بخشی از مقاله
چکیده
کاربرد روزافزون سیستمهای دوار در صنعت در سالهای اخیر زمینه انجام تحقیقات گسترده در رابطه با این ماشین آلات را فراهم کرده است. در این نوع سیستمها عیوب متعددی وجود دارد که از جمله آنها میتوان به ناهمراستایی، ارتعاش، نابالانسی و عیوب یاتاقان اشاره نمود. نابالانسی جرمی در سر فصل مشکلات ارتعاشی قرار دارد زیرا معمولتر از همه است و تشخیص آن نیز آسانتر است.
در این تحقیق با استفاده از الگوریتم شبکه عصبی مصنوعی تلاش شده است تا پارامترهای نابالانسی در یک سیستم دیسک و شفت با داشتن نیروهای یاتاقانها تعیین شود. این پارامترها، شامل جرم نابالانسی، فاصله شعاعی تا مرکز شفت و فاصله صفحه شامل جرم نابالانسی تا مرکز شفت میباشد. برای این منظور، دو مدل در نظر گرفته میشود. مدل اول دارای یک جرم نابالانسی بر روی دیسک است که محل دیسک بر روی شفت متغیر میباشد.
در مدل دوم موقعیت دیسک ثابت نگه داشته شده اما دیسک دارای دو جرم نابالانسی است به صورتیکه فاصله شعاعی دو نابالانسی و جرم آنها تغییر می-کند. به منظور اعتبارسنجی نتایج شناسایی پارامترهای نابالانسی در هر دو مدل، نتایج حاصل از شبکه عصبی به عنوان ورودی در نرم افزار ادمز استفاده میشود تا نیروهای یاتاقانها به دست آیند. از مقایسه این نیروها با نیروهای مدل اولیه ایجاد شده در نرم افزار ادمز، توانایی شبکه عصبی مورد استفاده برای شناسایی پارامترهای نابالانسی تأیید میشود.
1 مقدمه
امروزه سیستم های دوار با توجه به نقش حیاتی که در صنعت دارند بسیار مورد توجه محققان قرار گرفتهاند× و تحقیقات گستردهای در رابطه با این ماشینآلات انجام شده است. در این نوع سیستمها عیوب متعددی وجود دارد که از جمله آنها میتوان به ناهمراستایی، ارتعاش، نابالانسی و عیوب یاتاقان اشاره نمود. نابالانسی جرمی در سر فصل مشکلات ارتعاشی قرار دارد زیرا معمولتر از همه است و تشخیص آن نیز آسانتر است. نابالانسی شرایطی است که مرکز جرم با مرکز دوران یکی نیست. این حالت به دلیل توزیع نامتوازن جرم حول مرکز دوران به وجود میآید.
جمع برداری تغییرات چگالی در نقاط مختلف را میتوان به عنوان یک بردا یا یک وزنه در یک نقطه از سطح در نظر گرفت. این بردار گفته شده را می توان به صورت یک جرم سنگین از یک نقطه از روتور تصور کرد بٌب. نابالانسی اثر خود را در نیروهای یاتاقانها نشان میدهد، به این صورت که این نیروها از محدوده مجاز خود خارج شده و باعث ایجاد خرابی در یاتاقان ها و شکست در شفت سیستم دوار میشوند. اولین قدم در حل این مشکل شناسایی پارامترهای موثر در نابالانسی میباشد. این پارامترها شامل جرم و مکان نابالانسی است.
با استفاده از روش حل مناسب میتوان مقادیر جرم و موقعیت نابالانسی را تعیین نمود. سپس با توجه به این پارامترها روش حل مناسب را میتوان یافت. دو روش مهم در رابطه با تعیین مکان نابالانسی وجود دارد این روش ها الگوریتم شبکه عصبی و شناسایی سیستم ها نام دارند. در این تحقیق با استفاده از الگوریتم شبکه عصبی تعیین محل نابالانسی و میزان جرم آن مورد بررسی قرار گرفته است.
شبکههای عصبی مصنوعی که یک مفهوم ریاضی توسعه داده و الهام گرفته از سیستم های بیولوژیکی انسان است به عنوان یک سیستم دینامیکی غیرخطی با قابلیت نگاشت توابع غیرخطی به طور گسترده اهمیت ویژه ای را در کاربردهای فنی و مهندسی برای مسائل غیر خطی پیدا کردهاند 2] و .[3 در این راستا، هو و همکاران [4] از شبکه عصبی برای تعیین ارتعاشات و مقدار پیشرانه موتورهای جت استفاده کردند و اهمیت استفاده از شبکه عصبی برای تحلیل مدلهای ارتعاشی را نشان دادند.
در تحقیقی دیگر، هو و همکاران [5] در رابطه با نابالانسی در موتور هواپیما با استفاده از شبکه عصبی موفق به تعیین مقدار و محل نابالانسی در موتور هواپیما شدند. برای بهبود عملکرد سیستم های دوار در حضور عوامل متعددی از جمله نابالانسی با استفاده از شبکه عصبی سیستمی برای تعمیر ماشینهای دوار توسط کلکت و همکاران پیشنهاد شد .[6] اسرینیواس و همکاران [7] در تحلیل ارتعاشات سیستم های دوار با استفاده از شبکه عصبی، علاوه بر تعیین خرابیهای ناشی از نابالانسی، موفق به تعیین عیوب شفت نیز شدند.
ردی و سخار [8] با دو روش الگوریتم شبکه عصبی و مقدار دامنه فرکانس و استفاده از ویژگیهای آماری علاوه بر یافتن محل نابالانسی موفق به تعیین عیوب یاتاقانها در ماشین آلات دوار شدند. مقالات منتشر شده در این زمینه کارائی بالای الگوریتم شبکه عصبی در شناسایی پارامترهای نابالانسی را نشان میدهد. با توجه به این که تحقیقات انجام شده در این زمینه در رابطه با مدلهای ساده می باشد، در این تحقیق با استفاده از الگوریتم شبکه عصبی تلاش شده است تا پارامترهای نابالانسی در یک سیستم دیسک و شفت با داشتن نیروهای یاتاقانها در حالتی موقعیت نابالانسی نامعلوم باشد و تعداد نابالانسی نیز بیش از یکی باشد تعیین شود.
این پارامترها، شامل جرم نابالانسی، فاصله تا مرکز شفت و فاصله صفحه شامل جرم نابالانسی تا مرکز شفت میباشد. برای این منظور، دو مدل در نظر گرفته میشود. مدل اول دارای یک جرم نابالانسی بر روی دیسک است که محل دیسک بر روی شفت متغیر می باشد و در مدل دوم موقعیت دیسک ثابت نگه داشته شده اما دیسک دارای دو جرم نابالانسی است به صورتیکه فاصله شعاعی دو نابالانسی و جرم آنها تغییر میکند.
2 مدل سازی در نرم افزار ادمز ADAMS 2014
برای استفاده از قابلیتهای شبکه عصبی نیاز به دو ماتریس ورودی و خروجی برای آموزش شبکه میباشد. این ماتریسها شامل مقادیر نیرو در یاتاقانها، جرم و موقعیت نابالانسی است . مقادیر نیرو در یاتاقانها توسط شبیهسازی در نرم افزار ادمز تعیین می-شود. برای دستیابی به این دو ماتریس نیاز به ایجاد مدل در نرم افزار ادمز است. مدلسازی در نرم افزار ادمز این امکان را فراهم می-سازد که انواع حالتهای متفاوت را مورد آزمایش قرار داد. با توجه به اینکه نرم افزار ادمز یک نرم افزار تحلیل دینامیکی است میتوان مقادیر نیروهای یاتاقانها که نقش مهمی در تعیین موقعیت نابالانسی و میزان جرم آن را دارند با دقت بسیار زیاد تعیین نمود.
در مدل اول سیستم دوار شامل یک دیسک و یک جرم نابالانسی است که این مجموعه بر روی شفت متحرک بوده تا سیستم را در حالتهای متفاوت مورد آزمایش قرار دهیم. با توجه به اینکه در انجام این آزمایش سرعت شفت ثابت در نظر گرفته میشود لذا جزء درجات آزادی محسوب نمیشود. سیستم نشان داده شده در شکل - 1 - دارای چهار درجه آزادی شامل دو دوران در راستای محور ×xو y و همچنین دو انتقال در راستای این محورها است. در مدل دوم، شکل - 2 - ، سیستم دوار شامل دو جرم نابالانسی با جرم و موقعیت متفاوت میباشد. نرم افزار ادمز ابزار نقشه کشی قدرتمندی ندارد لذا برای ایجاد مدل در این نرم افزار ابتدا لازم است هندسه مدل در نرم افزار کتیا CATIA V5R20 رسم شود.
1.2 فرضیات
برای شبیهسازی این سیستم دوار در نرم افزار مجموعهای از فرضیات اعمال شده تا نتایج با دقت بیشتری به دست آیند. در این مدلسازی فرض شده است که سرعت شفت دوار ثابت بوده تا شبیهسازی مانند مدلهای صنعتی باشد. در مدل اول، سیستم دوار شامل دیسک و جرم نابالانسی است به صورتیکه مقدار جرم نابالانسی و فاصله شعاعی آن تا مرکز دوران تغییر میکند. در مدل دوم موقعیت دیسک ثابت نگه داشته شده اما فاصله شعاعی دو نابالانسی و جرم آنها تغییر میکند.
3.2 مدل دوم
با توجه به اینکه در ماشینهای دوار به طور معمول مکان دیسک ثابت و تعداد جرمهای نابالانسی بیش از یکی میباشد لذا در این مدل با ثابت نگه داشتن مکان دیسک و افزایش تعداد نابالانسی به دو جرم، پارامترهای نابالانسی متفاوتی در نظر گرفته میشود.×در شبیهسازیهای انجام شده برای تعیین مکان نابالانسی علاوه بر تعیین میزان جرمها، شعاع نابالانسی نیز مورد توجه قرار گرفته است تا یافتن محل نابالانسی به طور دقیقتری انجام شود. یک مدل چهار درجه آزادی با فرضیات ذکر شده مانند شکل - 2 - ایجاد شده است. در این مدل سه جرم برای هر نابالانسی به همراه سه شعاع متفاوت در هر حالت در نظر گرفته شده است که در نهایت دارای 81 حالت متفاوت برای دو جرم نابالانسی می باشد.
3 شبکه عصبی
شبکههای عصبی مصنوعی شامل نورونهای هستند که به صورت واحدهای محاسباتی مرتبط با یکدیگر عمل میکنند.
