litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 3
ВВЕДЕНИЕ



Обзор ранее выполненных исследований


Древо науки и нелинейных эффектов

Построение научных исследований автора этой монографии, которая подводит итоги его более чем полувековой научной работы совместно с сотрудниками, можно представить в виде «древа науки» (рис.В.1). Корни этого дерева - отрасли народного хозяйства (аграрная и промышленная), пронизывающие почву. Состав почвы: социально – политическая и экономическая обстановка в обществе, создающая своего рода питательную среду для корней. Они вбирают из этой обстановки сиюминутные и перспективные задачи, ориентируясь на финансовую поддержку и общественные интересы общества на данном отрезке исторического развития. После впитывания задач они проходят математическую формулировку (ствол дерева), математическое моделирование с целью поиска новых решений дифференциальных уравнений, свойства которых (нелинейные эффекты) дают возможность отобрать реальные полезные эффекты, могущие иметь практическое приложение.

Далее центральный ствол разветвляется на четыре (в данном случае) сросшихся боковых ствола. Первый ствол – вибрационные устройства и технологии, виброзащита. Второй – вибродиагностика, в свою очередь, разделяющаяся на линейную и нелинейную. Третий и четвертый- это соответственно кавитационные и высоковольтно - плазменные установки и технологии. От каждого ствола вырастают ветви, несущие более узкие технологии, которые могут переплетаться друг с другом, срастаясь. Таинственные процессы, которые происходят в дереве и приводят к появлению различных плодов, зависят не только от почвы, но и от атмосферы: количества солнечных лучей (признания заслуг ученого), количества дождевых осадков (денежных инвестиций), природного климата (престижности научно – исследовательских профессий) и др. Так же, как и в природных условиях, дерево и его продукты подвергаются жесткой проверке на выживаемость, соответствующая ей научная атмосфера должна предъявлять следующие требования к научному продукту.


1. Проверка на новизну (получение патента, публикация статей в журналах с междуна-

родными редколлегиями, доклады на международных симпозиумах и конференци-

ях, конкурсное получение международных грандов).

2. Экспериментальная проверка осуществимости идеи на лабораторном макете.

3. Экономическая оценка целесообразности промышленного внедрения.

4. Проверка работоспособности на полупромышленном и промышленном образцах.

5. Проведение ресурсных испытаний, получение сертификационных документов.

6. Организация и сопровождение эксплуатации.

Нет ни одного корня, ствола и ветви на древе жизни, по которому не пришлось бы двигаться, с которым бы не был связан автор и его ученики, стремясь частично или полностью соответствовать требованиям, описанным выше. В большинстве случаев для выработки инновационных предложений принимались нелинейные эффекты, как неизвестные ранее, так и уже известные. Они были получены как путем математического моделирования, так и экспериментально. Большинство технических решений, описанных в данной монографии, базируются на использовании нелинейных эффектов и, чтобы избежать монотонности, эти термины часто опускаются. На наш взгляд, нелинейный эффект определяется следующими признаками.

- Неожиданность, объективная неизвестность, инакосущность, поразительность, прогрессивность, новизна проявления на старом уровне знаний. В качестве примеров можно привести эффект появления ударных волн при преодолении самолетами сверхзвукового барьера, эффекты самосинхронизации вращающихся роторов, эффекты Тиндаля, Магнуса, Кориолиса, Рийке, Доплера и многие другие.





Рис. В.1. Древо науки.

- Высокая устойчивость в пространстве определяющих параметров и под воздейст -вием внешних возмущающих воздействий.


- Полезность в разнообразных практических приложениях, неожиданность решения практических задач, широкая сфера использования. Такими признаками обладают эффекты кавитационных, высоковольтно-плазменных, лазерных, атомных и других технологий.

- Красота и эстетическое удовлетворение от наблюдения за этими эффектами (приз -

нак не обязательный): Северное сияние, коронные разряды на линиях электропере -

дач, радуга и др.

В процессе исследований нужно заботиться не столько о накоплении любых нелинейных эффектов, сколько о проверке уверенности в их жизненности и возможности практического использования. Академик Трапезников так определяет иерархию научных результатов:

-фундаментальные научные исследования;

- открытия;

-изобретения, вытекающие из фундаментальных научных исследований;

-научные разработки;

-научно-техническая документация, научные консультации.

За рубежом получило большое распространение продажа изобретений не только внутри страны, но и за ее пределами. Промышленность изобретений в капиталистическом мире по своей прибыльности занимает 6 место среди всех отраслей промышленности. Конечный продукт научного труда может оказаться не на должном уровне, если не ставить цель завершить его изобретением. Именно поэтому при получении научных результатов большое внимание уделялось строгой государственной проверке их на новизну, т.е. патентованию.

Хотелось бы также отметить, что, на наш взгляд, наиболее интересные результаты могут быть получены не при упрощенном, абстрагированном подходе, идеализации изучаемого объекта (Мандельштам: идеализация мстит за себя). Они получаются при подходе к изучаемой системе как к сложной и по порядку решаемых дифференциальных уравнений, и по многообразию и взаимодействию эффектов различной физической природы, проявляющихся в ней. Изучая различные виды колебаний, мы, с одной стороны, наталкиваемся на поразительную общность многих закономерностей, описываемых одинаковыми по форме дифференциальными уравнениями. С другой стороны, мы находим качественно отличные эффекты, присущие явлениям различной физической природы.


Очень часто изучаемые процессы являются смешанными по своей физической природе. В них одновременно возникают как механические, так и электрические, химические, оптические и другие процессы. Следовательно, нельзя замыкаться изучением явлений только одной природы, хотя бы даже потому, что современная экспериментальная аппаратура построена на явлениях другой природы. И не только из-за этого, а и потому, что чем больше охват физических явлений, тем плодотворнее исследования и продуктивней получаемый результат.

Так, например, в рамках кавитационной технологии одновременно проявляются электрические нелинейные эффекты в источниках питания; связанные электромеханические нелинейные эффекты в электромеханических излучателях; физические, химические, механические, тепловые, гидродинамические, плазменные эффекты в кавитирующей среде; нелинейные эффекты механического разрушения обрабатываемых материалов и др. Теперь осуществим более детальное движение по стволу «древа науки».

Вопросы математического моделирования динамики сложных нелинейных систем

В монографиях [1,2,3] описана разработаная и реализованная гибридная аналогово-цифровая вычислительная
машина - ГАЦВМ [Приложение 1], позволяющая решать сложные системы нелинейных интегро-дифференциальных уравнений, описывающих динамические процессы в электромеханических системах, за пределами возможностей известных математических методов. Решающие блоки АВМ работают в звуковом диапазоне частот (200 Гц-20 кГц), чем и обеспечивается высокое быстродействие, не зависящее от порядка решаемых уравнений.

Цель математического моделирования – получение новых свойств решений этих уравнений и их последующее практическое использование. Предложено 25 методов, позволяюших решать нелинейные дифференциальные уравнения Матье-Хилла, Дуффинга, Ван дер Поля, Мейсснера, а также разнообразные нелинейные дифференциальные уравнения (уравнения изгибных, продольных и крутильных колебаний стержней с учетом физической и геометрической нелинейностей, нелинейности из-за цепных усилий, внутреннего и внешнего трения, инерции вращения и поперечного сдвига сечений; система интегро-дифференциальных уравнений, описывающих разрядно-импульсные процессы в высоковольтных плазменных технологических машинах; дифференциальные уравнения, описывающие динамику кавитационной газовой полости в жидкости и др.).


Все 25 разработанных методов признаны изобретениями и в 1990 году в Инженерно-технологическом центре Латвийской АН изготовлена малая серия таких вычислительных машин, которые были успешно внедрены в восьми научно-исследовательских организациях Латвии (Рига), России (Москва, Хабаровск, Курск, Пермь), Грузии (Тбилиси), Узбекистана (Ташкент) и Туркмении (Ашхабад).

Вибрационные устройства и технологии [3,4].

Можно утверждать, что механика существенно отстает от радиотехники в полезном использовании нелинейных колебаний. Действительно, в настоящее время промышленностью выпускается целый ряд радиоэлектронных приборов и устройств, основанных на нелинейных эффектах. К ним можно отнести автоколебательные генераторы, выпрямители, лампы тлеющего разряда, умножители, делители, параметроны, параметрические пьезотрансформаторы, нелинейные фильтры и т.д. Область использования нелинейных колебаний в механике гораздо уже, и разработки в этом направлении активно ведутся лишь в последние десятилетия.

Отбор и реализация новых свойств решений сложных нелинейных дифференциальных уравнений (нелинейных эффектов) c использованием ГАЦВМ вначале была использована в рамках вибрационных машин. Вибрационная машина, транспортный агрегат [1] рассматривались как сложные стержневые нелинейные системы с большим числом степеней свободы. Изучались их колебания при силовых, кинематических, параметрических, случайных воздействиях [19,26], включая возбуждение колебаний источниками ограниченной мощности [13].

Традиционно промышленные вибромашины использовали основной резонанс или зарезонансные режимы. Большое внимание было уделено (как и другими учеными) использованию субгармонических колебаний как при моно, так и при бигармоническом возбуждениях. Показана возможность улучшения технических характеристик вибрационных формовочных машин и вибромашин для поверхностного уплотнения бетонных смесей за счет использования асимметричных субгармонических колебаний. Этим разработанный виброуплотнитель принципиально отличается от своих аналогов, являясь улучшенным вариантом поверхностных виброуплотнителей, серийно выпускавшихся Ярославским и Одесским заводами строительных машин [Приложение 2].


Оценивалась перспектива обнаруженного эффекта управления парными обратными субгармоническими колебаниями порядка ½ для разработки управляемых реверсируемых вибраторов-транспортеров.

Предложенные управляемые субгармонические машины обладают более легким запуском в работу, обеспечивают реверсирование движения материала при вибротранспортировке за счет изменения частоты моногармонического вибровозбудителя, прошли лабораторную проверку.

Обнаружен эффект практически полного « схлопывания » зоны неустойчивости на нелинейном резонансе вибрационных машин технологического назначения за счет использования бигармонического возбуждения колебаний. Благодаря этому, вибромашина устойчиво работает на резонансе при изменении массы загрузки обрабатываемой щшы, при флуктуации частоты и напряжения сети, обеспечивает уменьшенное потребление электроэнергии и т. д. Аналогов в зарубежной технике не имеет (Приложение 3).

Бигармонический вибропривод использовался в машинах для мойки деталей автомобильных двигателей и тракторов на автокомбинате №5 г. Риги, а субгармонический виброуплотнитель изготавливался в инженерно-технологическом центре АН Латвии и эксплуатировался на строительных объектах СМУ Калининградрыбпрома, трестов Латвавтодормост и Балтморгидрострой, СМУ Госкомпрома Латвии, РСУ Латвийской АН, РСУ №38 (г. Кисловодск), совхоза «Савиениба» Рижского района и колхоза «Гулбене» Гулбенского района Латвии, комбината Ремстройдеталь (г. Рига) и др.

Изучены опасные и часто проявляющиеся параметрические колебания гибких элементов машин (ремни, цепные передачи) при одновременном учете их геометрической и физической нелинейностей. Обнаружены эффекты вибрационной стабилизации, выполнены проверки на экспериментальных установках.

Малоизученным в научной литературе являлся вопрос об использовании в вибро –

машинах параметрического принципа возбуждения колебаний. Была исследована динамика параметрических вибромашин, сформулированы основные преимущества пара-


метрического возбуждения колебаний вибропривода по сравнению с силовым и кинематическим.

Новизна идей, конструктивных решений и полезность параметрического принципа возбуждения вибраций подтверждены девятью изобретениями, а также публикацией обзорных статей по результатам выполненных исследований в международных научных журналах. Преимущества параметрических вибрационных устройств подтверждены экспериментально на лабораторных моделях машин. Всего новизна принятых конструктивных решений на основе использования нелинейных эффектов в области вибрационных машин защищена 24 авторскими свидетельствами на изобретения.


Вибрационная защита


Стыковое соединение отсеков ракет

При разработке ракет – носителей космических аппаратов и межконтинентальных баллистических ракет ( лунный вариант пакетной схемы Р – 7, МБР «Титан – 2») возникали аварии из-за развивающихся в полете продольных колебаний корпуса с частотой первого тона собственных колебаний, которые описаны в книге известного специалиста в области ракетной техники Рабиновича Б.[В.1]. Это явление неустойчивости продольных колебаний впоследствие получило название POGO. М.С. Натанзон [В.2] предложил для уменьшения этих колебаний включить в нижнюю часть топливных трубопроводов специальные демпферы (гидроаккумуляторы), что и принесло положительный результат.

Автором было предложено осуществлять соединение ступеней ракеты с помощью специально спрофилированных стыковочных шпангоутов с нелинейной упругой характеристикой. Это уменьшало амплитуды продольных колебаний ракеты при прохождении через резонанс, предложение было признано изобретением [193].

Использование в виброзащитных системах упругих элементов, имеющих два устойчивых положения равновесия.


Предлагаемые виброзащитные системы весьма эффективны при широкополосном воздействии на объект. Причем, если в системе возникают колебания с определенной,

заранее установленной амплитудой, то упругий элемент с двумя устойчивыми положениями равновесия (например, ферма Мизеса, хлопающая мембрана) самопроизвольно теряет устойчивость и защищаемый объект переходит на другой нелинейный режим [223]. При этом амортизируемый объект все время находится в переходном колебательном процессе, амплитуда которого имеет ограниченную амплитуду. Предложен ряд способов реализации упругих элементов с отрицательной жесткостью [221,265].

Динамические резонансные гасители колебаний

Характерной особенностью предлагаемых гасителей является применение в их конструкции упругих элементов в виде стержней, работающих одновременно на изгиб и кручение [241]. Стержни имеют различные моменты инерции относительно главных осей поперечного сечения. Благодаря этому реализуется плавная нелинейная упругая характеристика, что обеспечивает уменьшение напряжений в упругих элементах.

Предложены также самонастраивающиеся резонансные гасители колебаний, обладающие повышенной эффективностью гашения вибраций при разгоне и выбеге машины [220].

Активные методы гашения вибраций

Отличительной чертой предложенных активных методов является то, что гашение вибраций осуществляется за счет использования энергии колебаний самого виброзащищаемого объекта. На основе преобразования указанной энергии формируется силовое воздействие на объект, являющееся оптимальным с точки зрения гашения вибраций [201,219].

Виброзащитные системы с механическими обратными связями

Использование в виброзащитных системах механических обратных связей позволяет существенно повысить эффективность виброизоляции в широком диапазоне частот [221,226].


Введение в динамическую систему вибролинеаризующих силовых воздействий

В результате вибролинеаризации нелинейная колебательная система ведет себя как линейная [224]. Один из методов линеаризации успешно внедрен на Арзамасском приборостроительном заводе при стендовых испытаниях приборов [228].

Средства подрессоривания и виброзащиты транспортных средств

На основе использования методики математического моделирования, изложенной в [1,2], исследовались переходные режимы движения железнодорожных составов с перевозимыми грузами [1,16,17,18]. По результатам выполненных исследований разработан, испытан и внедрен нелинейный амортизатор, уменьшающий продольные колебания груза в вагоне, обусловленные ударами в автосцепку [12].

Изучена динамика разнообразных железнодорожных и транспортных агрегатов, предназначенных для перевозок самолетов, их частей и других тонкостенных конструкций, оптимизированы характеристики средств подрессоривания.

Выполнены исследования по оптимизации параметров нелинейных амортизаторов с мягкой упругой характеристикой [38]. Указаны области их целесообразного применения. Исследовалась вертикальная динамика автомобиля, в конструкции которого использовались совместно как гидравлические, так и резонансные динамические гасители колебаний [25], при этом низкочастотные колебания гасились гидравлическими, а высокочастотные - динамическими гасителями.

Новизна разработанных конструктивных решений в области виброзащиты защищена 16 авторскими свидетельствами на изобретения.

Нелинейная вибродиагностика и виброидентификация [7]

Данное научное направление связано разработкой новых нелинейных методов и средств неразрушающего контроля элементов машин и сооружений, базирующихся на использовании нелинейных эффектов для получения информации о поврежденности и обусловлено рядом следующих причин.


На протяжении долгого времени большинство исследований в области технической вибродиагностики было нацелено на решение линейных динамических задач, которые математически описываются системой линейных дифференциальных уравнений. Однако, во многих случаях линейные математические модели принципиально не способны отразить истинное динамическое поведение конструкции, поэтому попытка строить диагностическую процедуру на основе линеаризованных моделей может привести к качественно и количественно неверным результатам. Помимо этого, линейные методы вибродиагностики имеют и ряд других недостатков: низкая чувствительность к возникающим дефектам; ограниченное количество параметров колебаний, которые могут использоваться в качестве диагностических признаков; необходимость наличия эталонного неповрежденного объекта и др. Это ограничивает область их практического применения.



следующая страница >>