрационной энергии с целью приближения выходного сигнала, например виброскорости к заданному. Подпроцесс ограничения должен позволять воздействие на выходной сигнал и управление системы, обеспечивая соответствие выхода системы цели, т.е. требованиям по вибрации и шума в точке приема.

Важным этапом исследования сложных систем считается этап идентификации их структуры. На основании изучения информационных источников можно идентифицировать образование, распространение и излучение виброакустической энергии на ЗТМ сложной четырехуровневой параллельно-последовательной системой (рис. 19.1). На первом уровне (А) рассматривается совокупность рабочих процессов, протекающих параллельно в двигателе, коробке передач, гидроагрегатах и механизмах, вызывающих возмущающее действие. Второй уровень иерархии (В) включает механическую подсистему в виде корпусных конструкций двигателя и других агрегатов и механизмов, которые возбуждаются от сил, возникающих при совершении рабочих процессов внутри этих агрегатов и передают возбуждение на более высокий уровень через опорные и неопорные связи. Третий уровень иерархии (С) ориентирован на интегрирование вибрационных процессов от различных источников и представляет собой пространственную рамную конструкцию. На четвертом уровне иерархии (D) рассматривается место приема вибрации – кабина.

Процессы в подсистемах А отражают рабочие процессы, происходящие в агрегатах и механизмах машины. Например, под номером 1 обозначен результат действия остаточного дисбаланса и неуравновешенности двигателя, под номером 2 – резкое возрастание давления газов в цилиндрах двигателя при сгорании рабочей смеси. Сюда могут относиться также удары в сочленениях деталей, при работе зубчатых передач, пульсации давления в гидравлических системах и другие.

Процессы В – корпусные детали агрегатов и механизмов, которые реагируют на свои внутренние воздействия и через опоры передают вибрацию далее в раму машины.

Рама машины (подсистема С) является интегрирующим процессом, так как суммирует воздействие всех узлов и агрегатов, установленных на ней. При этом объекты подсистемы В теряют свой независимый характер.

Далее выход из подсистемы С через опорные связи поступает на вход подсистемы D, представляющей собой кабину – замкнутую объемную конструкцию. Вибрация проникает в кабину через опорные связи.

Операционная система позволяет на стадии проектирования машин при расчете влиять на выходы подсистем через обратные связи. Более подробно на рис. 19.1, б показана обратная связь вибрации пола кабины с процессом и входным сигналом. Целью обратной связи является управление через модель воздействия после сравнения выходного сигнала, например виброскорости, с критерием, в качестве которого могут использоваться допустимые виброскорости по ГОСТ 12.1.012, ИСО 2372 и 2373 и др. Таким образом, модель выхода в данном случае содержит предсказанные оценки, которые определяют состояние системы, например, виброскорости пола кабины, при данном уровне характеристик - модуле упругости, жесткости, коэффициенте внутреннего трения и т.д. Цель будет достигнута, когда виброскорости пола кабины в разных направлениях пространства станут соответствовать требованиям.

Реализация данной операционной системы на практике в полном объеме возможна способом, основанном на применении метода конечных элементов.

б)

Рис. 19.1. Схема распространения вибрации и ее снижения на машине:

а) - операционная система: А – рабочие процессы в агрегатах и механизмах; В – агрегаты и механизмы;

С – рама; Д – пол кабины; б) – операции в обратной связи