Control of gaps in technical structures during ground vibration testing

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. A fair number of technical structures have gaps (backlashes) which can be contingently divided into two types. One of them is the gaps in connections between substructures which are introduced so that the connections may operate correctly. Sizes of such gaps are usually normalized. Another type is the backlashes which occur during operation. Due to the normalized gaps usually expand while operating, both of the types may lead to increased loading and wear of mechanical parts, an alteration in dynamical characteristics and a deterioration in a technical state of mechanical structures. It explains the necessity to control the gaps. When the ground vibration testing of the structures is performed, it seems appropriate to use these tests to detect such gaps. Research Objective: developing the method to control the gaps in the technical structures during the ground vibration testing based on distortions of portraits of forced oscillations. Research Technique. The steady-state forced oscillations of the technical structures, which were measured by acceleration sensors, are excited by means of shakers. The sensor signals are represented as the portraits: the vertical scanning is proportional to the signal and the horizontal scanning – to its first harmonic with the phase shift of π/2. In case of a linear system, the portraits are circles. The presence of the gaps distorts the portraits of oscillations specifically. To estimate the distortions numerically, the first harmonic is subtracted from the Fourier series of the portrait of oscillations, the absolute maximum of the residue is calculated over the oscillation period and used subsequently as the distortion parameter Ψ. The value of the parameter Ψ is normalized and denoted as ξ. The ξ distributions are plotted on controlled objects. The locations of the gaps are determined through the positions of the local maxima of the distortions. While calculating the parameter ξ, the two types of normalization, which were conditionally named the global and local ones, are being used. In case of the global normalization, the value of Ψ is related to the amplitude of the first harmonic at the control point of the structure. The local normalization means that the magnitude of Ψ is related to the amplitude of the first harmonic of the sensor where that parameter was previously calculated. The global normalization is required to analyze the distortion distribution of the portraits of oscillations of the entire technical structure. The local normalization of the distortions of the portraits of oscillations is utilized to establish the locations of the gaps in the mechanical parts and structural connections. The ground vibration tests were carried out via Test.Lab software. The subprogram is integrated into the software interface in order to analyze the portraits of oscillations. It enabled one to calculate the distortions of the portraits of oscillations, plot the distortion distributions of the structure and save it for further use. It allowed one to control the gaps during vibration strength tests, as well as while the structures being used, by means of comparing the distortion distributions of the parameter ξ related to different states of the structure. Additionally, the plotting of the distortion distributions of the portraits of oscillations for each structural component is added to the subprogram so as to control the defects subsequently. Not only the locations of the gaps are determined in the force-displacement application systems but also the equation is given to calculate its magnitudes. The practical recommendations on using that equation are presented. Results and Discussion. The possibility of detecting the gaps by the distortions of the portraits of oscillations is illustrated with the example of the diagnostics of the layout of the control wiring and the airplanes during the ground vibration testing as well as the open-type spacecraft structures. It is shown that the developed method enables one to detect all the gaps in the testing object which distort the portraits of oscillations.

About the authors

N. A. Testoyedov

Email: testoedov@iss-reshetnev.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Academician M.F. Reshetnev Information Satellite Systems, 52 Lenin str., Zheleznogorsk, 662972, Russian Federation, testoedov@iss-reshetnev.ru

V. A. Berns

Email: v.berns@yandex.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, 1. Siberian Aeronautical Research Institute named after S. A. Chaplygin, 21 Polzunov str., Novosibirsk, 630051, Russian Federation; 2. Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation , v.berns@yandex.ru

E. P. Zhukov

Email: zh-ep@yandex.ru
Ph.D. (Engineering), Siberian Aeronautical Research Institute named after S. A. Chaplygin, 21 Polzunov str., Novosibirsk, 630051, Russian Federation, zh-ep@yandex.ru

E. A. Lysenko

Email: mla340@iss-reshetnev.ru
Ph.D. (Engineering), Academician M.F. Reshetnev Information Satellite Systems, 52 Lenin str., Zheleznogorsk, 662972, Russian Federation, mla340@iss-reshetnev.ru

P. A. Lakiza

Email: qinterfly@gmail.com
Siberian Aeronautical Research Institute named after S. A. Chaplygin, 21 Polzunov str., Novosibirsk, 630051, Russian Federation, qinterfly@gmail.com

References

  1. Tiwari R. Rotor Systems: analysis and identification. – Boca Raton: CRC Press, 2017. – 1069 p. – ISBN 978-1-138-03628-4.
  2. Bachschmid N., Pennacchi P., Tanzi E. Cracked rotors: a survey on static and dynamic behaviour including modelling and diagnosis. – Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2010. – 408 p. – ISBN 978-3-642-01485-7.
  3. Костюков В.Н., Науменко А.П. Основы виброакустической диагностики и мониторинга машин: учебное пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. – 360 с. – ISBN 978-5-8149-1101-8.
  4. Неразрушающий контроль. Т. 7, кн. 2. Вибродиагностика: справочник / Ф.Я. Балицкий, А.В. Барков, Н.А. Баркова и др. – М.: Машиностроение, 2005. – 829 с. – ISBN 5-217-03298-7.
  5. Жуков Р.В. Обзор некоторых стандартов ISO/TC-108 в области диагностики машинного оборудования // Контроль. Диагностика. – 2004. – № 12. – С. 61–66.
  6. Zhuge Qi, Lu Yongxiang, Yang Shichao. Non-stationary modelling of vibration signals for monitoring the condition of machinery // Mechanical Systems and Signal Processing. – 1990. – Vol. 4, iss. 5. – P. 355–365.
  7. Lacey S.J. Using vibration analysis to detect early failure of bearings // Insight – Non-Destructive Testing and Condition Monitoring. – 2007. – Vol. 49, iss. 8. – P. 444–446.
  8. Litak G., Friswell M.I. Dynamics of a gear system with faults in meshing stiffness // Nonlinear Dynamics. – 2005. – Vol. 41, iss. 1–3. – P. 415–421. – doi: 10.1007/s11071-005-1398-y.
  9. Вибродиагностика авиационных конструкций. – М.: ГосНИИГА, 1986. – 95 с. – (Труды Государственного научно-исследовательского института гражданской авиации; вып. 256).
  10. Постнов В.А. Определение повреждений упругих систем путем математической обработки частотных спектров, полученных из эксперимента // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. – 2000. – № 6. – С. 155–160.
  11. Косицын А.В. Метод вибродиагностики дефектов упругих конструкций на основе анализа собственных форм колебаний // Приборы и методы измерений. – 2011. – № 2 (3). – С. 129–135.
  12. Perera R., Fang S.E., Huerta C. Structural crack detection without updated baseline model by single and multi-objective optimization // Mechanical Systems and Signal Processing. – 2009. – Vol. 23, iss. 3. – P. 752–768. – doi: 10.1016/j.ymssp.2008.06.010.
  13. Dilena M., Morassi А. Damage detection in discrete vibrating systems // Journal of Sound and Vibration. – 2006. – Vol. 289. – P. 830–850. – doi: 10.1016/j.jsv.2005.02.020.
  14. Xu M., Wang S., Jiang Y. Structural damage identification by a cross modal energy sensitivity based mode subset selection strategy // Marine Structures. – 2021. – Vol. 77. – P. 1–22. – doi: 10.1016/j.marstruc.2021.102968.
  15. Barbieri N., Barbieri R. Study of damage in beams with different boundary conditions // International Journal of Civil, Environmental, Structural, Construction and Architectural Engineering. – 2013. – Vol. 7, iss. 6. – P. 399–405.
  16. Damage identification and health monitoring of structural and mechanical systems from changes in their vibration characteristics: a literature review. Technical Report LA-13070-MS / Los Alamos National Laboratory; S.W. Doebling, C.R. Farrar, M.B. Prime, D.W. Shevitz. – Los Alamos, NM, 1996. – 132 p.
  17. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. – М.: Наука, 1966. – 169 с.
  18. Worlton D.С. Ultrasonic testing with Lamb waves // Non-Destructive Testing. – 1957. – Vol. 15, iss. 4. – P. 218–222.
  19. Worlton D.C. Experimental confirmation of Lamb waves at megacycle frequencies // Journal of Applied Physics. – 1961. – Vol. 32. – P. 967–971.
  20. Kessler S.S., Spearing M.S., Soutis C. Structural health monitoring in composite materials using Lamb wave methods // Smart Materials and Structures. – 2002. – Vol. 11. – P. 269–278. – doi: 10.1999/1307-6892/9351.
  21. Zaitsev V., Sas P. Nonlinear response of a weakly damaged metal samle // Journal of Vibration and Control. – 2000. – Vol. 6. – P. 803–822.
  22. Бовсуновский А.П., Матвеев В.В. Вибродиагностические параметры усталостной поврежденности упругих тел // Механічна втома металів. Праці 13-го Міжнародного колоквіуму (МВМ-2006), 25–28 вересня 2006 року. – Ternopil, 2006. – P. 212–218.
  23. Цыфанский С.Л., Бересневич В.И., Лушников Б.В. Нелинейная вибродиагностика машин и механизмов. – Рига: Рижский техн. ун-т, 2008. – 366 с. – ISBN 978-9984-32-194-3.
  24. Diana G., Bachmid N., Angel F. An on-line crack detection method for turbo generator rotors // Proceedings of International Conference on the Rotordynamics, JSME, September 14–17, 1986, Tokyo. – Tokyo, 1986. – P. 385–390.
  25. Контроль соосности установки отклоняемых поверхностей по результатам вибрационных испытаний / В.А. Бернс, А.П. Бобрышев, В.Л. Присекин, В.Ф. Самуйлов // Вестник Московского авиационного института. – 2008. – Т. 15, № 1. – С. 87–91.
  26. Способ контроля люфтов в механических проводках управления самолетов / В.А. Бернс, А.П. Бобрышев, В.Л. Присекин, А.И. Белоусов, В.Ф. Самуйлов // Полет. – 2007. – № 12. – С. 50–53.
  27. Al-Khazali H.A.H., Askari M.R. Geometrical and graphical representations analysis of Lissajous figures in rotor dynamic system // IOSR Journal of Engineering. – 2012. – Vol. 2 (5). – Р. 971–978.
  28. Бернс В.А., Долгополов А.В. Контроль зазоров в подвижных соединениях по результатам резонансных испытаний // Вестник СибГАУ. – 2013. – № 6 (52). – С. 149–153.
  29. Опыт контроля дефектов летательных аппаратов по параметрам вибраций / В.А. Бернс, Е.А. Лысенко, А.В. Долгополов, Е.П. Жуков // Известия Самарского научного центра РАН. – 2016. – Т. 18, № 4. – С. 86–96.
  30. Диагностирование трещин в металлических панелях по нелинейным искажениям портретов колебаний / В.А. Бернс, Е.П. Жуков, В.В. Маленкова, Е.А. Лысенко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 2. – С. 6–17. – doi: 10.17212/1994-6309-2018-20.2-6-17.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».