Разработка методики и средств контроля состояния вибрационной устойчивости оснований лесопильного оборудования
|
Скачать 197.19 Kb.
|
|
На правах рукописи Нерадовский Денис Леонидович разработка методики и средств контроля состояния вибрационной устойчивости оснований лесопильного оборудования Специальность 05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Архангельск – 2008 Работа выполнена в Архангельском государственном техническом университете (АГТУ)
Защита диссертации состоится 23 июня 2008 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 в Архангельском государственном техническом университете (163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, ауд.1228). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ. Автореферат разослан мая 2008 г.
 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации. Технология производства пиломатериалов предусматривает применение разнообразного лесопильного оборудования - лесопильных рам (ЛР), круглопильных и фрезернопильных агрегатов. В зависимости от их конструктивных особенностей возникают различные поля возмущения в виде вибраций, оказывающие в конечном итоге влияние на качество вырабатываемой продукции, эксплуатационную надежность оборудования и состояние зданий и сооружений. ЛР – основной источник вибрационных возмущений, они, как правило, являются головным и определяющим видом оборудования в производстве пиломатериалов. Их преимущества по сравнению с более совершенными по динамике лесопильными станками (ленточнопильные, круглопильные) объясняется возможностью одновременной распиловки древесины поставом пил, что значительно увеличивает производительность. Существенным конструктивным недостатком ЛР являются неуравновешенные силы инерции подвижных масс кривошипно-шатунного механизма, вызывающие колебания фундамента самой ЛР и околорамного оборудования, что снижает их надежность и ухудшает качество вырабатываемых пиломатериалов. Эти колебания, имеющие различные амплитудно-частотные характеристики, передаются конструкциям зданий цеха и близлежащим сооружениям, вызывая дополнительные вибронагрузки, снижают усталостную прочность конструкций вплоть до разрушения. Для снижения влияния колебаний ЛР на виброустойчивость их оснований особое внимание необходимо придавать обоснованию параметров фундамента. Колебания фундаментов ЛР существенным образом зависят от динамических характеристик оснований. Большинство лесопильных предприятий расположены в прибрежных зонах на водонасыщенных слабых грунтах, поэтому для обеспечения вибростойкости ЛР устанавливают на свайные фундаменты. При этом руководствуются в основном практическим опытом, СНИП, не учитывая полностью особенностей динамики ЛР. В процессе работы фундаментов ЛР образуются дефекты в сваях, что сказывается на несущей способности и вибростойкости фундаментов. Особенно подвержены этому железобетонные сваи ввиду их чувствительности к знакопеременным нагрузкам. Поэтому, исходя из конструктивных ограничений колебаний лесопильного оборудования цехов, динамических нагрузок на станину станка, фундамент, отрицательного влияния вибраций оборудования на качество вырабатываемых пиломатериалов, задача контроля и повышения вибрационной устойчивости оснований и оборудования лесопильного цеха является актуальной. Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы – разработка методики и средств контроля состояния вибрационной устойчивости оснований головного лесопильного оборудования. Для достижения поставленной цели определены задачи исследований:
Научная новизна работы. Разработан метод неразрушающего контроля элементов фундамента для определения несущей способности оснований ЛР, методика проведения испытаний по оценки виброустойчивости фундаментов ЛР. Научно обоснованы методы анализа информации о процессах колебаний фундаментов ЛР. Предложен метод графо-аналитической обработки информации о состоянии фундамента ЛР, позволяющий оценивать виброустойчивость фундамента на определенный момент времени. Методы исследований При проведении теоретических и экспериментальных исследований по оценке повышения вибрационной устойчивости свайных фундаментов применена волновая теория удара, использованы математические методы анализа и обработки дискретных сигналов, метод Фурье, метод цифровой фильтрации сигналов, программные средства Matlab и MathCAD. Обоснованность и достоверность результатов подтверждены сходимостью результатов экспериментальных исследований с расчетными, примененной методикой статистического анализа результатов эксперимента. Результаты обработаны при помощи табличного процессора Excel. На защиту выносятся:
Практическое значение. Методы повышения вибрационной устойчивости фундаментов лесопильного оборудования позволяют проводить неразрушающий контроль свайных оснований ЛР и определить несущую способность фундамента. Результаты исследований могут быть применены при контроле вибрационной устойчивости фундаментов лесопильного оборудования, и прогнозировании их технического состояния. Разработанное компьютерное обеспечение может быть использовано при анализе состояния фундаментов ЛР. Реализация работы. Разработана техническая документация на опытную установку для определения параметров свай в основании ЛР. Разработанные методы определения параметров заглубленных свай фундаментов ЛР при помощи ударного эхо-метода использованы на ОАО «Лесозавод №2» г. Архангельска при оценке состояния оснований и прогнозирования виброустойчивости фундаментов ЛР. Материал исследований применяется в учебном процессе при подготовке специалистов лесопромышленного комплекса. Апробация работы. Основные положения диссертационных исследований доложены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных, инженерно-технических работников и аспирантов АГТУ (Архангельск, 2007, 2008 гг.). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, из них 4 статьи в изданиях по перечню ВАК. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении изложены актуальность темы, цель работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту. В первой главе приведен анализ результатов исследований колебаний основного лесопильного оборудования, лесопильных рам, и методов снижения влияния их колебаний на основания, показана необходимость использования свайных фундаментов (по работам Дерягина Р. В., Филькевича В. Я., Фонкина В. Ф., Санева В. И., и др.). Для фундаментов машин с периодическими нагрузками, какими являются ЛР, возможно применение деревянных и железобетонных свай. Основания ЛР подвержены вертикальным и горизонтально-вращательным колебаниям в двух взаимноперпендикулярных направлениях (рисунок 1а). Свайные фундаменты применяют на слабых грунтах (Санников А.А.), когда требуемую виброустойчивость не может обеспечить фундамент, выполненный на естественном основании. При забивке свай возможно образование дефектов, снижающих их несущую способность и виброустойчивость. Приведены различные типы классификации свай, применяющихся для повышения виброустойчивости основании ЛР. Описана методика расчета несущей способности свай (рисунок 1б). Проанализированы свайные конструкции, применяющиеся при сооружении фундаментов ЛР.
Распространение упругих волн в грунте от фундаментов ЛР происходит на значительные расстояния и характеризуется преобладанием амплитуд вертикальных колебаний над горизонтальными. Акустические, упругие, деформационные, прочностные свойства и трещиноватость материалов свай взаимосвязаны, что позволяет применить акустические методы для контроля качества работ при возведении фундаментов ЛР. Во второй главе рассмотрены акустические методы неразрушающего контроля (НК) объектов. Для акустических методов НК используют колебания ультразвукового и звукового диапазонов частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность колебаний обычно невелика (не превышает 1 кВт/м2). Такие колебания происходят в области упругих деформаций, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики). Кроме упругости по объёму, в твёрдом теле существует упругость по форме, поэтому могут возникать и распространяться волны двух типов: продольные и поперечные. Наибольшее практическое применение находит эхо-метод. Около 90% объектов, контролируемых акустическими методами, проверяют эхо - методом. Применяя различные типы волн, решают задачи дефектоскопии поковок, отливок, сварных соединений из многих металлических материалов. Метод определения длины деревянных свай основан на продольном распространении ударных волн. Волна, возбуждаемая ударом молотка, распространяется вдоль сваи и многократно отражается от всех граничных поверхностей до полного затухания. Скорость распространения ударной волны зависит от плотности сваи, наличия инородных включений и качества материала. Длина сваи может быть определена измерением времени, необходимого для прохождения волн от места удара до конца, и возвращения их обратно. Время отражения связано с резонансной частотой сваи. Измерив время отражения или резонансную частоту и время распространения ударной волны, возможно определить длину сваи. Акустический метод, впервые предложенный Ксипингом Вангом, Робертом Д. Россом, применим для определения свойств древесины. Исследования доказывают, что использование ударного волнового метода обеспечивает точность и предоставляет возможность оценить качество древесины растущего дерева. Данный метод позволяет контролировать качество древесины и прогнозировать свойства биомассы. Метод применим также для оценки строительных материалов с целью их повторного использования. В третьей главе приведены методика и результаты экспериментальных исследований в производственных условиях комбината строительных конструкций и материалов г. Архангельска. Метод основан на измерении времени между интервалами излучения упругой продольной волны в свае и прихода отраженных волн. Продольную волну возбуждают молотком. Длину сваи вычисляют, исходя из измеренного интервала времени. При этом скорость упругой продольной волны в свае считается известной (в зависимости от материала). Отраженная продольная волна возникает в местах изменения механического импеданса (механический импеданс пропорционален скорости продольной волны в свае и площади поперечного сечения). Таким образом, если свая однородна (скорость постоянна) то там, где изменен профиль сваи, происходит отражение волны. Чем резче это изменение, тем больше коэффициент отражения волны и тем заметней отклик на мониторе ПК. Проводили измерения длины L каждой сваи. Затем каждую сваю нагружали ударной силой на торце (рисунок 2). Анализ полученных звуковых волн произведен с помощью программного обеспечения: Sound Forge 5.0, WaveLab 4.0. После анализа движения звуковых волн определяли интервал между их пиками. На расстоянии  от верхнего торца сваи установлен микрофон. Он регистрирует звуковые волны удара в начальный момент  (после удара) и после отражения их при обратном проходе волн  .
Звук удара, регистрируемый микрофоном, записывают на портативном компьютере в виде графика колебаний. Звуковые колебания преобразовываются микрофоном в электрические и поступают в компьютер, где преобразуются в дискретный вид. Пример такой записи приведен на рисунке 3. Была определена скорость распространения ударной волны (в среднем 3954,5м/с). Статистический анализ полученной информации показал, что коэффициент вариации равен 0,07. Таким образом, точность метода достаточна.
В процессе обработки информации, полученной в результате эксперимента, было выявлено, что при рассмотрении реальных физических процессов приходится иметь дело с функциями, не являющимися периодическими в математическом смысле. Можно отметить две основные причины, по которым реальные колебательные процессы не могут быть строго периодическими. Первая – это случайные процессы, которые воздействуют на колебательную систему непредсказуемо, нарушая ее строгую периодичность. Вторая причина связана с наличием диссипативных сил, приводящих к затуханию колебаний вследствие потерь энергии. В результате проведения дальнейших экспериментов было выявлено, что применение предложенной методики для заглубленных в грунт свай затруднено. Поэтому расшифровку сигнала проводили с помощью преобразования Фурье. Метод Фурье-фильтрации заключается в следующем: посредством прямого преобразования Фурье вычисляют спектр сигнала, затем из спектра удаляют ненужные частотные составляющие, после чего осуществляют синтез сигнала применением обратного преобразования Фурье. Роль фильтров в этом случае могут играть различные математические функции, графики которых имеют вид, аналогичный АЧХ обычных аналоговых фильтров, либо ступенчатые функции, обеспечивающие практически бесконечную крутизну среза. В главе также показана эффективность применения Фурье-фильтрации средствами MathCAD.
В четвертой главе приведена комплексная методика исследования вибрационной устойчивости оснований лесопильного оборудования. Она включает в себя сбор и обработку данных с использованием разработанных экспериментальных датчиков (рисунок 5), аналого-цифрового преобразователя данных и портативного компьютера. Разработанная экспериментальная установка называется ПА-1 (прибор акустический). Датчик рекомендуется применять для измерения вибраций, статических перемещений, положений относительно вектора силы тяжести, сейсмовибраций. Конструктивно в монолитном корпусе присутствует дифференциальный усилитель, сенсор перемещений, температурный сенсор, служащий для опциональной коррекции сенсора перемещений в зависимости от температуры.
Многоканальный аналого-цифровой преобразователь В–480 (далее АЦП) предназначен для исследования однократных и периодических электрических сигналов путем их регистрации в цифровой памяти и отображения на экране компьютера, цифрового измерения амплитудных и временных параметров, а также математической обработки результатов измерений. Колебания, фиксируемые датчиком, поступают на один из восьми входов АЦП В-480 и оцифровываются. Дальнейшую обработку записанных сигналов проводят на компьютере. Систему Matlab применяли для обработки виброакустического сигнала, который был измерен с помощью датчика вибрации и оцифрован АЦП В-480. Таким образом, все колебания фиксировали АЦП с частотой 30кГц и передавали в компьютер для дальнейшей обработки. Измерив, время отражения или резонансную частоту  и скорость волны напряжений, можно рассчитать длину сваи.
где  - скорость волны напряжений в материале, м/с;Т- глубина до отражающей поверхности (длина сваи), м. Построив спектр колебаний верхушки сваи, можем определить доминирующие частоты в спектрах, что позволит определить длину сваи:
Локальные максимумы спектра, построенного при помощи быстрого преобразования Фурье (FFT), не дают четкого представления о резонансной частоте. Спектр той же волны, построенный по методу МТМ (мультиоконный метод), дает наглядное представление о резонансной частоте, которая составляет 286 Гц (рисунок 6). Это позволяет рекомендовать метод МТМ для анализа реальных натурных измерений колебательных физических процессов.  Рисунок 6 - Представление спектра сигнала методами FFT и МТМ Применение эхо-метода в данном случае затруднено, так как записанный сигнал является суммой множественных отражений возбужденной волны от ребер сваи, различных включений и т.п. При этом возникает эхо достаточно широкого спектра, что требует фильтрации сигнала, то есть срезания его высокочастотной составляющей, что возможно выполнить средствами Matlab. Установка датчиков на боковой поверхности сваи позволяет расширить область применения этого способа звуковой дефектоскопии, так как не всегда возможно установить их на торце, особенно если речь идет о сооружении, находящемся в эксплуатации. Описанный метод позволяет определить скорость продольной волны при установке двух датчиков. Следует отметить, что точность определения скорости волны напрямую зависит от расстояния между датчиками и частоты дискретизации аналогового сигнала датчиков. В процессе исследования установлено, что точность замеров длины свай и расположения в них дефектов зависит от способа установки датчиков на боковой поверхности сваи. Для достижения наилучшего результата необходимо применять разные способы крепления датчиков для свай в зависимости от материала. Для железобетонных свай, наиболее эффективным способом крепления датчиков является вещество типа «пластилин»; для деревянных наиболее эффективный метод установки датчиков - на костыли, забитые под углом в 45 градусов к продольной оси сваи. Точность метода с установкой датчиков на боковой поверхности хуже по сравнению с тем, когда датчики установлены на торце сваи. Это можно объяснить многократным наложением различных типов волн, оказывающих влияние на боковую поверхность сваи. В пятой главе приведена разработанная методика для определения дефектов свайного основания ЛР, измерения параметров свай. Описана методика определения длины свай и дефектов в них эхо-методом ударного возбуждения. Отмечены преимущества и недостатки анализа возбужденной ударной волны. Приведена разработанная инструкция работы с программным пакетом АЦП В-480, настройки интерфейса системы и параметров опроса датчиков (дискретизация сигнала, время опроса, записи сигнала и т.п.). Даны рекомендации по передаче полученной информации в математический пакет MathCAD. Создана программная оболочка, приспособленная для анализа и расшифровки полученных данных, позволяющая эффективно использовать цифровые фильтры, основанные на Фурье преобразовании. Установлена функциональная связь между зависимостями, используемыми для определения длины свай и наличия дефектов в них. На основе проведенных исследований предложены новые способы применения программы Matlab и входящего в него пакета Simulink. Разработан модуль обработки (МО) результатов измерений в удобной для оператора форме. МО является адаптивным программным средством функционирующим в среде Matlab, для анализа, расшифровки и графического представления сигналов (рисунок 7). Модуль обрабатывает результаты, применяя цифровые фильтры, имеющие различные параметры. После этого три сигнала (оригинальный и фильтрованные) представляются в виде АЧХ или зависимостями амплитуды от времени, причем способ обработки может быть любой в зависимости от условий. Достаточно включить необходимые блоки в МО для создания оптимального алгоритма и способа расшифровки информации, полученной в результате замеров длины свай и определения дефектов. Это означает, что при помощи визуального программирования возможности МО расширяются, это позволит разрабатывать новые оболочки, что делает методику использования Simulink универсальной.
В 2007 году на базе ОАО «Лесозавод №2» (г.Архангельск) были проведены испытания с целью определения эксплуатационных характеристик прибора акустического (ПА-1) для оценки качества и состояния свайного фундамента ЛР. Были измерены сваи основания ЛР. На основании экспериментов построено уравнение регрессии между определенной и истинной длиной свай у=1,08х-0,43, при уровне значимости 2,5х10-11. Коэффициент детерминизации R2 равен 0,92. Относительная ошибка составила 6%. Разработана инструкция по проведению измерений, включающая в себя вопросы настройки аппаратуры, способы крепления датчиков, методы возбуждения ударной волны. Предлагаемая методика для определения качества древесины, в том числе использовавшейся, для устройства фундаментов применима. Таким образом, данный способ неразрушающего контроля актуален не только для определения несущей способности свайных фундаментов ЛР, но и как ресурсосберегающая технология. Применение ПА-1 и разработанной методики позволит в производственных условиях, без пробного разрушения, определить качественные характеристики фундамента, что повысит вибрационную устойчивость оснований лесопильного оборудования. Кроме того, конструктивное решение ПА-1 позволяет применять практически любые типы датчиков и методы обработки сигналов, что делает эту установку адаптивной к различным производственным условиям. ПА-1 может быть включен в инструментарий определения качества деревьев и использовавшихся ранее пиломатериалов. Выводы и рекомендации.
Основные результаты исследований опубликованы:
Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 163002, г.Архангельск, наб. Северной Двины, 17, АГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.008.01 Земцовскому А.Е. |
||||||||||||||||||||||||||||||||
– сопротивление i-того слоя грунта при действии сил трения на боковую поверхность сваи, 
– толщина i-того слоя (i=1…n – номера слоев).
,
40кГц от 8 датчиков одновременно с относительной ошибкой 6%.Похожие:
 |
Организации: ооо" Негоциант-инжиниринг", г. Москва Продажа деревообрабатывающего... Вообрабатывающего и лесопильного оборудования и технологий. Проектирование и инжиниринговые услуги дереобрабатывающих и лесопильных... |
 |
На проведение обследования коррозионного состояния и состояния средств... Целью настоящей работы является: определение коррозионного состояния и состояния средств пкз технологических и вспомогательных нефтепроводов,... |
|
2. Составление логической модели диагностирования управляемого однофазного мостового выпрямителя Разработка блока контроля исправности состояния процессора и управляющей программы (watchdog timer wdt) |
|
Техническое задание на определение планово-высотного положения (пвп)... Состав технического задания на определение планово-высотного положения фундаментов и оснований |
|
Унифицированные методики контроля Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварные соединения и наплавки. Правила контроля (пнаэ г-7-010-89) |
|
Де карвальо антонио алвеш разработка методики модернизации плановой... Охватывает комплекс вопросов, относящихся к разработке методики модернизации плановой геодезической сети г. Луанда. В основу разработанной... |
|
Техническое задание на оказание услуг по техническому обслуживанию... Внешний осмотр, контроль технического состояния (работоспособно/ неработоспособно, исправно/неисправно), в случае необходимости,... |
|
Отчет «разработка проекта методики и первичная оценка масштабов незаконного... «разработка проекта методики и первичная оценка масштабов незаконного лесопользования в российской федерации» |
|
Техническое задание На разработку проектной документации, рабочей... Зп-37. 15 «Разработка проектной документации, рабочей документации по усилению грунтовых оснований под зданиями и сооружениями аэс... |
|
«Разработка и создание системы дистанционного контроля и надзора... Заказчика, наличии у него оборудования, специализированных программных средств и т п и влияющих на условия поставки товара, выполнения... |
|
Методические рекомендации по разработке методики и технического средства... Рекомендуем прилагаемые методические рекомендации довести до сведения организаций, осуществляющих образовательную деятельность по... |
|
3. 2 Разработка рекомендаций по продвижению рекламной компании в ОАО «Гостиница Новосибирск» 44 Приемы и методы анализа финансового состояния предприятия. Анализ финансового состояния предприятия 5 |
|
Федеральная служба по надзору в сфере здравоохранения и социального... Данные о результатах выборочного контроля качества лекарственных средств, проведенного в 2011году 13 |
|
Техническое задание на проведение комплексного технического аудита... Ао «нк нпз» и созданию системы контроля технического состояния оборудования с целью перевода их на увеличенный до трех лет межремонтный... |
|
Исследование состояния психических функций Диагностическая методика составлена Т. Н. Волковской на основе модификации диагностического комплекса О. Н. Усановой и нейропсихологической... |
|
Инструкции по ревизии технического состояния и отбраковке оборудования «Инструкция по ревизии технического состояния и отбраковке оборудования» содержит следующие разделы |