PL221148B1

PL221148B1 - Stand for stabilizing stresses of metal structures by vibration

Info

Publication number: PL221148B1
Application number: PL398960A
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: PL398960A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest stanowisko do stabilizowania naprężeń konstrukcji metalowych metodą wibracyjną. Przeznaczone jest do stabilizowania gradientów naprężeń powstających w konstrukcjach metalowych, zwłaszcza stalowych, w trakcie takich procesów jak spawanie, kucie odlewanie, nawęglanie hartowanie, azotowanie oraz wszelkiego rodzaju obróbka cieplna. Stanowisko wspomagane jest komputerowo.The subject of the invention is a station for stabilizing the stresses of metal structures using the vibration method. It is designed to stabilize the stress gradients arising in metal structures, especially steel, during such processes as welding, forging, casting, carburizing, hardening, nitriding and all kinds of heat treatment. The stand is computer-aided.

Stosowane dotychczas metody polegały na procesach termicznych i wymagały rozgrzania konstrukcji do odpowiedniej temperatury oraz kontrolowanego jej chłodzenia. W przypadku dużych gabarytów proces ten jest trudny do zrealizowania. 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. Szczegółowo opisana metoda w patencie US6026687 obejmuje pomiar częstotliwości rezonansowych oraz kontrolę energii procesu wibrowania. Opisane tam zastrzeżenia obejmują metodę pomiaru 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.The methods used so far relied on thermal processes and required heating the structure to the appropriate temperature and its controlled cooling. In the case of large dimensions, this process is difficult to implement. 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 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 there include the method of measuring 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.

Istotą rozwiązania stanowiska do stabilizowania naprężeń konstrukcji metalowych metodą wibracyjną jest to, że ma podatne zawiesie na stabilizowaną konstrukcję, wyposażone jest w impulsator kinematyczny, czujnik drgań, wzbudnik drgań oraz analizator mikroprocesorowy. Wyjście impulsatora kinematycznego połączone jest z impulsatorowym wejściem analizatora mikroprocesorowego, wyjście czujnika drgań połączone jest z czujnikowym wejściem analizatora mikroprocesorowego, a wyjście analizatora mikroprocesorowego połączone jest ze wzbudnikiem drgań. W analizatorze mikroprocesorowym czujnikowe wejście połączone jest z blokiem analizy sygnału i równolegle z blokiem analizy modalnej, które poprzez blok algorytmu sterowania procesem stabilizacji i kolejno przez blok sterowania drganiami stanowią wyjście analizatora mikroprocesowego. Ponadto wyjście impulsatora kinematycznego połączone jest z wejściem bloku analizy modalnej.The essence of the stand solution for stabilizing the stresses of metal structures using the vibration method is that it has a flexible sling for a stabilized structure, it is equipped with a kinematic pulser, a vibration sensor, a vibration exciter and a microprocessor analyzer. The output of the kinematic pulse generator is connected to the pulse input of the microprocessor analyzer, the output of the vibration sensor is connected to the sensor input of the microprocessor analyzer, and the output of the microprocessor analyzer is connected to the vibration exciter. In the microprocessor analyzer, the sensor input is connected to the signal analysis block and in parallel with the modal analysis block, which through the stabilization process control algorithm block and successively through the vibration control block constitute the output of the microprocessor analyzer. In addition, the output of the kinematic pulse generator is connected to the input of the modal analysis block.

Korzystne jest gdy analizator mikroprocesorowy jest zbudowany w oparciu o zaprogramowany komputer pomiarowy wyposażony w karty pomiarowe.It is advantageous if the microprocessor analyzer is built on the basis of a programmed measurement computer equipped with measurement cards.

Stabilizacja na stanowisku, według wynalazku, prowadzona jest w sposób opisany poniżej.The stabilization in the station according to the invention is carried out as described below.

Przed rozpoczęciem stabilizowania mocuje się stabilizowaną konstrukcji za pomocą podatnego zawiesia. Posadowienie powinno zapewnić możliwość drgań w podstawowych częstotliwościach rezonansowych konstrukcji i uwzględniać docelowe węzły konstrukcyjne oraz eksploatacyjne stopnie swobody.Before the commencement of stabilization, the stabilized structure is fastened with a flexible sling. The foundation should ensure the possibility of vibrations in the basic resonance frequencies of the structure and take into account the target structural nodes and operating degrees of freedom.

W pierwszym etapie stabilizacji identyfikuje się dominujące częstotliwości i postaci własne stabilizowanej konstrukcji. Przy użyciu impulsatora kinematycznego wymusza się drgania, które odbierane są czujnikiem drgań a sygnały elektryczne z impulsatora kinematycznego i czujnika drgań przekazywane są do analizatora mikroprocesorowego na odpowiednie wejścia. W tym, zaprogramowanym wcześniej według znanych z mechaniki zasad, analizatorze mikroprocesorowym identyfikuje się częstotliwości własne i postaci własnej konstrukcji. Wyznaczane są punkty węzłowe i strzałki poszczególnych postaci własnych a także obliczane są parametry wytrzymałościowe konstrukcji dla poszczególnych postaci własnych. Testami impulsowymi wyznaczane są funkcje przejścia pomiędzy wyznaczonymi punktami i zostają wyznaczone częstotliwości własne konstrukcji.In the first stage of stabilization, the dominant frequencies and eigenmodes of the stabilized structure are identified. With the use of a kinematic pulser, vibrations are forced, which are received by a vibration sensor, and electrical signals from the kinematic pulser and the vibration sensor are transferred to the microprocessor analyzer on the appropriate inputs. In this microprocessor analyzer, pre-programmed according to the rules known from mechanics, the natural frequencies and their own construction forms are identified. Nodal points and arrows of individual eigenmodes are determined, and the strength parameters of the structure for individual eigenmodes are calculated. Impulse tests determine the transition functions between the selected points and the eigenfrequencies of the structure are determined.

W kolejnym etapie sygnał z bloku sterowania drganiami analizatora mikroprocesorowego przekazywany jest do wzbudnika drgań. Za pomocą wzbudnika w miejscach występowania strzałek postaci własnych, przykłada się periodycznie zmienną siłę zawibrowania, o częstotliwości zbliżonej do częPL 221 148 B1 stotliwości własnych i wibruje się przez czas zależny od siły wymuszającej drgania i wynoszący od około 5 do 60 sekund.In the next stage, the signal from the vibration control block of the microprocessor analyzer is sent to the vibration exciter. By means of the inductor at the locations of the eigenmodes arrows, a periodically variable vibration force with a frequency close to the eigenfrequency is applied and vibrates for a time depending on the force driving the vibrations, ranging from about 5 to 60 seconds.

W chwili zawibrowania i bezpośrednio po nim kontrolowany jest przebieg zmian częstotliwości własnych. Sygnały z impulsatora kinematycznego i czujnika drgań przesyłane są do analizatora mikroprocesorowego, a sygnały sterujące z analizatora mikroprocesorowego do wzbudnika drgań. Sygnał z czujnika drgań jest doprowadzony do bloku analizy sygnału. Cyfrowy sygnał poddawany jest w nim przekształceniu z dziedziny czasu do dziedziny częstotliwości za pomocą znanych metod estymacji gęstości widmowej mocy. Równolegle cyfrowy sygnał z czujnika drgań oraz sygnał z impulsatora kinematycznego poddawany jest bloku analizy modalnej analizie polegającej na wyznaczeniu funkcji przejścia pomiędzy sygnałem z czujnika drgań i impulsatora kinematycznego. Na podstawie uzyskanej w bloku analizy sygnału gęstości widmowej mocy oraz w bloku analizy modalnej częstotliwościowej funkcji przejścia algorytm sterowania generuje dane potrzebne do sterowania wzbudnikiem drgań. Proces ten powtarza się wielokrotnie, do momentu, gdy obserwowana zmiana częstotliwości własnej stabilizowanej konstrukcji wyniesie mniej niż 0,1% częstotliwości z poprzedniego pomiaru.At the moment of vibration and immediately after it, the course of changes of the natural frequencies is monitored. The signals from the kinematic pulser and the vibration sensor are sent to the microprocessor analyzer, and the control signals from the microprocessor analyzer to the vibration exciter. The signal from the vibration sensor is fed to the signal analysis block. The digital signal undergoes a transformation from the time domain to the frequency domain using known methods of power spectral density estimation. Simultaneously, the digital signal from the vibration sensor and the signal from the kinematic pulser is subjected to a modal analysis block, which consists in determining the transition function between the signal from the vibration sensor and the kinematic pulser. Based on the power spectral density signal obtained in the block of analysis of the power spectral density signal and in the block of modal frequency analysis of the transition function, the control algorithm generates the data needed to control the vibration exciter. This process is repeated many times, until the observed change in the own frequency of the stabilized structure is less than 0.1% of the frequency from the previous measurement.

Do pomiaru drgań stosuje się znane przetworniki elektro - mechaniczne, pneumatyczne lub inne, 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.For the measurement of vibrations, known electro-mechanical, pneumatic or other converters are used, which convert 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, those that are excited during the operation of the structure are taken into account.

Stanowisko, według rozwiązania, dzięki zestawieniu elementów pomiarowych, wykonawczego wzbudnika drgań oraz analizatora mikroprocesorowego zapewnia skuteczną kontrolę procesu stabilizowania naprężeń w konstrukcjach. Proces stabilizacji jest niskotemperaturowy, o niewielkim zapotrzebowaniu na energię. Umożliwia też stabilizowania bezpośrednio po obróbce wprowadzającej gradienty naprężeń lub w krótkim czasie po takich obróbkach.According to the solution, the stand, thanks to the combination of measuring elements, an executive vibration exciter and a microprocessor analyzer, ensures effective control of the stress stabilization process in structures. The stabilization process is low-temperature and requires little energy. It also enables stabilization directly after the treatment introducing the stress gradients or in a short time after such treatments.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku przedstawiającym schematycznie stanowisko do 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 stand for stabilizing the stresses of metal structures.

Stanowisko do stabilizowania naprężeń konstrukcji ma podatne zawiesie 2 na stabilizowaną konstrukcję 1, wyposażone jest w impulsator kinematyczny 3, czujnik drgań 4, wzbudnik drgań 5 oraz analizator mikroprocesorowy 6. Wyjście impulsatora kinematycznego 3 połączone jest z impulsatorowym wejściem analizatora mikroprocesorowego 6, wyjście czujnika drgań 4 połączone jest z czujnikowym wejściem analizatora mikroprocesorowego 6. Wyjście analizatora mikroprocesorowego 6 połączone jest ze wzbudnikiem drgań 5, przy czym w analizatorze mikroprocesorowym 6 czujnikowe wejście połączone jest z blokiem analizy sygnału 7 i równolegle z blokiem analizy modalnej 8, które poprzez blok algorytmu sterowania procesem stabilizacji 9 i kolejno przez blok sterowania drganiami 10 są połączone z wyjściem analizatora mikroprocesowego. Ponadto wyjście impulsatora kinematycznego 3 połączone jest z wejściem bloku analizy modalnej 8. W przykładowym rozwiązaniu zastosowany został impulsator typu młotek modalny 150 g z czujnikiem akcelerometrycznym. Jako wzbudnik drgań użyty został wzbudnik elektromechaniczny mimośrodowy.The structure stress stabilization station has a sling 2 susceptible to a stabilized structure 1, it is equipped with a kinematic pulse generator 3, a vibration sensor 4, a vibration exciter 5 and a microprocessor analyzer 6. The output of the kinematic pulser 3 is connected with the pulse input of the microprocessor analyzer 6, the output of the vibration sensor 4 is connected to the sensor input of the microprocessor analyzer 6. The output of the microprocessor analyzer 6 is connected to the vibration exciter 5, while in the microprocessor analyzer 6 the sensor input is connected to the signal analysis block 7 and in parallel with the modal analysis block 8, which through the stabilization process control algorithm block 9 and in turn through the vibration control unit 10 are connected to the output of the microprocessor analyzer. Moreover, the output of the kinematic pulse generator 3 is connected to the input of the modal analysis block 8. In the exemplary solution, a modal 150 g hammer type pulse generator with an accelerometric sensor was used. An eccentric electromechanical exciter was used as the vibration exciter.

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.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.

Claims

1. Stand for stabilizing the stresses of metal structures using the vibration method, characterized by the fact that it has a flexible sling (2) on a stabilized structure (1), is equipped with a kinematic pulse generator (3), a vibration sensor (4), a vibration exciter (5) and an analyzer microprocessor (6), the output of the kinematic pulser (3) is connected to the pulsed input of the microprocessor analyzer (6), the output of the vibration sensor (4) is connected to the sensor input of the microprocessor analyzer (6), and the output of the microprocessor analyzer (6) is connected with the vibration exciter (5), and in the microprocessor analyzer (6) the sensor input is connected to the signal analysis block (7) and in parallel with the modal analysis block (8), which through the stabilization process control algorithm block (9) and successively through the control block vibrations, in addition, the output of the kinematic pulser is connected to the input of the modal analysis block.

PL 221 148 B1

2. Stand for stabilizing the stresses of metal structures by the vibration method according to claim The method of claim 1, characterized in that the microprocessor analyzer (6) is built on the basis of a programmed measurement computer equipped with measurement cards.