Структурный анализ систем

Как определить скрытые дефекты, например усталостные трещины в лопатках турбины авиадвигателя?

Разбор задачи

Необходимо выявить дефекты турбинной лопатки В₁. Можно подобрать поле П₁, на которое будет отзываться В₁.

Вепольная схема для поиска решения будет иметь вид (3.37).

К лопатке подводят источник, возбуждающий механические колебания (катушка индуктивности). Катушка через усилитель мощности соединена с генератором электрических колебаний. Меняя частоту колебаний генератора, доводят ее до резонансной частоты. Рядом с лопаткой ставят микрофон, передающий эти колебания в электрическом виде на осциллограф (рис. 3.11). По изменению формы колебаний судят о наличии усталостной трещины.

Рис. 3.11. Определение скрытых дефектов

Основное в данном решении — дефект определяют «по звуку». Лопатку приводят в колебательное движение с помощью соответствующего поля П₁. Описанное решение соответствует веполю (3.38), где:

П₁ — поле механических колебаний (его можно обозначить П_мех или П_кол);

В₁ — лопатка;

П₂ — звуковое поле — колебание воздуха (П_зв).

Тогда этот веполь можно изобразить (3.37).

Это же решение можно представить более сложным веполем, описанным схемой (3.39).

Где:

В₀ — генератор электрических колебаний;

П₀ — поле электрических колебаний;

В₂ — катушка индуктивности;

П₁ — переменное магнитное поле (генератор механических колебаний);

В₁ — лопатка;

П₂ — звуковое поле;

В₃ — микрофон;

П₃ — электрический сигнал;

В₄ — осциллограф;

П₄ — световой сигнал (изображение колебаний на экране осциллографа).

Такой веполь называется цепным.

При желании эту модель можно усложнить еще больше.

В веполе (3.39) представлено несколько различных систем:

В₀, П₀ — генератор электрических колебаний;

В₂, П₁ — электрическая катушка;

В₃, П₃ — микрофон;

В₄, П₄ — осциллограф.

Все эти системы вспомогательные. Главная идея — измерение «тона звука» П₂, которое получается в результате возбуждения полем П₁ лопатки В₂. Данное решение может быть осуществлено и другим образом, например, возбуждать и снимать колебания можно с помощью пьезопреобразователей.

Как было написано раньше — это задача на обнаружение (дефекта в лопатке), которое осуществляется измерением сигнала П₂, поэтому задача и на измерение тоже.

Двойной веполь

Двойной веполь образуется соединением простых веполей. Схема двойного веполя представлена схемой (3.40)

Задача 3.8. Разлив жидкого металла

Условия задачи

Разлив жидкого металла В₁ из ковша В₂ осуществляется из донного отверстия (рис. 3.12) под действием гравитации П₁. Вепольная структура данной системы представлена в виде (3.40).

Рис. 3.12. Разлив жидкого металла

Такой разлив осуществляется неравномерно, так как зависит от высоты h столба жидкого металла (от гидростатического напора). Как сделать разлив равномерным?

Разбор задачи

Чтобы сделать разлив равномерным, необходимо компенсировать действие силы гравитации, т. е. воздействовать еще одним полем П₂ — перейти к двойному веполю (3.42).

Гидростатический напор регулируют высотой h столба жидкого металла над отверстием разливочного ковша, вращая П₂ металл в ковше (рис. 3.13), например, электромагнитным полем8.

При вращении металла в ковше в зависимости от скорости вращения образуются параболы различной формы (пунктирные линии на рис. 3.13). Максимальная высота h_max, когда нет вращения (скорость вращения V_o = 0). Максимальной скорости вращения (V_max) должна соответствовать усеченная парабола, когда над отверстием отсутствует металл (h_min = 0) и, следовательно, он не выливается. Таким образом, можно регулировать расход металла через донное отверстие разливочного ковша.

Рис. 3.13. Вращение жидкого металла

Смешанный веполь

Смешанный веполь представляет собой сочетание цепного (3.36) и двойного (3.40) веполей или соединение двух двойных веполей (3.40).

Переход от цепного веполя к смешанному показан на схеме (3.43), а переход от двойного к смешанному — на схеме (3.44).

Пример 3.9. Фильтр

Для очистки воздуха в производственных помещениях используют громоздкие фильтры. В вепольном виде это можно представить (3.45).

Где:

В₁ — воздух;

В₂ — пыль;

П₁ — воздушный поток;

В₃ — фильтр.

Это модель внутреннего комплексного веполя.

Следующий шаг в развитии систем очистки воздуха — это использование циклона (рис. 3.14). В циклоне загрязненный воздух раскручивается с большой скоростью, частички пыли, висящие в воздухе, отбрасываются к стенкам за счет центробежных сил, ударяются о них и падают в пылесборник.

Рис. 5.10. Циклон

В этом решении использован двойной веполь, по схеме (3.40).

Где:

В₁ — воздух;

В₂ — пыль;

П₁ — воздушный поток;

П₂ — центробежные силы.

Можно усовершенствовать это решение.