ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ ПОДХОД К РЕКОНСТРУКЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ ОБОРОНПРОМА

Анатолий Алексеевич Сперанский,
в.н.с. РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина
Константин Львович Захаров,
к.ф.-м.н., гл. конструктор НПП "Векторные системы"
Дмитрий Владимирович Малютин,
научный руководитель НПП "РЭМ-вибро"

(Окончание. Начало в № 1, 2 – 2009)

 

Инновационные решения для достоверного мониторинга деформационных полей

На рубеже XXI века, в связи с практической реализацией идеи создания векторных 3D-фазочувствительных метрологических средств и инновационным прогрессом компьютерных технологий, появилась прорывная возможность достоверной пространственной реконструкции контурного анизотропно-прочностного динамического портрета, отражающего текущее состояние эксплуатационного ресурса прочности. Возникла возможность прямым методом оценивать напряженно-деформированные состояния и вибрационно-диагностические параметры объектов мониторинга. С появлением векторных средств достоверного виброакустического мониторинга в механическом диапазоне частот укрепилось понимание несовершенства и низкой информативности скалярных измерений. Соединение методов векторно-фазового анализа с теорией информации, инфодинамикой и синергетикой открывает в многомерном пространстве фундаментальные инновационные возможности экосистемного подхода к управлению природно-техническими системами.

Векторные 3D-вибропреобразователи представляют собой трехкомпонентные средства измерений с одним чувствительным элементом и позволяют воспроизводить наиболее полный образ волнового поля линейных механических колебаний каждой вибрирующей точки объекта мониторинга. Полнота информации состоит в универсальной способности приемника регистрировать в любой измерительной точке во всем спектре измеряемых частот проекции амплитуды и фазы, определять текущее направление векторов распространяющихся линейных колебаний. Информацию векторных датчиков можно считать достоверной в связи с полной синхронностью измерения всех компонентов векторов и практическим отсутствием поперечной чувствительности (в общепринятом понимании).

Для достоверного измерения полных механических колебаний авторами разработаны способ и конструкция 6D-вибропреобразователей (приемников). Конструкция представляет собой шестикомпонентное средство измерений с тремя ортогонально расположенными парами чувствительных элементов с общей измерительной точкой.

Сигналы с трех попарно параллельных чувствительных элементов приемника, расположенных на взаимно ортогональных плоскостях датчика, подаются на суммирующие и вычитающие устройства. При этом происходит разделение компонентов вектора поступательного и вектора вращательного колебательных ускорений, образующих бивектор. В плоскости XY закреплены зеленые пластины, в плоскости XZ - красные пластины, в плоскости YZ - синие пластины. Поляризация противоположных пьезопластин, образующих измерительную пару, совпадает по направлению. Приемник по всем трем координатам работает идентично, поэтому рассмотрим его работу в направлении одной из осей. Один из вариантов расположения чувствительных элементов - пластин синего цвета, измеряющих линейные колебания в направлении оси Z и вращательные колебания вокруг оси Y – разнесенное расположение в горизонтальной плоскости.

Приемник работает следующим образом. При воздействии на приемник поступательных колебаний вдоль оси Z пьезопластины, расположенные в горизонтальной плоскости, 1 и 2 начинают изгибаться за счет инерции собственной массы в одну сторону, противоположную направлению движения корпуса приемника. Изгиб пьезопластин вызывает появление электрических сигналов одинаковой полярности на электродах. Сигналы одинаковой полярности +D_пост1 и +D_пост2, пропорциональные поступательному движению датчика, после усиления предварительными усилителями УС подаются на сумматор. В этом случае, при линейной вибрации датчика вдоль оси Z, сигналы на сумматоре будут синхронно складываться с удвоенной чувствительностью по отношению к чувствительности пластин 1 и 2 по отдельности, а измерение составит величину +2D_пост.

При воздействии на Z-приемник вращательного движения вокруг оси Y пластины 1 и 2 из-за плеча будут изгибаться в противоположных относительно оси Z направлениях. Изгибные колебания вызывают на пластинах образование равных сигналов противоположного знака. Разнополярные сигналы -D_вращ1 и +D_вращ2, пропорциональные вращательному движению датчика, после усиления предварительными усилителями УС подаются одновременно на сумматор и устройство вычитания сигналов, при этом получаем следующий результат: сигнал на выходе сумматора будет равен нулю, а сигнал на выходе устройства вычитания удвоится. В этом случае, при крутильных колебаниях датчика относительно оси Y разнополярные сигналы Z-приемника будут синхронно вычитаться с удвоенной чувствительностью по отношению к чувствительности пластин 1 и 2 по отдельности, а измерение составит величину ±2D_вращ.

Таким образом, при одновременном поступательном и вращательном колебательных движениях приемника на выходе сумматора измеряется сигнал, пропорциональный поступательному движению датчика в направлении оси Z, а на выходе устройства вычитания измеряется сигнал, пропорциональный вращательному движению датчика относительно оси Y. По двум другим осям (Y и X) приемника работа происходит аналогично.

Приемник, воспроизводя в спектре и во времени упорядоченную пару векторов пространства с общим началом в измерительной точке, называется бивекторным и позволяет воспроизводить наиболее полный образ волнового поля полных линейно-вращательных механических колебаний каждой измерительной точки объекта мониторинга.

Исследовательские приложения и сравнительные испытания показали, что векторные датчики являются вершиной инновационного айсберга и первым этапом триединой универсальной интеллектуальной информационной технологии (табл.).

I. Метрологические векторные средства достоверного мониторинга пространственных параметров механических систем, реализующие инновационный принцип измерения.

Практические исследования и сравнительные испытания убедительно показали, что информационно-диагностические возможности бивекторных 6D-вибропреобразователей с рабочим диапазоном частот от 10-1 до 102 Гц (низкие частоты) и векторных 3D-вибропреобразователей на одном чувствительном элементе с рабочим диапазоном частот от 10 до 104 Гц (средние и высокие частоты) концептуально универсальны и по достоверности измерений превосходят возможности любых комбинаций скалярных одноканальных датчиков. Полнота информации реализуется в способе и состоит в универсальной способности одновременно регистрировать в любой измерительной точке во всем спектре измеряемых частот проекции амплитуд и фаз как линейных, так и вращательных колебаний, определять текущее направление бивекторов распространяющихся колебаний. Информацию бивекторных датчиков можно считать достоверной в связи с полной синхронностью измерения всех компонентов бивекторов в рабочем диапазоне частот.

II. Программно-аппаратный комплекс сбора, обработки и пространственно-временной реконструкции (визуализации) волновых параметров деформационных полей (ПАК-РДП).

В связи с уникальностью отечественных 3D-векторных и 6D-бивекторных метрологических средств, следует отметить, что аналогичные зарубежные программно-аппаратные комплексы (Bruel&Kjer, Дания; Endevco, Аgilent Technologies, National Instruments, США; и др.) используют информацию только скалярных средств измерения и принципиально не позволяют воспроизводить достоверно тензорные образы деформационных полей. Освоено производство векторно-фазовых измерительных каналов в составе векторных пьезоэлектрических вибропреобразователей или бивекторных биморфных приемников и автономных или встроенных усилителей-преобразователей с аналоговым или USB-цифровым выходом. На основе векторно-фазовых измерительных каналов разработан ряд прикладных программно-аппаратных комплексов реконструкции деформационных полей (ПАК-РДП).

III. Метод многомерной реконструкции динамических контурных характеристик диагностических параметров.

В основе запатентованного метода фундаментальное теоретическое обоснование, алгоритмы и программное обеспечение, реализующие векторно-фазовый способ мониторинга машин и сооружений; технический результат, достигаемый в заявленном способе мониторинга машин и сооружений, заключается в выявлении через размеры и форму пространственного годографа деформаций таких свойств (или дефектов) конструкции машины или сооружения, как механическая анизотропия, напряженное или деформированное состояние, и, соответственно, выявление анизотропии прочности или упругости, характеризующих податливость конструкции. Дополнительными техническими результатами являются определение значений анизотропии в частотном спектре и их распределение на контурной поверхности или в объеме конструкции объекта мониторинга.

Есть основания полагать, что векторные вибропреобразователи механических колебаний и мобильные комплексы реконструкции деформационных полей являются разработкой мирового уровня, обладающей совместимостью с целями международной системы стандартизации и соответствующей общепринятым техническим регламентам. Имеются предпосылки инновационной перспективности волновых приложений:
- метод многомерной реконструкции динамических контурных и полевых характеристик эксплуатационного ресурса прочности машин и сооружений, а также идентификационных образов сплошных физических сред;
- метод оценки эксплуатационного ресурса прочности машин и механизмов "по текущему состоянию" на основе законов теоретической механики и многомерной реконструкции динамических контурных характеристик;
- метод оценки текущего эксплуатационного ресурса прочности сооружений на основе законов строительной механики и многомерной реконструкции динамических контурных и волновых полевых характеристик;
- метод многомерной реконструкции идентификационных образов сплошных физических сред на основе законов акустики и многомерной реконструкции волновых полевых характеристик.

Полевый подход приводит к множеству принципиально новых, порой неожиданных результатов, к пониманию природы деформационных процессов механических систем, позволяющему достоверно оценивать эксплуатационный ресурс прочности и техногенную безопасность среды обитания.

Многообразие виброакустических полей окружающей среды привело к тому, что требования, предъявляемые к метрологическим средствам, стали настолько индивидуальными, что ни о какой универсальной аппаратуре, пригодной для всех случаев, не может быть и речи. В то же время, для практических научных исследований и решения прикладных задач оказывается необходимым и целесообразным применение фундаментальных методов и универсального аппарата векторно-фазовой реконструкции волновых параметров деформационных полей.

Новая парадигма техногенной безопасности среды обитания

Парадигма техногенной безопасности среды обитания объединяет в рамках единых понятий, философии и методологии научные взгляды и практические представления об эксплуатационном ресурсе прочности механических систем - сооружений, конструкций и агрегатов. Следует выделить две физические парадигмы оценки свойств механических систем: господствующую в мировой инженерной практике скалярную, основанную на измерениях спектра амплитуд вибрации одноканальными измерительными средствами, и полевую, основанную на пространственной реконструкции векторно-фазовых волновых параметров деформационных полей. Рассмотрим сравнительные возможности парадигм подробнее.

Важнейшим подтверждением метрологической эффективности полевого подхода иллюстрирует фрагмент полученной сравнительной информативности скалярного и векторного-фазового методов измерения параметров пространственных виброакустических полей на силовых установках ГПА компрессорных станций ОАО "Газпром".

Впервые практически реализована теоретическая идея использования в качестве диагностического параметра пространственных эллипсоидов деформаций Коши. Пространственно-временная выборка мгновенных деформаций измерительной точки в заданном диапазоне частот воспроизводит пространственный тор с эллиптическими осями, характеризующими податливость конструкции. Наглядно показано, что полевая реконструкция существенно изменяет представление о величине и направлении вектора диагностического параметра: отличие величин мгновенных значений вектора от соответствующих проекций на измерительную ось штатного скалярного датчика составляет 1,5…4 раза, а в особых точках частотного спектра достигает от 4 до 20 раз.

Оси пространственных эллипсоидов позволяют прямым способом оперативно наблюдать анизотропно-прочностные свойства объекта при диагностике и оценке эксплуатационного ресурса "по текущему состоянию". Большая ось эллипсоида позволяет позиционировать в пространстве направление математического ожидания максимальной реакции измерительной точки на источник механического воздействия выбранной частоты. Практически доказано, что на всех эксплуатационных режимах, особенно таких динамически напряженных, как запуск и разбег силового агрегата, регламентированное направление измерительной оси скалярного датчика, задаваемое разработчиком исходя из идеализированного представления о прочностной модели системы, значительно расходится с направлением максимальной анизотропии прочности деформационного поля объекта.

В качестве современного научного взгляда на прочность и безопасность среды обитания получила развитие полевая механика, трансформирующая используемое в физике вспомогательное математическое понятие "поле" в понятие "полевая среда", под которой понимается реальная физическая сущность, подверженная сложной динамике физического взаимодействия материальных объектов механических систем. Полевая механика опирается на общие принципы МСС, в согласии с которыми полевая среда не может появляться из ничего и исчезать в никуда (принцип непрерывности), возмущения из одной области полевой среды в виде волн передаются в соседние области (принцип близкодействия) и деформационные реакции полевой среды представляют собой суперпозицию реакций на спектр механических воздействий. Новая полевая парадигма векторно-фазовой анизотропно-прочностной параметрической диагностики деформационных полей в глобальной негэнтропийной основе механических систем занимает центральное место в мониторинге этих систем.

Полевая механика демонстрирует множество приложений, когда вместо сомнительной статистической интерпретации результатов косвенных измерений существует более простое и естественное объяснение, не требующее привлечения дополнительных постулатов и громоздких построений.

Таким образом, сложилась полевая парадигма оценки механических систем, объединяющая физические понятия и представления о волновых полях механических систем, концепцию тензорного преобразования механических воздействий в диагностические параметры контурных деформационных полей и методологию многомерной пространственно-временной реконструкции анизотропно-прочностных свойств для достоверной оценки текущего эксплуатационного ресурса прочности и прогноза безопасной эксплуатации. Новая информационная технология может позиционироваться как полевая механика, а системный подход представляется не столько количественным, сколько качественным шагом в понимании накопленных знаний о волновых полях.

Полевая механика - это новый подход к пониманию природы прочности и безопасности среды обитания. Полевая механика выделяет несколько общих принципов динамики полевой среды, в частности, принцип непрерывности, в согласии с которым полевая среда не может появляться из ничего и исчезать в никуда, принцип близкодействия, по которому возмущения из одной области полевой среды в виде волн передаются в соседние области, а также принцип суперпозиции, имеющий важнейшее значение как для понимания собственно деформационных реакций полевой среды, так и для метрологических преобразований диагностических волновых параметров полевой среды. Механизм взаимодействия материальных точек посредством полевой среды математически описывается в рамках полевого уравнения движения, которое и является ядром полевой механики. По сути, это самостоятельная ветвь физической науки, обладающая своими собственными философией, методологией, программированием и математикой. При этом компьютерные технологии, используемые для реконструкции и визуалазации полей, ни влиять на физику процессов, ни подвергаться их влиянию не могут. В полевой механике приобретают новый смысл такие важные понятия, как колебания и время, пространство и фаза, спектральное взаимодействие и тензорное преобразование анизотропно-деформационных полей. Новая парадигма отражает единообразный порядок и познаваемость, логичность и гармонию, практический смысл и достоверность, высокую информативность и наглядность, фундаментальный характер и универсальность приложений. Фактически это вторая часть научно-технической революции, которая должна была произойти еще столетие назад и перевести эмпирическую скалярную виброметрию на новый качественный уровень адекватного природе представления о динамике деформационных полей. Таким образом, в рамках полевой парадигмы предложен инновационный метод, претендующий на роль прорывной информационной технологии безопасности, фундаментальный и универсальный для всех областей машиностроения и строительства.

Полевая философия во многом способствует восприятию единого целостного устройства и гармонии среды обитания - окружающего нас механического мира. А сам мир несет в себе разумное и объяснимое содержание. Поэтому полевый подход и приводит к множеству принципиально новых, порой неожиданных результатов, к пониманию природы деформационных процессов механических систем, позволяющему достоверно оценивать эксплуатационный ресурс прочности и техногенную безопасность среды обитания.

Полевая парадигма реализует современный высокотехнологичный параметрический подход для достоверных исследований прямым анизотропно-прочностным методом параметров волновых деформационных полей и никоим образом не является альтернативой традиционно существующим методам вибродиагностики и дефектоскопии.

Области эффективных приложений реконструкции деформационных полей

Мониторинг деформационных полей, помимо целевой функции обеспечения техногенной безопасности, включает широкий круг задач оценки, распознавания и идентификации виброакустических характеристических свойств и признаков природных сред, динамических объектов и механических систем. По механизму реакции на воздействия возмущающих факторов и свойств можно выделить принципиально разные классы природных, технических и иных объектов и систем, представляющих опасность для жизнедеятельности человека:
- динамические агрегаты и механизмы, преобразующие энергию в движение и наоборот по законам теоретической механики: двигатели, турбины, компрессоры, генераторы, насосы и иные силовые установки в авиации, транспортировке топлива, энергетике, на транспорте, в тяжелом машиностроении;
- силовые статические конструкции, предназначенные для преодоления пространственно-временных статических и динамических природно-технических воздействий по законам строительной механики: несущие нагруженные конструкции зданий и сооружений, фундаменты, опоры, мосты, причалы, вантовые конструкции, метро, монорельсовые и скоростные магистрали, трубопроводы, тоннели, взлетные полосы и т.п.;
- гидроакустические системы водных объемов и биорезонансные объекты биологических систем, взаимодействующие с механическими системами по законам гидроакустики в морях, озерах, реках, а также гидротехнические аппараты и транспортные средства, подводные объекты, ткани и органы живых организмов;
- природные объекты Земли, подверженные геологическим процессам природного и техногенного характера по геодинамическим законам инженерной геологии: разломы и горные массивы, почвы и грунты, природные залежи, шахты, проходки, скважины, транспортные и другие техносферные компоненты природно-технических систем;
- воздушные объемы среды обитания, воздействующие на человека по законам акустики в помещениях зданий, автомобильных и воздушных транспортных средствах, акустических камерах, воздушных соплах и компрессорах, вентиляторных, ветровых и баллистических установках, аэродинамических конструкциях;
- эксплуатационные испытания и метрологические исследования композитных материалов и наноструктур по законам прочности в области материаловедения.

Приведенные перспективные области приложений инновации свидетельствуют о том, что фундаментальные методы и универсальный аппарат векторно-фазовой реконструкции волновых параметров деформационных полей могут быть основой для практических научных исследований и решения прикладных задач во всех техногенно-опасных областях среды обитания.

Заключение

Механика обладает огромными возможностями познания мира и является методом исследования Природы, а не теорией каких бы то ни было конкретных явлений. Ни один из фундаментальных постулатов механики принципиально не может быть ни установлен, ни опровергнут опытным путем, поэтому возможные приложения механики совпадают с пределами применимости классической логики. Механика является фундаментальной наукой первых принципов, применимых к описанию всех феноменов как природных, так и техногенных. Назревает научно-прикладное вторжение рациональной механики в ранее недоступные для нее области физики, включая электричество, магнетизм и атомную физику.

Очевидно, что, принимая ответственные решения в отношении создания, эксплуатации и реконструкции новой, прежде всего оборонной, техники и природно-технических систем, нужно руководствоваться не сиюминутной рыночной ситуацией, а научно обоснованной мотивацией стратегической перспективы национальных интересов в сфере техногенной безопасности. На реализацию системного универсального подхода в задачах обеспечения техногенной безопасности и ориентирована прорывная инновационная информационная технология - волновая векторная виброакустическая метрология.

Литература

1. Иориш Ю.И. Виброметрия. М., ГНТИМЛ, 1963.
2. Гордиенко В.А., Ильичев В.И., Захаров Л.Н. Векторно-фазовые методы в акустике. - М.: Наука, 1989.
3. Жилин П.А.  Векторы и тензоры второго ранга в трехмерном пространстве. СПб.: СПбГПУ, 1992.
4. Лийв Э.Х. Инфодинамика. Обобщeнная энтропия и негэнтропия. - Таллинн, 1998.
5. Сперанский А.А., Малютин Д.В., Вагин В.В. Волновое фазочувствительное преобразование пространственных деформаций механических полей в задачах обеспечения национальной техногенной безопасности. Интеграл, № 12, 2006. С. 62-64, № 1, 2007. С. 66-68.
6. Малютин Д., Сперанский А. Векторная виброметрия - инструмент техногенной безопасности. Нефтегазопромысловый инжиниринг, № 3, 2005. С. 10-15.
7. Zhilin P.A. A New Approach to the Analysis of Free Rotations of Rigid Bodies. ZAMM Z. Mech. 76 (1996), 4.
8. Мейз Дж. Теория и задачи механики сплошных сред. - М.: ЛКИ, 2007.
9. Левитский Д.Н., Малютин Д.В., Сперанский А.А. Новый тип средств измерения виброускорения для достоверного пространственного мониторинга. // Известия ВУЗов, Нефть и газ, № 4, 2006. С. 87-95.
10. Цернант А.А.. Экосистемные основы безопасности инженерно-строительной деятельности. // Транспорт: наука, техника, управление. № 9, 2005. С. 7-12.
11. Цернант А.А., Сперанский А.А., Кобяков И.Б., Малютин Д.В. Векторный вибромониторинг - инструмент объектной волновой томографии в строительстве. БСТ, № 12, 2006. С. 52-64.
12. Левитский Д., Сперанский А., Морозов О., Вишняков С., Захаров К., Малютин Д. Инновационные возможности программно-аппаратной реконструкции деформационных полей для диагностического мониторинга силовых агрегатов газотранспортных систем. // Двигатель, № 2, 2008. С. 24-26.
13. Репченко О.Н. Полевая физика или как устроен Мир. М.: Галерия, 2005.