В теорию виброиспытаний f ma fm 26616 I so 9001 2
 Скачать 462.89 Kb.
|
|
РАЗДЕЛ 2. КАК ВЫБРАТЬ ВИБРАЦИОННУЮ ИСПЫТАТЕЛЬНУЮ СИСТЕМУ ВВЕДЕНИЕ Назначение вибрационной системы заключается в создании определенных и воспроизводимых механических колебаний, передаче их объекту испытаний, а также в имитации реальных условий вибрации, создании переменных напряжений в объекте испытаний для выявления скрытых дефектов, изучении свойств испытываемой конструкции. Поэтому генератор колебаний – вибратор - должен обеспечивать движение только в одном направлении с малыми искажениями и иметь перемещение, скорость и ускорение, обеспечивающие удовлетворение большей части требований по проведению испытаний в пределах создаваемой толкающей силы. Первоочередные требования При определении параметров вибрационной испытательной системы необходимо в первую очередь знать: 1. Параметры полезной нагрузки: • массу • форму • размеры • положение центра тяжести (статическое и динамическое) • массу оснастки и т.д. 2. Режимы испытаний: • синусоидальной вибрацией • синусоидальной вибрацией со скользящей частотой • случайной вибрацией, широкополосной и узкополосной • ударным нагружением • синусоидальной вибрацией наложенной на случайную • ударный спектр и т.д. Дополнительные требования 1. Мощностные возможности системы - сможет ли система обеспечить требуемые уровни нагружения для наибольшего из предполагаемых объектов испытаний ? 2. Основные характеристики - перемещение, скорость и частотный диапазон. 3. Статическая грузоподъемность – нужны ли дополнительные средства для обезвешивания полезной нагрузки? 30 4. Эксплуатационные условия – будет ли система эксплуатироваться в лабораторных условиях квалифицированным персоналом или на производстве неподготовленными рабочими? Есть ли ограничения по охлаждению системы: по расходу воды для системы с водяным охлаждением и по количеству отводимого тепла для системы с воздушным охлаждением. Могут быть и другие факторы относительно условий эксплуатации. 5. Условия применения: будет ли система универсальной для испытаний общего назначения или она предназначена для проведения конкретных видов испытаний? Рассмотрим пример, в котором идеальная с точки зрения симметрии и динамических свойств полезная нагрузка должна подвергаться двум видам испытаний: синусоидальной вибрации и случайной вибрации. Для этого в первом приближении выбрана система, включающая вибратор V830-335 и усилитель мощности SPA10K. Характеристики системы V830-335 SPA10K Рабочий частотный диапазон 0 - 3000 Гц Номинальный ход стола (S=52) 50.8 мм Номинальная скорость 2000 мм/с ампл. Номинальное ускорение (синусодальное) 75 g ампл. Номинальное ускорение (случайное) 60 g скв. Номинальное ускорение (ударное) Зависит от нагрузки Номинальная сила (синусоидальная) 1000 кгс ампл. Номинальная сила (случайная) 1000 кгс скв. Номинальная сила (ударная) Зависит от нагрузки Частота основного резонанса арматуры 2300 Гц ±5% Масса арматуры (с крепежными вставками) 12.85 кг Масса корпуса 616 кг Поперечная жескость с учетом вставок 535.7 кгс/мм Максимальный опрокидывающий момент 2868 кгс мм Радиус окружности размещения вставок 55 мм Максимальная статическая нагрузка 160 кг Частота резонанса виброизоляции 5 Гц или 10 Гц 31 Приведенный перечень указывает на предельные параметры. Значения некоторых параметров определены исходя из максимальных возможностей вибратора и усилителя мощности. Например, если вместо 10-киловаттного усилителя мощности использовать 5- киловаттный, максимальное толкающее усилие и ускорение будут меньше, так как меньше будет выходной ток усилителя. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ: Синусоидальная вибрация В идеальном случае возможности системы должны быть на 20-30 % больше, чем необходимо. Не выбирайте систему, которая буде работать на пределе своих возможностей! Чтобы показать, как это делается, воспользуемся параметрами рассмотренной нами системы V830-335 SPA10K. Испытания скользящей синусоидой 20 kg Load and fixture 5Hz 1000Hz gn pk A=20gn pk D=20mm p-p V=900mm/s pk Frequency Находятся ли частоты испытаний в рабочем диапазоне частот системы? Предел: 0 – 3000 Гц Нужно: 5 – 1000 Гц YES Частота перехода перемещение – скорость - 14.32 Гц Частота перехода скорость - ускорение - 34.68 Гц Требуемый ход стола меньше номинального? 20 мм < 50.8 мм YES Требуемая скорость меньше номинальной? 900 мм/с < 2000 мм/ с YES Требуемое ускорение меньше номинального? 20 g < 75 g Да Да Да 20 кг нагрузка и оснастка gn ампл. Частота 1000 Гц 20 мм ампл. 900 мм/с ампл. ампл. 32 YES Определите общую подвижную массу 12.85 кг + 20 кг = 32.85 кг (Примечание 2) Будет ли вибратор держать статическую нагрузку? (Примечание 3) 32.85 кг < 160 кг YES Определите требуемую толкающую силу 32.85 кг * 20 g = 657 кгс ампл. Требуемая сила меньше номинальной? 657 кгс < 1000 кгс YES Вибратор установлен жестко? YES NO Calculate the maximum travel available with the specified load Is the required travel less than the maximum travel available? Если резонансная частота виброизоляции лежит в диапазоне частот испытаний, результаты вычислений могут быть неверны! мм 49.37 D 616 20 12.85 20) (12.85 52 52 D = + + + × − = 20 мм < 49.37 мм Можно использовать менее мощную систему? NO YES Выберите другую систему и повторите расчеты Да Да Да Да Нет Да Нет Определите максимальное перемещение при заданной нагрузке Требуемое перемещение меньше максимально допустимого? 33 Проведите проверки для других нагрузок и режимов испытаний. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ: Случайная вибрация В идеальном случае возможности системы должны быть на 20-30 % больше, чем необходимо. Не выбирайте систему, которая буде работать на пределе своих возможностей! Чтобы показать, как это делается, воспользуемся параметрами рассмотренной нами системы V830-335 SPA10K. Испытания случайной вибрацией 20 kg Load and fixture 20Hz 1000Hz gІ/Hz 0.2 gІ/Hz -6dB/oct 3dB/oct Frequency 80Hz 500Hz PSD Верхняя частота выше 500 Гц? (Примечание 1) 1000 Гц > 500 Гц YES Спектральная плотность на 20 Гц = 0.0502377 g²/ Гц Спектральная плотность на 20 Гц = 0.0502377 g²/ Гц Определите суммарное ускорение gn скв. gn = 11.90023553 g скв. Суммарное ускорение меньше номинального? 11.9 g скв. < 60 g скв. YES Определите общую подвижную массу 20 кг + 12.85 кг = 32.85 кг (Примечание 2) Будет ли вибратор держать статическую нагрузку? (Примечание 3) 32.85 кг < 160 кг Да Да 20 кг нагрузка и оснастка Частота Спектральная плотность g 2 /Гц 3дБ/окт - 6дБ/окт 0.2g 2 /Гц 20 Гц 1000 Гц 34 YES Определите требуемую толкающую силу 32.85 кг * 11.9g скв. = 391 кгс скв. Требуемая сила меньше номинальной? 391 кгс скв. < 1000 кгс скв. YES Вибратор установлен жестко? YES NO Calculate the maximum travel available with the specified load. мм 49.37 D 616 20 12.85 20) (12.85 52 52 D = + + + × − = Определите требуемое перемещение Перемещение: 3.102 мм Пик-фактор: 3 Наклон: 24 дБ/окт. YES Требуемое перемещение меньше допустимого? 3.102 мм < 49.37 мм YES Можно использовать менее мощную систему? NO YES Выберите другую систему и повторите расчеты Да Да Да Да Да Нет Нет Определите максимальное перемещение при заданной нагрузке 35 Проведите проверки для других нагрузок и режимов испытаний. Примечание 1. Если верхняя граничная частота при испытаниях меньше 500 Гц, то такой режим относится к испытаниям узкополосной случайной вибрацией. В этих условиях вибратор может не достигнуть максимальной толкающей силы. Свяжитесь с изготовителем вибрационной системы для консультации. Примечание 2. Общая подвижная масса – это масса всех подвижных элементов и поэтому должна включать в себя все, что присоединено к арматуре: - объект испытаний (полезная нагрузка) - арматуру - оснастку (крепления) - болты - верхний расширитель - верхний удлинитель - температурные барьеры - акселерометры - толкатель - скользящий стол - подшипники скользящего стола Примечание 3. Установка полезной нагрузки в среднем положении хода стола обычно обеспечивается встроенной системой обезвешивания, но это можно выполнить при помощи внешней обезвешивающей системы, например при помощи резиновых амортизаторов. ПАРАМЕТРЫ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ВИБРАЦИИ Параметры синусоидальной вибрации легче всего доступны для понимания. Пиковая синусоидальная сила измеряется при помощи нормированной полезной нагрузки в соответствии с тестовыми процедурами Стандарта Качества компании. Для систем с нагрузками до 22.24 кН (2267 кгс). Масса нагрузки обычно в два раза превышает массу арматуры. Для больших вибростендов более тяжелые нагрузки используются для определения способности направляющих арматуры и пневматической подвески воспринимать опрокидывающий момент при смещении центра тяжести нагрузки. Согласующий трансформатор В некоторых системах применяется согласующий трансформатор для получения оптимальных параметров при синусоидальной и случайной вибрации. В режиме 36 синусоидальной вибрации выходное напряжение усилителя мощности выбирается таким, чтобы обеспечить максимальное толкающие усилие. При необходимости получения более высоких скоростей в качестве источника переменного напряжения используется согласующий трансформатор (поставляется отдельно). При увеличении подводимого к вибратору напряжения скорость можно пропорциональноувеличить, но при этом толкающую силу нужно пропорциональноуменьшить. Максимальная скорость в длительном режиме работы равна 2 м/с для всех вибростендов фирмы LDS, за исключением отдельных случаев. Системы с согласующим трансформатором иногда имеют перемещение меньше, чем максимально возможное для данного вибратора. Это объясняется тем, что на низких частотах трансформатор ограничивает уровень напряжения подводимого к вибратору. Ограничения на низких частотах Прямое соединение усилителя вибратора в настоящее время выполняется для широкого круга систем, при этом обеспечивается полное перемещение на самых низких частотах. Однако обычно частотную характеристику усилителя искусственно ограничивают в области низких частот, чтобы исключить появление нежелательной постоянной составляющей в управляющем сигнале. По этой причине характеристики систем с прямым соединением не нормируются на частотах ниже 5 Гц. Простое решение позволяет расширить частотный диапазон систем с прямым соединением до 1 Гц и даже ниже. Последние разработки усилителей мощности (SPAK) являются усилителями постоянного тока и имеют встроенную систему поддержания нулевого положения стола вибратора. Ограничения на высоких частотах Верхняя граничная частота большинства вибрационных систем определяется вибратором. С достаточной для практики точностью частотный диапазон для максимальной толкающей силы определяется как частота основного резонанса арматуры умноженная на коэффициент 1.3. Это справедливо для нагрузок с малой массой. При более тяжелых нагрузках, для крепления которых используется оснастка, верхняя частота определяется главным образом конструкцией оснастки. Ограничения по максимальному ускорению Величины ускорений (максимальные, синусоидальные), приводимые в таблицах, являются максимальными допустимыми уровнями для системы без нагрузки на столе вибратора. Эти ограничения определяются следующими причинами: 37 1. Максимальным допустимым уровнем для отдельно взятого вибратора системы. Этот уровень обычно равен 100 g ампл. (но может быть и ниже) и, как правило, не обеспечивает достижения максимальной производительности системы. 2. Максимальным допустимым уровнем системы по толкающей силе. Это относится обычно к системам, у которых усилитель мощности не обеспечивает достижения максимальной толкающей силы вибратора. В обоих случаях невозможно достигнуть максимального пикового уровня ускорения во всем частотном диапазоне системы при небольшой нагрузке или без нее из-за того, что усилитель мощности не сможет обеспечить требуемое выходное напряжение на частотах, лежащих непосредственно перед частотой основного резонанса арматуры вибратора. Общие выводы: 1. Определите требуемую толкающую силу с учетом массы арматуры, оснастки и вашей нагрузки. 2. Проверьте, чтобы уровни перемещения и скорости соответствовали режимам ваших испытаний. 3. Максимальную скорость в некоторых случаях можно увеличить при помощи согласующего трансформатора. При этом нужно пропорционально уменьшить толкающую силу. ПАРАМЕТРЫ СЛУЧАЙНОЙ ВИБРАЦИИ Параметры случайной вибрации определены стандартом ISO 5344. Параметры толкающей силы основаны на нормированном спектре в диапазоне 20-2000 Гц и отношении пикового значения ускорения к среднеквадратическому значению не менее 3 к 1. Для достижения таких высоких уровней ускорения все усилители мощности фирмы LDS спроектированы таким образом, чтобы обеспечить отношение пикового тока к среднеквадратическому не менее 3-х. Например, каждый 5-киловаттный модуль усилителя модели DPAK отдает выходной ток 50 А скв. при случайной вибрации, при этом пиковое значение тока достигает 150 А. При сравнении вибрационных систем фирмы LDS с другими вибрационными системами важно, чтобы параметры этих систем определялись стандартом ISO 5344 и чтобы усилители мощности могли отдавать в нагрузку пиковый ток по крайней мере в три раза больше среднеквадратического значения для синусоидального сигнала. Если пиковое значение тока не удовлетворяет этому условию или в сигнале напряжения присутствуют значительные искажения, то в спектре мощности сигнала ускорения появятся нежелательные гармоники, которые могут привести к повреждению объекта испытаний. Примечание 1. 38 Стандарт ISO 5344 устанавливает, что параметры толкающей силы при широкополосной случайной вибрации определяются по спектру, плоскому в диапазоне 100-2000 Гц и имеющему наклон 20 дБ/дек. в диапазоне 100-20 Гц. Эти же параметры можно определить по плоскому в диапазоне 20-2000 Гц спектру, который использовался до введения стандарта ISO. Примечание 2. Изменения параметров случайной вибрации в зависимости от частотного диапазона, формы спектра и нагрузки. Создаваемая вибратором сила является функцией как спектральной плотности ускорения (формы спектра ускорения), так и динамической реакции нагрузки (которая может не соответствовать реакции чисто массовой нагрузки). Так как большинство реальных нагрузок имеют жесткое соединение с вибратором только в нижней части частотного диапазона, то получаемое среднеквадратическое ускорение может быть выше ускорения для чисто массовых нагрузок. В некоторых случаях, если форма спектральной плотности ускорения, применяемая при испытаниях, отличается от формы спектра, определенного производителем, среднеквадратическое случайное ускорение (толкающая сила), создаваемое вибратором может быть меньше требуемого ускорения (толкающей силы), рассчитанного для чисто массовой нагрузки. Параметры случайной вибрации для систем LDS определены с учетом массовой нагрузки, которая в два раза больше массы арматуры – это соответствует тестовой нагрузке М 1 стандарта ISO 5344. Форма тестового спектра плоская в диапазоне 20-2000 Гц, отношение пикового ускорения к среднеквадратическому ускорению не менее 3-х. Для других частотных диапазонов, отличных от диапазона 20-2000 Гц, могут понадобиться некоторые корректировки параметров. В общем случае для форм спектров с верхней частотой менее 1000 Гц должна быть откорректирована величина случайной силы. Конкретные изменения будут зависеть от характеристик вибратора и частотного диапазона. Если испытания проводятся в узкополосном диапазоне, мы можем заранее определить производительность системы для любого заданного случайного профиля. В некоторых случаях при использовании согласующего трансформатора корректировку параметров случайной вибрации можно свести к минимуму, если использовать отвод вторичной обмотки, предназначенной для синусоидального режима. Необходимо следить за тем, чтобы не превысить максимальный ток вибратора. Общие выводы: 1. Учитывайте частотный диапазон случайной вибрации; если диапазон составляет 50-500 Гц, откорректируйте режимы или определите возможность использования обмотки 39 трансформатора для синусоидального режима, чтобы увеличить случайную толкающую силу. 2. По возможности рассматривайте нагрузку и оснастку как чистые массы. Это даст гарантированные безопасные границы для реальных нагрузок, у которых может произойти потеря контакта со столом или оснасткой на высоких частотах. 3. При любых сомнениях консультируйтесь с изготовителем вибрационной системы. ПАРАМЕТРЫ УДАРНОГО НАГРУЖЕНИЯ Параметры ударного процесса определены с учетом того, что ударным импульсом является полуволна синусоиды. Параметры системы обобщены в спецификации системы, в которой определены следующие ограничения: 1. Пиковое значение толкающей силы системы. 2. Уровень пикового ускорения. 3. Уровень пиковой скорости. 4. Пределы пикового ускорения и длительности импульса, которые рассчитаны для вибраторов LDS с перемещением 51 мм. 5. Уровни начального (предимпульсного) и конечного (послеимпульсного) ускорения, которые не превышают 10% заданного ударного уровня. Общие положения В большинстве случаев для данной системы пиковое значение толкающей силы примерно такое же, как и для синусоидального режима. Пиковое значение скорости также примерно равно значению скорости для синусоидального режима. Из этого следует, что пиковое значение силы (тока) и скорости (напряжения) можно изменять только переключением обмоток согласующего трансформатора, если таковые имеются. Пиковое значение силы, развиваемое вибратором при ударе, может в два раза превышать пиковое значение для синусоидального режима при условии, что усилитель имеет достаточно мощности, чтобы обеспечить требуемые ток (силу) и напряжение (скорость) для данной формы ударного импульса. Оптимизировать параметры импульса силы для данной формы ударного импульса при отсутствии требования обеспечения высокой скорости можно также с помощью выбора вторичных обмоток согласующего трансформатора. Чтобы любой вибратор мог обеспечить толкающую силу при ударе в два раза больше, чем при синусоидальном режиме, обычно необходим более мощный усилитель. Если не требуется увеличения скорости при ударе, необходимо приблизительно удвоить мощность усилителя, чтобы получить пиковое значение силы ударного импульса в два раза больше, чем пиковое значение силы при синусоидальном режиме. 40 Важно отметить, что перемещение корпуса вибратора возрастает с увеличением массы нагрузки. Для большинства ударных испытаний можно заблокировать систему виброизоляции вибратора, чтобы корпус вибратор жестко крепился к станине. Предупреждение: Блокирование системы виброизоляции не рекомендуется при проведении синусоидальной и случайной вибрации. Таблицы режимов при ударных испытаниях можно получить по заказу для любой системы. |