PL221147B1

PL221147B1 - Method for stabilizing the stress of metal structures

Info

Publication number: PL221147B1
Application number: PL398961A
Authority: PL
Inventors: Tomasz Korbiel; Marcin Szeliga; Tomasz Wojtala; Rafał Górka
Original assignee: Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanisława Staszica W Krakowie
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2016-02-29
Also published as: PL398961A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób stabilizowania naprężeń konstrukcji metalowych. Sposób dotyczy modyfikowania właściwości fizycznych sposobami innymi niż obróbka cieplna lub odkształcanie.The subject of the invention is a method for stabilizing the stresses of metal structures. The method relates to modifying physical properties by means other than heat treatment or deformation.

Znanych jest wiele rozwiązań wykorzystujących wibracyjną metodę oddziaływania na naprężenia wewnętrzne w konstrukcjach technicznych. Jedno z najnowszych patentów z 2011 roku CN102226326, opisujący zastosowanie metody stabilizacji wibracyjnej do odprężania kolejowych szyn bezszwowych zastrzega metodykę wzbudzania drgań oraz kontroli oddziaływań za pomocą czujnika naprężeń. Rozwiązanie to charakteryzuje się pneumatyczno - hydraulicznym układem wymuszania wibracji, a zastrzeżenia dotyczą urządzenia dedykowanego do szyn kolejowych. Stosowana metoda pomiaru jest uzupełnieniem urządzenia, wykorzystująca czujnik naprężeń. W rozwiązaniu z 2007 roku nr TW200841976 przedstawiono metodę eliminacji naprężeń wibracjami, gdzie istotą rozwiązania było sterowanie drganiami na podstawie amplitudy i częstotliwości drgań. W tym rozwiązaniu nie podaje się czasu trwania procesu oraz nie kontroluje się przebiegu procesu stabilizacji. Patenty US2009049912 oraz US2008265696 opisują metodę prowadzenia stabilizacji, poprzez wymuszanie drgań o ściśle określonych częstotliwościach: harmonicznych i pod-harmonicznych. Metody te wymagają pomiaru i detekcji częstotliwości własnych oraz harmonicznych, jednakże jest to wykorzystywane do ustalenia częstotliwości wibrowania stabilizacyjnego. Szczegółowo opisana metoda w patencie US6026687 obejmuje pomiar częstotliwości rezonansowych oraz kontrolę energii procesu wibrowania. Opisane tam zastrzeżenia obejmują pomiar częstotliwości rezonansowych, metodę doboru czasu wibrowania, oraz sposób prowadzenia procesu. Opis ten nie zawiera metody wyznaczania skuteczności wibrowania stabilizacyjnego oraz określenia czasu i siły wibrowania w funkcji istniejących gradientów naprężeń.There are many solutions that use the vibrational method of influencing internal stresses in technical structures. One of the latest patents from 2011, CN102226326, describing the use of the vibration stabilization method for stress relief of seamless railway rails, reserves the methodology of vibration excitation and control of interactions using a stress sensor. This solution is characterized by a pneumatic-hydraulic system of forcing vibrations, and the reservations concern a device dedicated to railway rails. The measurement method used complements the device, using a strain sensor. The solution from 2007, no. TW200841976, presents a method of eliminating stresses by vibrations, where the essence of the solution was to control vibrations based on the amplitude and frequency of vibrations. In this solution, the duration of the process is not specified and the course of the stabilization process is not controlled. Patents US2009049912 and US2008265696 describe a method of stabilizing by forcing vibrations with strictly defined frequencies: harmonics and sub-harmonics. These methods require the measurement and detection of natural frequencies and harmonics, however, they are used to determine the frequency of the stabilization vibration. The method described in detail in the patent US6026687 includes the measurement of resonance frequencies and the control of the energy of the vibration process. The reservations described therein include the measurement of resonance frequencies, the method of selecting the vibration time, and the method of conducting the process. This description does not include the method of determining the effectiveness of stabilization vibration and the determination of the time and force of vibration as a function of the existing stress gradients.

W polskim patencie PL155229 opisane zostało urządzenie do wibracyjnego usuwania naprężeń własnych w elementach metalowych wyposażone w wibrator zasilany napięciem o regulowanej częstotliwości, układ sterujący płynną regulacją częstotliwości, układ regulowania celem odprężenia, układ pomiaru prądu wibratora i układ pomiaru przyspieszeń elementów poddawanych wibracjom. Urządzenie to steruje jedynie procesem wibrowania nie kontrolując procesu stabilizacji naprężeń.The Polish patent PL155229 describes a device for the vibration removal of residual stresses in metal elements, equipped with a vibrator supplied with an adjustable frequency voltage, a control system with a smooth frequency control, a regulation system for relaxation, a system for measuring the vibrator current and a system for measuring the acceleration of elements subjected to vibrations. This device only controls the vibration process and does not control the stress stabilization process.

Zgodnie z wynalazkiem sposób stabilizowania naprężeń konstrukcji metalowych polega na wzbudzaniu drgań własnych stabilizowanej konstrukcji poprzez sterowane zawibrowanie wzbudnikiem elektromechanicznym lub pneumatycznym lub hydraulicznym.According to the invention, the method of stabilizing the stresses of metal structures consists in inducing natural vibrations of the structure to be stabilized by controlled vibration with an electromechanical, pneumatic or hydraulic actuator.

Istotą rozwiązania jest to, że przed zawibrowaniem konstrukcji wyznacza się dominujące częstotliwości własne, za pomocą impulsatora kinematycznego, czujnika drgań, oraz zaprogramowanego analizatora mikroprocesowego analizującego sygnał drganiowy w dziedzinie częstotliwości. Następnie przykłada się, z użyciem wzbudnika drgań, w miejscach występowania strzałek postaci własnych, periodycznie zmienną siłę zawibrowania, o częstotliwości zbliżonej do częstotliwości własnych i wibruje się przez czas zależny od siły wymuszającej drgania i wynoszący od około 5 do 60 sekund. Następnie zaprzestaje się wibrowania i ponownie określa się częstotliwość własną stabilizowanej konstrukcji. Czynności te powtarzają się wielokrotnie do momentu, kiedy obserwowana zmiana częstotliwości własnej stabilizowanej konstrukcji zmieni się o mniej niż błąd estymacji tych częstotliwości.The essence of the solution is that, before vibrating the structure, the dominant natural frequencies are determined using a kinematic pulser, a vibration sensor, and a programmed microprocessor analyzer that analyzes the vibration signal in the frequency domain. Then, with the use of a vibration inductor, periodically variable vibration force, with a frequency close to the natural frequency, is applied to the places of occurrence of the eigenmodes and vibrates for a time depending on the force driving the vibrations, ranging from about 5 to 60 seconds. Then, vibration is stopped and the natural frequency of the stabilized structure is determined again. These activities are repeated many times until the observed change of the own frequency of the stabilized structure changes by less than the error of estimating these frequencies.

Korzystne jest wyznaczanie częstotliwości własnych stabilizowanej konstrukcji testem impulsowym tak, że w pobliżu występowania strzałek postaci własnej stabilizowanej konstrukcji, przykłada się impuls kinematyczny za pomocą impulsatora kinematycznego i wykonuje się czujnikiem drgań pomiar wzbudzonych drgań w miejscu blisko miejsca przyłożenia impulsu kinematycznego, a wynik pomiaru analizuje się w dziedzinie częstotliwości.It is advantageous to determine the natural frequencies of the stabilized structure with the impulse test so that in the vicinity of the arrows of the own stabilized structure, a kinematic impulse is applied by means of a kinematic impulse and a vibration sensor measures the excited vibrations in a place close to the application of the kinematic impulse, and the measurement result is analyzed in the frequency domain.

Korzystnie siłę zawibrowania oblicza się przez porównanie amplitudy wymuszanych drgań własnych z wartością odkształcenia sprężystego konstrukcji, tak aby wartość maksymalnego naprężenia w trakcie wibrowania nie przekroczyła 75% doraźnej granicy plastyczności, i/lub wartość odkształcenia sprężystego w postaci własnej w trakcie wibrowania była mniejsza niż 75% maksymalnego odkształcenia sprężystego stabilizowanej konstrukcji.Preferably, the vibration force is calculated by comparing the amplitude of forced natural vibrations with the value of elastic deformation of the structure, so that the value of the maximum stress during vibration does not exceed 75% of the immediate yield point, and / or the value of elastic deformation in its own form during vibration is lower than 75% maximum elastic deformation of the stabilized structure.

Przedmiotowy proces składa się więc z dwóch etapów, powiązanych za sobą. Etapem pomiarowym jest określenie dominujących częstotliwości własnych oraz ich śledzenie w trakcie procesu, drugim etapem jest sterowany proces stabilizacji mechanicznej poprzez wzbudzanie konstrukcji przez przykładanie periodycznie zmiennej siły zawibrowania za pomocą urządzeń mechanicznych. Sam proces stabilizacji jest zmianą właściwości fizycznych przetwarzanej konstrukcji. Etap pomiarowy oparty jest o pomiar drgań za pomocą czujników przyspieszenia oraz analizę sygnału za pomocą algorytmów szybkiej transformaty Fouriera. Istotą pomiaru częstotliwości własnych jest wzbudzenieThe process in question therefore consists of two stages, interrelated. The measuring stage is to determine the dominant natural frequencies and to track them during the process, the second stage is the controlled mechanical stabilization process by excitation of the structure by applying periodically variable vibration force with the use of mechanical devices. The stabilization process itself changes the physical properties of the processed structure. The measurement stage is based on the measurement of vibrations with the use of acceleration sensors and the analysis of the signal with the use of the fast Fourier transform algorithms. The essence of measuring natural frequencies is excitation

PL 221 147 B1 drgań własnych za pomocą impulsatora kinematycznego, odwzorowującego w przybliżeniu impuls Diraca oraz analiza odpowiedzi badanej konstrukcji. Wzbudzenie można przeprowadzić na przykład za pomocą uderzenia młotka ze zmodyfikowaną końcówką. Do pomiaru drgań stosuje się przetwornik elektro - mechaniczny, zamieniający jeden z parametrów drgań - prędkość, przemieszczenie lub przyśpieszenie - na sygnał elektryczny. Czujnik drgań instalowany jest w miejscu, w którym nie występują węzły podstawowych częstotliwości własnych. W przypadku złożonych konstrukcji, w których występuje wiele dominujących częstotliwości, uwzględnia się te, które są wzbudzane w trakcie eksploatacji konstrukcji oraz te, dla których wystąpiło spiętrzenie naprężeń w poprzedzających procesach obróbki. Elektryczny sygnał z czujnika jest rejestrowany oraz przetwarzany do postaci uśrednionego widma częstotliwościowego. Istotną informacją, w sposobie według wynalazku, jest częstotliwość dominujących postaci własnych.Natural vibrations with the use of a kinematic pulser approximating the Dirac impulse and the analysis of the response of the examined structure. Excitation can be carried out, for example, by a hammer blow with a modified tip. An electro-mechanical transducer is used to measure vibrations, which converts one of the vibration parameters - speed, displacement or acceleration - into an electrical signal. The vibration sensor is installed in a place where there are no basic natural frequency nodes. In the case of complex structures in which there are many dominant frequencies, take into account those that are excited during the operation of the structure and those for which stress concentrations occurred in the preceding machining processes. The electrical signal from the sensor is recorded and converted into an averaged frequency spectrum. An important information in the method according to the invention is the frequency of the dominant eigenmodes.

Zaletą nowego sposobu jest więc obserwacja procesu stabilizacji naprężeń i na tej podstawie kontrolowane sterowanie drganiami mechanicznymi stabilizującymi konstrukcję.The advantage of the new method is therefore the observation of the stress stabilization process and on this basis the controlled control of mechanical vibrations stabilizing the structure.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku przedstawiającym schematycznie układ stabilizowania naprężeń konstrukcji metalowych.The invention will be explained in more detail on the example of the embodiment shown in the drawing which schematically shows the stress stabilizing system of metal structures.

Sposób stabilizowania naprężeń konstrukcji metalowych polega na wzbudzaniu drgań własnych stabilizowanej konstrukcji poprzez zawibrowanie wzbudnikiem elektromechanicznym. Przed zawibrowaniem konstrukcji wyznaczono, dominujące częstotliwości własne, następnie przykładano, w miejscach występowania strzałek postaci własnych, periodycznie zmienną siłę zawibrowania o częstotliwości zbliżonej do częstotliwości własnych. Wibrowano od 10 do 50 sekund i ponownie określano częstotliwość własną stabilizowanej konstrukcji. Zaprzestano wibrowania w momencie, kiedy obserwowana zmiana częstotliwości własnej stabilizowanej konstrukcji zmieniła się o mniej niż błąd estymacji tych częstotliwości.The method of stabilizing the stresses of metal structures consists in inducing natural vibrations of the stabilized structure by vibrating with an electromechanical exciter. Before vibrating the structure, the dominant eigenfrequencies were determined, then the periodically variable force of vibration with frequencies close to the eigenfrequencies was applied in the places where the eigenmodes' arrows appeared. It was vibrated from 10 to 50 seconds and the natural frequency of the stabilized structure was determined again. Vibration was stopped when the observed change of the own frequency of the stabilized structure changed by less than the error of estimating these frequencies.

Częstotliwość własną stabilizowanej konstrukcji 1 przed zawibrowaniem wyznaczono z użyciem impulsatora kinematycznego 2 i czujnika drgań 3. Zastosowany został impulsator typu młotek modalny 150 g z czujnikiem akcelerometrycznym. Otrzymane dane oraz dane z pomiarów po kolejnych zawibrowaniach przetwarzano w analizatorze mikroprocesorowym 4. Analizator mikroprocesorowy został zbudowany w oparciu o komputer pomiarowy wyposażony w karty pomiarowe. Wyodrębniono w nim bloki analizy sygnału i analizy modalnej informacji pochodzących z czujnika drgań. Sygnały drganiowe analizowano w dziedzinie częstotliwości. Według obliczonych parametrów prowadzono następne zawibrowania. W przytoczonym przykładzie użyto wzbudnika 5 elektromechanicznego mimośrodowego. Możliwe jest też użycie wzbudnika pneumatycznego lub hydraulicznego.The natural frequency of the stabilized structure 1 before vibration was determined with the use of a kinematic pulser 2 and a vibration sensor 3. A modal 150 g hammer type pulser with an accelerometric sensor was used. The obtained data and measurement data after successive vibrations were processed in the microprocessor analyzer 4. The microprocessor analyzer was built on the basis of a measuring computer equipped with measurement cards. The blocks of signal analysis and modal analysis of information from the vibration sensor have been distinguished there. The vibration signals were analyzed in the frequency domain. Further vibrations were carried out according to the calculated parameters. In the example given, an eccentric electromechanical inductor 5 was used. It is also possible to use a pneumatic or hydraulic actuator.

Częstotliwości własne stabilizowanej konstrukcji wyznaczano testem impulsowym tak, że przykładano w pobliżu występowania strzałek postaci własnej stabilizowanej konstrukcji, impuls kinematyczny za pomocą impulsatora kinematycznego i wykonano pomiar wzbudzonych drgań w miejscu blisko miejsca przyłożenia impulsu kinematycznego, a wynik pomiaru analizowano w dziedzinie częstotliwości.The eigenfrequencies of the stabilized structure were determined by the impulse test so that a kinematic impulse was applied in the vicinity of the arrows in the form of the own stabilized structure, a kinematic impulse was applied using a kinematic impulse, and the excited vibrations were measured in a place close to the kinematic impulse application, and the measurement result was analyzed in the frequency domain.

Siłę zawibrowania oblicza się przez porównanie amplitudy wymuszanych drgań własnych z wartością odkształcenia sprężystego konstrukcji, tak aby wartość maksymalnego naprężenia w trakcie wibrowania nie przekroczyła 75% doraźnej granicy plastyczności, i/lub wartość odkształcenia sprężystego w postaci własnej w trakcie wibrowania była mniejsza niż 75% maksymalnego odkształcenia sprężystego stabilizowanej konstrukcji.The vibration force is calculated by comparing the amplitude of forced natural vibrations with the value of elastic deformation of the structure so that the value of the maximum stress during vibration does not exceed 75% of the immediate yield point, and / or the value of elastic deformation in its own form during vibration is less than 75% of the maximum elastic deformation of the stabilized structure.

Claims

Patent claims

1. The method of stabilizing the stresses of metal structures by inducing natural vibrations of the stabilized structure by vibrating with an electromechanical or pneumatic or hydraulic exciter, characterized in that, before vibrating the structure, the dominant natural frequencies are determined, then, in the places where the arrows appear, the eigenmodes are periodically variable vibration force, with a frequency close to the natural frequencies and vibrates for a time depending on the force driving the vibrations, ranging from about 5 to 60 seconds, then the vibration is stopped and the natural frequency of the stabilized structure is determined again, these activities are repeated many times until when the observed change in the natural frequency of the stabilized structure changes by less than the error of estimating these frequencies.

PL 221 147 B1

2. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the natural frequencies of the stabilized structure are determined by means of the impulse test so that a kinematic impulse is applied in the vicinity of the arrows of the stabilized structure's own form by means of a kinematic impulse, and the excited vibrations are measured at a place close to the place where the kinematic impulse is applied, and the measurement result is analyzed in the frequency domain.

3. The method according to p. 1, characterized in that the vibration force is calculated by comparing the amplitude of forced natural vibrations with the value of elastic deformation of the structure, so that the value of the maximum stress during vibration does not exceed 75% of the immediate yield point, and / or the value of elastic deformation in its own form during vibration was less than 75% of the maximum elastic deformation of the stabilized structure.