CC BY
148
зации, метрологии и сертификации; М.: Изд-во стандартов, 1996. 19 с.
V.Yu. Antsev, A.N. Inosemtsev
MACHINES AND ASSEMBLIES OPERATIONAL QUALITY ASSESSMENT FROM THE EXPECTED SERVICE LIFE INDICATORS
A strategy for pipeline fittings service life has been proposed. It includes the evaluation of the permissible service life indicators from the non-failure criterion, and a method of expected service life value re-calculation based on the operational data.
Key words: machines, assemblies, quality, service life expectancy, operations.
Получено 20.0112
УДК 528.563
В.С. Кутепов, д-р техн.наук, проф., (4872) 35-14-82 (Россия,Тула, ТулГУ)
УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ МОРСКОГО ГИРОСТАБИЛИЗИРОВАННОГО ГРАВИМЕТРА
Рассматриваются задачи динамических испытаний гравиметрической аппаратуры в лабораторных условиях.
Ключевые слова: динамические испытания, гравиметр, систематические погрешности, надводный корабль.
Требования к динамическим испытаниям морского гравиметра определяются его структурой, заданной точностью работы, условиями эксплуатации и требованиями метрологического контроля.
Морской гравиметр включает в себя датчик, построенный на основе упругих кварцевых весов, как правило, крутильного типа, обеспеченных закритическим демпфированием чувствительного элемента [1-3]; фильтры высокочастотных, по сравнению с полезным сигналом, возмущений и гироустройство, совмещающее ось чувствительности датчика с направлением истинной вертикали. В качестве последнего используются либо силовые индикаторные гиростабилизаторы, либо пассивные стабилизаторы в виде четырехгироскопных сферических вертикалей, получивших название гиромаятниковых стабилизаторов [4]. Датчик гравиметра обычно помещается в термостат, уменьшающий влияние изменения окружающей температуры. В состав гравиметра входят также преобра-
зователь угла колебания маятника датчика в электрический сигнал и система ввода сигнала для обработки данных на ЭВМ.
Задачи динамических испытаний гравиизмерительного комплекса:
- проверка соответствия работы датчика теории колебательной системы с одной степенью свободы;
- проверка линейности работы жидкостного фильтра (системы демпфирования) при подавлении высокочастотных (по сравнению с полезным сигналом) вертикальных возмущающих ускорений;
- проверка работы системы гироскопической стабилизации и собственно гравиметра в условиях многокомпонентных возмущений от поступательных и вращательных движений;
- выявление возникающих при этом систематических погрешностей измерений силы тяжести и прогнозирование точности измерений при конкретном фоне возмущений;
- оценка степени искажения и точности регистрации полезного сигнала;
- определение надежности и работоспособности всей системы в условиях возмущающих воздействий близких к реальным.
Широта задач испытаний предопределяет устройство динамических испытательных систем, которые должны отличаться по своим характеристикам и точности задания возмущающего воздействия.
Гравиметр, установленный на надводном корабле, испытывает инерциальные воздействия от качки корабля на волне, вибрации палубы, неточности отслеживания курса. В дальнейшем будем называть колебания от вибрации высокочастотными, от качки корабля - низкочастотными, а рыскание корабля и полезный сигнал - инфранизкочастотными колебаниями (частота 0,02 Гц и ниже).
Известно, что движение корабля на волне можно разложить на поступательное (вместе с центром масс) и вращательное (вокруг центра масс) движения. Основные виды качки корабля (бортовая, килевая, вертикальная) - это такие его колебания, во время которых при отклонении от положения устойчивого равновесия возникают силы, стремящиеся вернуть корабль в исходное положение [5]. Дополнительные виды качки (рыскание, продольно- и поперечно-горизонтальная качки) - это колебательные движения корабля около положения равновесия за счет изменения знака внешнего воздействия. В реальных условиях движение корабля представляет сложную комбинацию основных и дополнительных видов качки, и при анализе работы приборов удобно рассматривать раздельно влияние поступательного и вращательного движений.
Возвратно-поступательное движение центра масс корабля, а, следовательно, и всех его точек происходит в вертикальной плоскости, перпендикулярной фронту волны, и именуется орбитальным движением. Это наиболее слабо экспериментально изученный вид движения корабля.
Центр масс при орбитальном движении описывает сложную траекторию в пространстве. Характер этого движения в плоскости описан в работе [5]. Траектории движения точек палубы кораблей водоизмещением 1100 и 6800 т при плавании соответственно на Черном море и в Бискайском заливе построены по результатам совместной обработки измерений ускорений и углов качки корабля. Ускорения измерялись маятниковыми акселерометрами с магнитным демпфированием собственных колебаний и фотографической регистрацией показаний. Акселерометры располагались на гиростабилизированной платформе. Для измерения наклонов палубы корабля использовался щелевой фоторегистратор. Орбитальное движение можно приближенно представить как эллиптическое или даже (для предварительных оценок) круговое с радиусом 0,5 м.
Действующие на борту судна возмущения зависят от многих факторов: типа и водоизмещения корабля, месторасположения прибора на корабле, характеристик волнения моря, курса движения корабля, района плавания и других причин. Установить на основании экспериментальных измерений количественные зависимости ускорений палубы судна от перечисленных факторов практически невозможно. Однако общее представление о фоне низкочастотных возмущающих ускорений, которые имеют место на надводном корабле, можно получить из табл. 1, где приведены средние значения амплитуд ускорений и периодов их изменений в разных плоскостях, вычисленные по данным измерений маятниковых акселерометров [6].
Как следует из таблицы, амплитуда линейных горизонтальных ус-
м м
корений не превышает 0,6 —, а вертикальных - 0,7 — для судов различ-
с с
ного тоннажа при плавании в море в условиях умеренного волнения (до 5 баллов). Эти же ускорения в океане для судов среднего тоннажа (около 6000 т) почти в 2 раза меньше. Период изменения ускорения на море лежит в пределах 6.. .10 с, а в океане - 8.. .14 с. Эти данные необходимы для выбора режимов испытания приборов, работающих в условиях качки корабля. Рыскание корабля на волне можно рассматривать как колебания с тремя основными периодами: 4.10 с (равен периоду волны), 1.3 мин (обусловлен работой системы кораблевождения) и 20.40 мин (результат уточнения курса судна и изменения условий его сноса).
Все виды движений корабля являются в реальных условиях случайными функциями времени. Вследствие этого для оценки точности работы аппаратуры и создания испытательного оборудования необходимо располагать вероятностными характеристиками случайных функций для различных режимов движения корабля, которые можно определить теоретически с учетом известных переходных амплитудно-фазовых и частотных характеристик судна.
Таблица 1
Значение возмущающих ускорений на надводных кораблях
в море и океане
М, т V , узлы Волнение моря, баллы / 2 аср,м/с Т ср,с / 2 атах,м / с Ттах, с
Попер. Прод. Верт. Попер. Прод. Верт.
Море
17000 6 2-6 01 0,05 - 0,26 01 -
11000 6 1-5 0,21 5,2 0,12 5,1 0,25 6,6 0,53 5,7 03 5,7 0,63 6,9
1500 9 1-2 01 4,3 0,06 4,0 - 0,22 8,1 0,19 9,9 -
2600 9-14 1-5 05 0,05 5,2 0,15 4,9 0,47 10,3 0,15 8,9 07 5,6
11000 12 1-3 4,5 0,26 4,2 - - - 0,62
280 11 1-4 - - 03 - - 0,67 4,0
Океан
5600 До 15 1-3 0,07 8,1 0,07 7,9 0,08 7,9 0,21 14,2 0,16 10,8 0,28 10,1
6700 До 15 1-5 0,05 6,8 0,05 7,0 01 7,1 0,23 7,9 0,12 9,4 0,25 7,8
Обозначения: М - водоизмещение корабля; V - скорость корабля; аср(атах), ^ср(Ттах) - средние и максимальные значения ускорений и периодов их изменений соответственно.
Другой способ состоит в статистической обработке натурных записей качки.
При определении вероятностных характеристик качки корабля на нерегулярном волнении принято считать, что волнение, а, следовательно, и качка представляют стационарный случайный процесс, при котором условия, определяющие его, не изменяются с течением времени. Случайный процесс качки корабля по своим характеристикам близок к нормальному, а поэтому он полностью определяется математическим ожиданием и корреляционной функцией.
Анализ натурных записей качки и корреляционных функций показывает, что качка корабля и возникающие при этом линейные ускорения представляют собой случайные функции, так как корреляционные связи со временем
263
затухают.
На рисунке показаны спектры линейных ускорений на надводных кораблях водоизмещением 2600 т при плавании на море (волнение 3-4 балла) и 6800 т при дрейфе в океане. Оба спектра можно считать приближенно узкополосными, т.е. реализация случайной функции имеет характер колебательного движения с почти постоянным периодом и медленно меняющейся амплитудой. Сходство реализации случайной функции с моногармоническим процессом будет тем больше, чем острее максимум имеет функция спектра [7].
8(оо)/о2 А
2,01,5 1,00,50 '
а
8(ш)/о2 А
2,52,01,5 1,0 0,50 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 со, с-1
б
Спектры линейных ускорений на кораблях водоизмещением
2600 Т (а) и 6800 Т (б):
2 - вертикальные ускорения; X, 7 - горизонтальные ускорения соответствующие бортовой и килевой качке
б
Статистическая обработка натурных записей углов качки позволяет получить их корреляционную функцию. Нормированные корреляционные функции R0 . (т) углов качки достаточно хорошо могут быть аппроксимированы формулами [8]
г \
, т =
. ц і • .
cos к іт + х sm Л іт
к і ]
V і У
где т = t2 — ^ - разность моментов времени, для которых определяется корреляционная функция; а2 - дисперсия качки судна; ц/ - параметр, характеризующий степень нерегулярности качки; X. - частота, определяющая положение максимума спектральной плотности угла качки; . = 1, 2, 3.
Статистическая обработка натурных записей углов качки позволяет получить их корреляционную функцию. Нормированные корреляционные функции R0 . (т) углов качки достаточно хорошо могут быть аппроксимированы формулами [8]
г \
, т = ^2
і (т) = а2 єхр[—ц^(т)]х
ч ^ і ■ л
cos к іт + ^~ х sm к іт
к і ]
V і У
где т = t2 — ^ - разность моментов времени, для которых определяется корреляционная функция; а2 - дисперсия качки судна; ці - параметр, характеризующий степень нерегулярности качки; к у - частота, определяющая положение максимума спектральной плотности угла качки; і = 1, 2, 3.
Значения ці , к і - определяются при статистической обработке записей качки корабля. Величина ці - для килевой и бортовой качек принимается равной собственным частотам колебаний корабля. Выражение спектральной плотности углов качки имеет вид
г\ 2 2 л 2
0/ч2ац ц+к
я еН =-------------------------------х7-\2-.
П 2 , 2 л2І2 , Л 2 Л 2
уШ + ц — к і + 4ц к
При совместной килевой и бортовой качках считают, что на нерегулярном волнении они являются не связанными случайными функциями. Случайные функции продольно- и поперечно-горизонтальных линейных движений, которые не сопровождаются появлением восстанавливающих сил, не являются стационарными, хотя их первые и вторые производные можно считать стационарными. В работе [9] приведено выражение спектральной плотности вертикальных ускорений, полученное в результате аппроксимации эмпирической кривой дробно-рациональных отношений
ю
(со2 —1,4)
2
0,44 ю-1,4 + 0,06
Очевидно, что при ю < 0,8 с-1 эту формулу можно заменить приближенной Я2 (ю) « 0,058 ю 4.
В работе [10] спектральная плотность аппроксимирована функцией треугольного вида
2
а
О
а
О
1 +— (ю — ю 0 ) О
1 +— (ю — ю 0 ) О0
0 при других ю,
О
, ю — < ю < ю0; 20
О
, ю0 < ю < ю0 + ~;
где О - ширина спектра; Ю - частота случайной функции, которая несет максимальную энергию.
Высокочастотная часть спектра ускорений (более 1 Гц) вызвана вибрациями-колебаниями основания приборов вследствие работы гребных винтов и судовых механизмов. Величина и характер вибраций зависят от многих факторов: неуравновешенности судовых механизмов, качества гребных винтов, режима работы двигателей, режима движения судна, особенностей его конструкции и т.д. Если общесудовые вибрации лежат в пределах 1-6 Гц, то местные вибрации в районе расположения гребных винтов при неуравновешенности механизмов могут достигать 300-500 Гц. То же самое можно сказать и в отношении амплитуд вибрационных перемещений. В разных частях судна они могут достигать от тысячных долей миллиметра до нескольких миллиметров.
Изучение диапазона распределения частот вибрации для судов водоизмещением 7000 и 1500 т показывает, что ускорения вибрации, вызванные вращением не полностью уравновешенных элементов движителей, состав-
2
ляют: а) для гребного винта при частоте 2,8-4 Гц - до 0,2 м/с ; б) для двух гребных винтов при частоте 5,7-7,8 Гц - до 0,2 м/с2; в) для пяти лопастей
2
гребного винта с частотой 18-24 Гц - до 0,15 м/с .
Виброускорения при надводных гравиметрических наблюдениях,
как правило, не превышают 0,5-0,6 м/с
266
Список литературы
1. Попов Е.И. Гравиинерциальные измерения и измерительные приборы // Приборы для гравиинерциальных измерений. М.: Наука, 1978. С. 3-6.
2. Кочегков Б.М., Попов Е.И. Упругая система морского гравиметра // Аппаратурные и опытно-методические работы по морской гравиметрии. М.: Наука, 1973. С. 6-31.
3. Баграмянц О.В. Автоматизированный морской пружинный гравиметр ГМН // Прикладная геофизика. М.: Недра, 1975. Вып. 79.
С. 159-170.
4. Кутепов В.С. Стабилизатор морского гравиметра, построенный по принципу гиромаятника // Известия АН СССР.Сер.Физика Земли. 1971, с. 107.113.
5. Семенов-Тянь-Шанский В.В. Качка корабля. Л.: Судостроение, 1969. 352 с.
6. Кутепов B.C., Попов Е.И. Фон возмущающих ускорений при гравиметрических наблюдениях на подводном корабле // Морской гиростаби-лизированный гравиметр. М.: Наука, 1972. С. 138-150.
7. Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций. Л.: Судпромгиз, 1961.123 с.
8. Свешников А.А., Ривкин С.С. Вероятностные методы в прикладной теории гироскопов. М.: Наука, 1974. 536 с.
9. Пантелеев В.Л. О характеристике подавления помехи алгоритмов фильтрации при гравиметрических измерениях на море // Гравиинерци-альные приборы и измерения. Тула, 1980. С. 70-77.
V.S. Kutepov
SERVICE CONDITIONS SIA GIROSTABILIZIROVANNOGO GRAVIMETRA
Problems of dynamic tests of gravimetric equipment in vitro are considered.
Key words: dynamic tests, gravimeter, regular errors, the surface ship.
Получено 20.01.12
