Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современных методов и средств испытаний для определения динамических характеристик конструкции 11
1.1 Анализ значения определения динамических характеристик конструкции в предварительных испытаниях 11
1.2 Анализ существующих средств воспроизведения вибрации 14
1.3 Анализ существующих систем управления виброиспытательными установками 18
1.3.1 Интегрированные системы управления 18
1.3.2 Мобильные системы управления 21
1.3.3 Стационарные системы управления 22
1.4 Анализ существующих средств измерения вибрации 23
1.5 Перспективы развития существующих методов и средств определения динамических характеристик конструкции 29
1.6 Выводы по главе 1 32
ГЛАВА 2. Исследование колебаний точек крепления конструктивных элементов ЭС 34
2.1 Теоретическое исследование воздействия удаленного источника вибрации на объект исследования 34
2.2 Математическое моделирование одномерного объекта 37
2.3 Экспериментальные исследований смещения фаз в точках крепления объекта исследования 43
2.4 Экспериментальные исследования фазового сдвига точек крепления стеклотекстолитовой пластины 47
2.5 Выводы по главе 2
ГЛАВА 3. Методика проведения испытаний для определения динамических характеристик конструктивных элементов ЭС 55
3.1 Определение фаз точек крепления 55
3.2 Бесконтактная индикация резонансов конструктивных элементов ЭСпоИЧХ 58
3.3 Экспериментальное определение центров пучностей собственных форм объекта исследования 62
3.4 Формирование результирующей АЧХ из резонансных кривых 65
3.5 Методика проведения испытаний для определения динамических характеристик конструктивных элементов ЭС 68
3.6 Выводы по главе 3 70
ГЛАВА 4. Алгоритм формирования испытательного сигнала 71
4.1 Исследование скорости изменения частоты при проведении испытаний для определения динамических характеристик конструкции 71
4.2 Структурная схема ИИиУС 79
4.3 Разработка алгоритма формирования испытательного сигнала 84
4.4 Выводы по главе 4 86
ГЛАВА 5. Практическая реализация ИИиУС 88
5.1 Устройство и работа системы управления ИИиУС 89
5.2 Устройство и работа многоканальной вибрационной установки... 93
5.3 Устройство и работа индукционных виброизмерительных преобразователей 99
5.4 Калибровка ИИиУС 101
5.5 Технические характеристики ИИиУС 103
5.5.1 Технические характеристики многоканальной вибрационной установки 103
5.5.2 Технические характеристики измерительного модуля 103
5.5.3 Технические характеристики модуля формирования
испытательного сигнала 104
5.6 Экспериментальное исследование эффективности ИИиУС 104
5.7 Выводы по главе 5 105
Заключение 107
Список использованныхисточников
- Анализ существующих средств воспроизведения вибрации
- Экспериментальные исследований смещения фаз в точках крепления объекта исследования
- Формирование результирующей АЧХ из резонансных кривых
- Разработка алгоритма формирования испытательного сигнала
Анализ существующих средств воспроизведения вибрации
При испытаниях для определения динамических характеристик конструкции наибольшее распространение получили методы плавного изменения частоты и ступенчатого изменения частоты. Иногда в лабораторных условиях проводят испытания методом воздействия широкополосной случайной вибрации [7]. Все методы вибрационных испытаний характеризуются определенными значениями параметров, зависящими группы исполнения по ГОСТ РВ 20.39.304-98.
Для осуществления требуемого вибросилового воздействия используются вибрационные установки - сложные комплексы, включающие подсистемы задания, воспроизведения, управления и измерения, анализа и регистрации параметров вибрации. Основным звеном такой установки является вибровозбудитель - преобразователь электрических колебаний в механические, предназначенный для воспроизведения заданных колебаний. В зависимости от принципа действия вибровозбудителя в ИИиУС используют различные типы электромеханических преобразователей. Наиболее широкое распространение в практике виброиспытаний нашли электродинамические, электрогидравлические и механические вибровозбудители. Первые два типа вибровозбудителей применяют в вибрационных установках, реализующих все современные методы испытаний. В этом случае в качестве задающего устройства используют генераторы электрических сигналов. Электродинамические вибраторы позволяют создавать колебания более высокочастотные, чем электрогидравлические. Полностью механические вибраторы применяют в системах, предназначенных для испытания методом фиксированных частот. Устройство классического вибростенда состоит из вибровозбудителя, генератора управляющих сигналов и усилителя мощности. В конструкцию вибровозбудителя входит как неподвижная часть - основание и магнитная системы, так и подвижная система, совершающая вибрационное движение. Устойчивое равновесие и ориентацию подвижной системы относительно основания обеспечивает система подвеса [8]. Объект испытания устанавливается и закрепляется для передачи ему вибрационного воздействия на конструктивной части подвижной системы, называемой вибростолом.
Для испытаний крупногабаритных изделий в широком диапазоне частот вибростолы имеют крупные и прочные монтажные поверхности с элементами крепления. Для испытаний изделий малых габаритов и массы на воздействие больших амплитуд ускорений в широком рабочем диапазоне частот применяют малогабаритные вибровозбудители.
При испытании допускаются любые способы крепления изделия, обеспечивающие передачу воздействия к исследуемой детали, но не искажающие (не изменяющие) её резонансные свойства. Изделия, имеющие собственные амортизаторы, испытывают без амортизаторов при жестком креплении [9].
На сегодняшний день электродинамические виброустановки являются наиболее перспективными для динамических испытаний изделий РЭА, благодаря целому ряду таких серьёзных достоинств, как: широкий частотный диапазон и значительные показатели выталкивающей силы, возможность плавного изменения частоты и амплитуды в процессе испытаний без какого-либо усложнения конструкции, высокие износостойкость и надёжность, возможность получения как гармонических, так и случайных колебаний. Основным преимуществом электродинамической установки является способность воспроизведения случайных вибраций в широком диапазоне частот [10]. Виброгенератор работает по следующему принципу: движение генерируется током, проходящим через катушку, расположенную в магнитном поле. Сила, затраченная на ускорение движущегося элемента пропорциональна току возбуждения и магнитному потоку. Таким образом, контролируя ток, мы можем контролировать уровень вибрации виброгенератора.
В небольших виброгенераторах магнитное поле продуцируется постоянным магнитом, тогда как для виброгенераторов больших размеров необходимы электромагниты (рис. 1.2). Возможный уровень ускорения определяется максимальным током и нагрузкой. Однако в области низких частот уровень ускорения будет ниже из-за ограничения на смещение движущегося элемента. Верхнюю границу частоты определяет резонанс движущегося элемента
Использование виброгенератора предполагает постоянный уровень вибрации на столе. Кривая частотной характеристики не плоская, она содержит резонансы; другие резонансы возникнут, когда на вибростенде будет установлен тестируемый объект. При работе во всем диапазоне частот коэффициент усиления будет изменяться в соответствии с изменением частоты [11].
В режиме усиления с регулированием выходного тока частотная характеристика виброгенератора состоит из трех областей, разных по своей природе. За первые две области отвечает пружинно-массовая система из подвижного элемента и его подвески с резонансной частотой, как правило, 20 Гц. В третьей области (для больших виброгенераторов это более 3 кГц), возникают осевые резонансы подвижного элемента, определяющие верхнюю границу рабочей частоты виброгенератора.
В режиме усиления с регулированием выходного напряжения график характеристики виброгенератора имеет те же три области, но нижний резонанс существенно заглушается, это позволяет осуществлять более простую регулировку уровня. Зачастую, предпочтительным является второй режим, который достигается с помощью усилителя с низким сопротивлением. Но иногда, более удобно управление током, например, если виброгенератор используется как силовой генератор, или если требуется управление без обратной связи с использованием средней области частотного диапазона виброгенератора. Для этого требуется выход с высоким сопротивлением, поэтому усилители часто оснащаются выходами с выбором сопротивления.
Экспериментальные исследований смещения фаз в точках крепления объекта исследования
Если среда распространения вибрации не однородна, а представляет собой составную конструкцию, в которой стыкуемые поверхности соприкасаются друг с другом под разными углами, источников вибрации несколько (гусеницы, двигатель, трансмиссия) и направления распространения волн от них различны - в отдельные моменты времени точки крепления могут перемещаться противофазно даже в низкочастотном поддиапазоне [56].
В рамках данного исследования испытаниям по определению резонансных частот подвергался пульт управления питанием (далее объекту исследования), разработанный для оснащения машины управления на транспортной базе на гусеничном ходу. Пульт имеет четыре точки крепления к объекту оснащения, именно в эти точки осуществлялось вибрационное воздействие. Для определения виброскорости в точке на поверхности объекта исследования (ОИ) эта точка не должна совпадать с узлами собственных колебаний. Однако как видно из рисунка 2.14, если на одной моде в контрольной точке должен быть центр пучности то на другой моде эта контрольная точка может оказаться в районе узла. Например, в точке 21 вторая и шестая мода приходится на пучность, а четвертая и восьмая на узел. Если измерение проводить поочередно в разных точках то присоединение дополнительной массы и жесткости к разным участкам ОИ может по разному изменить свойства системы и её нормальные колебания. Поэтому для выявления характера колебательных процессов ОИ измерение следует проводить одновременно в двух или более точках на ее поверхности [57].
Нормальные колебания однородной пластины Согласно одному из главных, основополагающих принципов проводимых испытаний - принципу эквивалентности испытательных режимов режимам эксплуатации измерение частотных характеристик проводилось с помощью акселерометров LIS2DM, приклеенных к пульту управления питанием. Внешний вид объекта исследования представлен на рисунке 2.15. Точками на корпусе показаны места закрепления акселерометров.
Так как в узловых точках амплитуда колебаний обращается в нуль, АЧХ обладает неполной информативностью о колебательных свойствах системы, а ИЧХ (на графиках показана пунктиром) лишь косвенно указывает на значение амплитуд, то в совокупности они предоставляют более полную информацию о характере вибрации исследуемой системы. Достоинством ИЧХ является отсутствие влияния на исследуемую систему [59].
Нетрудно заметить, что резонансные свойства на двух графиках отличаются. При синфазном воздействии преобладают нечетные формы, при противофазном четные. Для простоты объяснения этого явления, представим себе двухмерный объект, закрепленный с двух сторон [60].
При возбуждении гармонических колебаний в точках крепления на резонансной частоте установится стоячая волна, причем в точках крепления обязательно получатся узлы, а между ними одна или несколько пучностей. Стоячая волна возникает в результате сложения двух волн, движущихся в противоположных направлениях от источников, поэтому знак при координате одной из них изменен. Кроме того, следует учесть, что фазы источников могут различаться [61]. Допустим, что отражение от точек крепления отсутствует, тогда уравнение стоячей волны, обусловленной только вибрационным воздействием:
Падающая волна после отражения от противоположной точки крепления приобретет сдвиг фаз, равный к, и вернувшись назад наложется на волну источника. Если сдвиг фаз между возбуждающей и отраженной волной будет кратным 2 л, что происходит при противофазном возбуждении, то результатом наложения будет волна, амплитуда которой превышает S исходной стоячей волны. При синфазном возбуждении установится стоячая волна, амплитуда которой не превышает S, т.е. ярко выраженный резонанс на четных модах невозможен [63].
Результаты теоритического исследования показали наличие фазового сдвига в точках крепления ОИ в ВЧ области рабочего диапазона частот, что указывает на влияние деформационной составляющей испытательного сигнала на ОИ [3, 64].
Результаты математического моделирования выявили различия АЧХ при синфазном воздействии, противофазном воздействии и наличии фазового сдвига в 90. При синфазном воздействии возбуждаются только нечетные моды, при противофазном - только четные, при сдвиге фаз в 90 -возбуждаются все моды, но с пониженной амплитудой [65]. Результаты экспериментального исследования деформационной составляющей вибрации измеренной в крепежных бонках ИВН показали, что динамические деформации оказывают воздействие не только в высокочастотном поддиапазоне [66]. Кроме того, пренебрежение деформационной составляющей вибрации приводит к существенным искажениям действительной картины динамического нагружения ОИ.
Проведенные экспериментальные исследования фазового сдвига точек крепления стеклотекстолитовои пластины подтвердили существенные различия в частотных характеристиках при синфазном и противофазном возбуждении. Таким образом, при использовании только синфазного или только противофазного возбуждения полученные результаты не в полной мере соответствуют действительности.
Формирование результирующей АЧХ из резонансных кривых
Индикация резонансов конструкции осуществляется с помощью пьезоэлектрических, ёмкостных, электретных или индукционных виброизмерительных преобразователей. Независимо от типа преобразователя на выходе датчика первичной информации формируется переменный сигнал пропорциональный величине вибрации объекта исследования (ОИ) [88].
Для извлечения максимума информации о переменном сигнале с датчика первичной информации достаточно получить ряд его выборок с частотой дискретизации, выбранной в соответствии с теоремой Шеннона которая должна быть как минимум вдвое выше максимальной частоты спектра сигнала. После цифровой обработки полученного набора значений можно получить некоторую совокупность параметров, полностью описывающих исходный сигнал [89]. Однако при преобразовании временного интервала, который содержит информацию об измеряемом процессе, в цифровом измерительном устройстве возникает погрешность квантования по времени. Эта погрешность носит случайный характер и не превышает одного шага квантования [90].
Для определения динамических характеристик конструкции достаточно получить менее емкую характеристику - зависимость амплитуды виброскорости во времени. Для представления амплитуды сигнала используется три параметра: пиковое, средневыпрямленное и эффективное значения [91].
Среднеквадратичное значение является наиболее важным параметром для определения величины сигнала. Это наиболее распространенный способ определения величины сигнала переменного тока; если не оговорено иное, то всегда имеется в виду именно эффективное значение. Еэф определяет мощность сигнала, так как среднеквадратичные значения переменного напряжения или тока определяются как эквивалентные постоянные напряжение или ток, которые при воздействии на один и тот же резистор выделяют столько же тепла, что и измеряемый сигнал переменного тока. Этот параметр равен корню квадратному из среднего значения квадрата сигнала:
Структурная схема преобразователя в эффективное значение Преобразователь переменного напряжения в эффективное является нелинейным узлом, на вход которого подается переменный сигнал, а на выходе вырабатывается постоянное напряжение, поэтому его частотная характеристика определяется как зависимость погрешности преобразования (в процентах) от частоты входного сигнала. Низшая рабочая частота преобразователя должна быть на много больше, чем 1/т, где т постоянная времени сглаживания схемы, выбор которой, как правило, определяется компромиссом между амплитудой пульсаций на выходе и быстродействием.
В случае если частота сигнала известна, и требуется определить только амплитуду на этой частоте, достаточно дискретизировать эффективное значение с помощью АЦП с частотой достаточной для построения АЧХ [92]. Поиск резонансных частот осуществляют путем плавного изменения частоты при поддержании постоянной амплитуды. Погрешность измерения частот должна быть 0,5% или 0,5 Гц, причем учитывают большее значение. ГОСТ 30630.1.1-99 при испытаниях для определения динамических характеристик конструкции методом плавного изменения частоты определяет продолжительность испытаний временем, необходимым для измерения заданных параметров и регламентирует значение скорости изменения частоты равное одной-двум октавам в минуту [8].
Если проводить сканирование широкого диапазона частот (например от 10 Гц до 1кГц и более) с такой скоростью за одну итерацию и одним устройством, то на низких частотах сглаживающий фильтр преобразователя не обеспечит эффективного усреднения, и на выходе появятся значительные пульсации и погрешность постоянного уровня [93]. ГОСТ 30630.1.1-99 при испытаниях для определения динамических характеристик на частотах ниже 10 Гц допускает при значениях частот от 1 до 50 Гц устанавливать значение скорости изменения частоты 10 Гц в минуту. В поддиапазоне 40-50 Гц это обосновано, т.к. увеличивается время измерения. При использовании метода ступенчатого изменения частоты при частотах, значения которых составляют 10 Гц и менее, испытания проводят на фиксированных частотах при продолжительности выдержки на каждой частоте в пределах 10-30 секунд.
Несмотря на то, что обычно усреднение в преобразователе в эффективное значение осуществляется простым RC-фильтром, реакция на скачкообразное изменение входного сигнала не описывается экспоненциальной функцией [94]. Время установления tycT выходного напряжения с точностью до є от установившегося значения:
При скорости изменения частоты в одну октаву за минуту на поддиапазоне от 10 до 20 Гц N составит 900 периодов измеряемого сигнала. Экспериментальные исследования по анализу колебательных характеристик электронных средств показали, что на интервале 1/60 октавы при резонансах с высокой добротностью изменения уровней АЧХ достигают ldB [95]. Т.е. за время установления равное одной секунде измеряемый сигнал может измениться на 10%. При скорости изменения частоты 1 октава в минуту быстродействия преобразователя с временем установления 1 секунда недостаточно. За одну секунду в испытательном сигнале (10-20 Гц) уложится в среднем 15 периодов, что явно недостаточно для преобразования в эффективное значение с приемлемой погрешностью.
На рисунке 4.2 при скорости изменения частоты испытательного сигнала 1 октава/мин в области нижних частот наблюдаются искажения обусловленные высоким значением скорости изменения частоты. В области верхних частот виброскорость соответствует действительной. При частотном диапазоне от 24Гц до 1500 Гц время проведения эксперимента шесть минут.
Разработка алгоритма формирования испытательного сигнала
Реализовано формирование испытательного сигнала на генераторе прямого синтеза на 8-разрядном микроконтроллере. Схема алгоритма генератора представлена на рисунке 4.10.
Один период синусоидальных колебаний представлен в памяти программ 256 значениями. Эти значения необходимо загрузить в ОЗУ, что бы впоследствии передать их в соответствующий порт ввода-вывода по указателю Accum. Формирование нуля на выходе осуществляется передачей в порты ввода-вывода значения 7F в бесконечном цикле. Запуск генератора осуществляется командой Start полученной по последовательному интерфейсу в цикле программы или по прерыванию. Accum - это аккумулятор фазы, состоящий из трех 8-разядных регистров [101]. В младший регистр добавляется слагаемое AF определяющее текущее значение частоты: где Fci0Ck - тактовая частота, т - количество тактов в цикле генерации, В -разрядность аккумулятора (в данном случае 24).
Фазовый сдвиг n-ого канала определяется 8-разрядной переменной р добавляемой к старшему регистру аккумулятора непосредственно перед передачей в порт значения из ОЗУ. Условие Т=\ определяет, закончилось ли формирование одного периода колебаний, если да то необходимо заново рассчитать значение AF. Если нет, то необходимо установить значение сигнала управляющего т выдачей в порт двух старших регистров AF. f Начало J
Блок схема алгоритма генератора Цикл необходимо задать так, чтобы количество тактов в разных ветках было одинаковым. На частотах выше 160 Гц скорость постоянна, равна одной октаве в минуту и зависит от значения AF: AF =AF ,+-—н где FH - нижняя фиксированная частота по ГОСТ 30630.1.1-99 диапазона частот, в котором находится текущая частота. Таким образом, чем ниже частота - тем меньше скорость изменения частоты. Условие F = FK необходимо для выхода из цикла при завершении формирования испытательного сигнала. 4.4 Выводы по главе 4 Для обоснования необходимости использования алгоритма управления ИИиУС проведены исследования скорости изменения частоты испытательного сигнала, результаты которых в области нижних частот выявлены искажения обусловленные высоким значением скорости изменения частоты и проявляющиеся в виде пульсаций. Доказано, что при снижении скорости изменения частоты в НЧ области наблюдается снижение искажений, в то время как в СЧ и ВЧ области изменений не наблюдается, поэтому целесообразно снижать скорость изменения частоты только в НЧ области и оставить ее традиционной в СЧ и ВЧ поддиапазоне.
Для определения оптимальной постоянной времени ФНЧ при измерении сигнала с переменной скоростью проведены экспериментальные исследования, результаты которых доказывают, что если постоянная времени соответствует скорости ВЧ области, тогда в НЧ области наблюдаются искажения.
Если постоянная времени соответствует скорости НЧ области, тогда в ВЧ области наблюдается снижение амплитуды резонансных пиков, обусловленное недостаточным быстродействием ФНЧ. Для устранения этого противоречия разработан алгоритм формирования испытательного сигнала с переменной скоростью до 160 Гц и формированием сигнала управляющего значением постоянной времени сглаживающего фильтра в соответствии с текущей скоростью изменения частоты.
Для реализации предложенного алгоритма разработана структурная схема, отличающаяся наличием регулятора постоянной времени в ФНЧ, позволяющем использовать испытательный сигнал с переменной скоростью изменения частоты. ИИиУС состоит из системы управления ИИиУС, многоканальной вибрационной установки индукционного ВИП прямого действия. Внешний вид многоканальной вибрационной установки представлен на рисунке 5.1.
В данной работе используется индукционный ВИП прямого действия. При использовании лазерного виброметра устройство крепления измерительного элемента необходимо доработать. Количество вибровозбудителей определяется конструктивными особенностями ОИ. Данная вибрационная установка ориентирована на испытания конструктивных элементов электронных средств с четырьмя точками крепления, однако их количество может быть увеличено при необходимости.
Система управления ИИиУС реализована на микроконтроллерах AVR, генератор на atmegal28, а измеритель на atmega8. Оба микроконтроллера тактируются от одного кварцевого резонатора с частотой 11,0592 мГц, что снижает ошибки передачи по последовательным интерфейсам. Связь между микроконтроллерами осуществляется по интерфейсу SPI, измеритель в режиме master, генератор в режиме slave. Связь с ЭВМ по интерфейсу rs232 осуществляется измерителем. Коэффициент усиления дифференциального усилителя устанавливается в ручном режиме из интерфейса пользователя ПО и определяется содержимым соответствующего регистра генератора. Запуск генератора осуществляется по команде «start» ObOOOlllOO (bin), 28 (dec). Настройка генератора осуществляется пакетом из 8 байт с заголовком «setting» ObOOl 11000 (bin), 56 (dec). После приема команды «setting» генератор ожидает 7 байтов с настройками. После чего переходит в спящий режим. Перевод генератора в спящий режим во время синтезирования испытательного сигнала осуществляется по команде «mute» - любой байт за исключением «start» и «setting». В таблице 1 представлен протокол информационного обмена [102].
Измеритель дискретизирует 64 значения аналогового выпрямленного и отфильтрованного сигнала и передает усредненное значение в ЭВМ по последовательному интерфейсу для дальнейшей обработки и визуализации. Для снижения погрешности усреднения в ФНЧ используется управление величиной постоянной времени, реализованное на резистивной оптопаре. Сигнал формируется на портах F и G одиннадцатью разрядами двух старших регистров AF, затем преобразуется в аналоговую величину резистивным АЦП. На рисунке 5.2 показана реализация регулятора постоянной времени сглаживающего фильтра. Таблица 1 - Протокол информационного обмена