PL233599B1 - Uklad do wymuszania drgan o niskich czestotliwosciach na badanym obiekcie - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do wymuszania drgań o niskich częstotliwościach w badanym obiekcie o masie do 2 kg.

Znane są elektrodynamiczne urządzenia do wytwarzania drgań mechanicznych, składające się z obudowy zawierającej obwód magnetyczny oddzielony od cewki zasilanej prądem zmiennym, usytuowanej współosiowo w osi konstrukcyjnej urządzenia. Cewka porusza się w szczelinie powietrznej w polu magnetycznym wytwarzanym przez obwód magnetyczny, a wraz z cewką porusza się część ruchoma urządzenia, do której jest zamocowany stolik pomiarowy. Część ruchoma jest mocowana do obudowy za pomocą membran lub resorów płytkowych, zapewniających sprężyste przemieszczanie się cewki w kierunku roboczym zgodnym z osią konstrukcyjną urządzenia. Regulacja zasilania- cewki umożliwia sterowanie częstotliwością drgań stolika i umieszczonego na nim przedmiotu. Standardowe badania polegają na wymuszeniu ruchu układu i pomiarze odpowiedzi badanego przedmiotu. Jako odpowiedź przedmiotu na zadane wymuszenie mierzy się najczęściej przyśpieszenie drgań.

Znane są aktywne układy tłumienia drgań, stosowane w maszynach wirnikowych, w których dotychczasowe mechaniczne tłumiki drgań są zastępowane przez siłowniki piezoelektryczne, zwłaszcza piezoceramiczne. Znane są także elastyczne kompozyty piezoelektryczne, łączące w swojej strukturze włókna piezoelektryczne z polimerową matrycą nośną i zestawem elektrod. Struktury takie, znane także pod nazwą Macro Fiber Composites MFC, są przedstawione między innymi w opisie patentowym US 2004040132. Umożliwiają one wykonanie elastycznych siłowników piezoelektrycznych, nadających się do stosowania w aktywnych układach tłumienia drgań. Układy te wymagają odpowiedniej adaptacji w zależności od konstrukcji urządzenia i jego parametrów dynamicznych.

Znane jest z polskiego opisu patentowego PL 219653 urządzenie do wytwarzania wzorcowych drgań mechanicznych, zawierające nieruchomy magnes połączony z obudową, wytwarzający stałe pole magnetyczne, stolik połączony z ruchomą cewką umieszczoną w stałym polu magnetycznym, resory mocujące cewkę wraz ze stolikiem do obudowy, trójosiowy referencyjny czujnik drgań połączony z procesorem cyfrowym sterującym cewką, oraz układ tłumienia drgań powstających w kierunkach prostopadłych do drgań roboczych cewki. Układ tłumienia drgań składa się z czterech elastycznych siłowników piezoelektrycznych zamocowanych pomiędzy stolikiem a tuleją zewnętrzną obudowy w równych odstępach kątowych w płaszczyźnie normalnej do osi konstrukcyjnej urządzenia, przy czym każdy elastyczny siłownik piezoelektryczny jest zamocowany do tulei zewnętrznej za pośrednictwem zespołu napinającego, zaś każda para przeciwległych elastycznych siłowników piezoelektrycznych jest połączona z procesorem cyfrowym poprzez oddzielny obwód elektryczny dostarczający sygnały do tłumienia drgań.

Znany jest z opisu polskiego, wzoru użytkowego nr Ru.62850 wibrator z napędem elektrycznym zawierający silnik elektryczny oraz wał z masami niewyważonymi umieszczony we własnej obudowie, przy czym silnik z obudową wibratora połączony jest kołnierzowo. Wał silnika elektrycznego połączony jest tulejowo z wałem wibratora zaopatrzonego w znane masy niewyważone poprzez osiowy otwór w wale wibratora, ponadto obudowa wibratora ma łapy do połączenia z elementem wprawianym w drgania.

Znany jest z polskiego zgłoszenia patentowego P.395963 poliharmoniczny wibrator bezwładnościowy do wymuszania obciążeń, zwłaszcza do urządzenia giętno-skrętnego, którego tarcze mają prostokątny kształt i parami różne długości, przy czym tarcze pary środkowej są najdłuższe, a na końcach każdej tarczy w osi boków dłuższych są otwory na wymienne ciężarki do obciążania wibratora.

Znane jest z polskiego opisu patentowego PL 133752 urządzenie do wyznaczania dynamicznego modułu Younga oraz współczynnika strat gumy i materiałów gumopodobnych, wyposażone we wzbudnik drgań sterowany generatorem akustycznym, zawierające na wyjściu cyfrowy miernik fazy. Za przyłączoną do wzbudnika impedancyjną głowicą znajduje się element masy do unieruchamiania próbki badanego materiału, a dwa pomiarowe wyjścia głowicy, to jest wyjście siły i przyspieszenia, przyłączone są do dwóch wejść przełącznika wyposażonego w przed wzmacniacz i integrator. Do wyjścia przełącznika dołączony jest poprzez pomiarowy wzmacniacz miernik cyfrowy, połączony z akustycznym generatorem, który poprzez wzmacniacz mocy połączony jest ze wzbudnikiem.

Znane urządzenia służące .do badania odpowiedzi badanych obiektów na drgania, tak zwane maszyny wibracyjne, działające na zasadzie naprzemiennego wzbudzania siły elektromagnetycznej, charakteryzują się bardzo dużym poborem mocy elektrycznej. Drugim ograniczeniem elektrodyna

PL 233 599 B1 micznych maszyn wibracyjnych jest maksymalny skok siłownika. Jest to problem zwłaszcza w przypadku niskich częstotliwości rzędu 20-50 Hz i dużych przyspieszeń rzędu 20-30g, z uwagi, iż wówczas wymagana amplituda drgań jest największa.

Celem wynalazku jest energooszczędne rozwiązanie do testowania obiektów w paśmie niskich częstotliwości.

Układ do wymuszania drgań o niskich częstotliwościach ma badanym obiekcie według wynalazku charakteryzuje się, tym, iż zbudowany jest z podstawy, w której jednostronnie obrotowo zamocowana jest, połączona ze, wzbudzającym jej drgania, elektromagnetycznym wzbudnikiem, belka w obszarze środka podparta, zamocowaną do niej i do podstawy, sprężyną, przy czym belka, na której przy wolnym końcu umieszczany jest badany obiekt, wyposażona jest w zainstalowaną na niej przesuwną wzdłuż jej długości masę połączoną z poruszającym ją po belce mechanizmem napędowym oraz akcelerometr mierzący w kierunku prostopadłym do belki i zgodnym z kierunkiem wektora prędkości drgań, połączony z odbierającym z niego sygnał kontrolerem kolejno sterującym wzbudnikiem oraz kontrolującym położenie masy.

Rozwiązanie według wynalazku bazuje na drganiach oscylatora harmonicznego. Wykorzystanie zjawiska rezonansu mechanicznego, zmniejsza zapotrzebowanie na energię elektryczną oraz umożliwia testowanie obiektów w paśmie niskich częstotliwości.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony na rysunku przedstawiającym układ w schemacie.

Układ do wymuszania drgań o niskich częstotliwościach na badanym obiekcie w przykładzie wykonania według wynalazku zbudowany jest z podstawy 1, na której umiejscowiony jest uchwyt 2, w którym swoim jednym końcem zamocowana jest obrotowo belka 3, przy drugim wolnym końcu podparta elektromagnetycznym' wzbudnikiem 4, przymocowanym do niej, i do podstawy 1. Na, znajdującej się w stanie spoczynku w, pozycji horyzontalnej belce 3, przy jej podpartym elektromagnetycznym wzbudnikiem 4 końcu umiejscowiony jest badany obiekt 5. Belka 3 w obszarze środka podparta jest, zamocowaną do niej i do podstawy I, sprężyną 6. Poza tym, na belce 3 umiejscowiona jest przesuwna po jej długości masa 7 połączona z poruszającym ją mechanizmem napędowym 8 oraz zainstalowany jest akcelerometr 9 mierzący przyspieszenie w kierunku prostopadłym do belki 3 i zgodnym z kierunkiem wektora prędkości drgań. Akcelerometr 9 połączony jest z odbierającym z niego sygnał kontrolerem 10' kolejno sterującym elektromagnetycznym wzbudnikiem 4 oraz ustalającym położenie masy 7. Mechanizm 'napędowy 8 w niniejszym przykładzie wykonania stanowi zamocowana do belki 3 zębatka współpracująca z zamocowanym do masy 7 kołem zębatym poruszanym złączonym z nim motoreduktorem. Jako mechanizm napędowy 8 równie dobrze może być zastosowany zespół śruby napędowej czy inna poruszająca liniowo, wzdłuż belki, masę, przekładnia. Zasada działania urządzenia przedstawia się następująco. Odległość pomiędzy zamocowaniem obrotowym belki 3 a podparciem jej sprężyną 6, sztywność sprężyny ó oraz ciężar masy 7 dobrane są w taki sposób, że częstotliwość rezonansowa układu równa jest dolnej granicy pożądanego zakresu w momencie, kiedy masa 7 z badanym obiektem o ciężarze maksymalnym znajduje się w najdalszej pozycji od uchwytu 2. W przypadku kiedy masa 7 z badanym obiektem o ciężarze minimalnym jest w pozycji najbliższej uchwytu 2 częstotliwość rezonansowa układu jest równa górnej granicy pożądanego zakresu.

Kalibracja układu

Na podstawie zadanych, parametrów testowych, to jest częstotliwości testowej, przyspieszenia, ciężaru: badanego obiektu 5, ustalana jest wstępnie pozycja masy 7 wzdłuż belki 3. Kontroler 10 przy użyciu elektromagnetycznego wzbudnika 4 o niewielkiej mocy wymusza drgania obrotowe belki 3 o niewielkiej amplitudzie. Po wyłączeniu wzbudnika 4 kontroler 10 mierzy za pomocą akcelerometru 9 częstotliwość drgań własnych całego układu. Mierzony jest wyłącznie okres drgań, amplituda jest nieistotna. W razie odchylenia od zadanej częstotliwości testowej pozycja masy 7 wzdłuż belki 3 jest korygowana i procedura kalibracji jest powtarzana.

Faza testu

Układ wprawiany jest w drgania harmoniczne o częstotliwośc i testowej elektromagnetycznym wzbudnikiem 4 o niewielkiej mocy. Częstotliwość drgań własnych układu pokrywa się z częstotliwością testową, więc układ pracuje w rezonansie. Amplituda i przyspieszenie drgań, pomimo dostarczania niewielkiej energii, rośnie z każdym cyklem. Sygnał z akcelerometru 9 pozwala na wykry cie przez kontroler 10 momentu osiągnięcia zadanej amplitudy/przyspieszenia drgań. Od tego momentu kontroler 10 zmniejsza siłę wywieraną przez wzbudnik 4 w każdym cyklu do minimalnego poziomu podtrzymującego-drgania na stałym poziomie, co pozwala na uzupełnienie strat energii w układzie.

PL 233 599 B1

Drgania są podtrzymywane przez zadany czas testu. Po zakończeniu testu kontroler 10 wymusza za pomocą wzbudnika 4 siłę działającą w przeciwfazie do drgań układu, co powoduje stopniowe wygaszenie drgań, aż do zatrzymania ukł adu.

W przypadku konieczności testowania badanego obiektu nie dla jednej częstości, ale w zdefiniowanym zakresie częstości, po osiągnięciu według opisanej powyżej procedury częstotliwości rezonansowej dla dolnej granicy zakresu testowego, kontroler 10 przesuwa masę 7 wzdłuż belki 3 w kierunku jej osi obrotu podwyższając częstość drgań własnych całego układu. Jednocześnie kontroler 10 podwyższa częstotliwość drgań wzbudnika 4 w taki sposób, aby częstość wymuszenia cały czas była zgodna z częstością drgań własnych układu, co pozwala na utrzymanie układu w rezonansie i uzupełnianie strat energii. Proces przesuwania masy 7 kontynuowany jest aż do osiągnięcia częstotliwości górnej granicy zakresu testowego. Po jej osiągnięciu kontroler 10 wymusza za pomocą wzbudnika 4 siłę działającą w przeciwfazie do drgań układu, co powoduje stopniowe wygaszenie drgań, aż do zatrzymania układu.

Układ według wynalazku do badań odpowiedzi obiektów na działanie drgań o niskiej częstotliwości i dużym przyspieszeniu charakteryzuje się' prostą konstrukcją i niewielkim poborem energii. Ograniczeniem w stosunku do uniwersalnych maszyn wibracyjnych jest możliwość wymuszania wyłącznie drgań harmonicznych w dość wąskim zakresie niskich częstotliwości. Taki zakres zastosowań dobrze uzupełnia możliwości uniwersalnych maszyn wibracyjnych, które nie są zdolne do wymuszenia drgań o odpowiedniej amplitudzie w dolnym paśmie częstotliwości, wymaganym na przykład przez normy przemysłu kosmicznego ECSS-E-HB-32-25A,

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Układ do wymuszania drgań o niskich częstotliwościach na badanym obiekcie, znamienny tym, że zbudowany jest z podstawy (1), w której jednostronnie, obrotowo zamocowana jest, połączona ze, wzbudzającym jej drgania, elektromagnetycznym wzbudnikiem (4), belka (3) w obszarze środka podparta, zamocowaną do niej i do podstawy (1), sprężyną (6), przy czym belka (3), na której przy wolnym końcu umieszczany jest badany obiekt (5) wyposażona jest w zainstalowaną na niej przesuwną wzdłuż jej długości masę (7) połączoną z poruszającym ją mechanizmem napędowym (8) oraz akcelerometr (9) mierzący przyspieszenie w kierunku prostopadłym do belki (3) i zgodnym z kierunkiem wektora prędkości drgań, połączony z odbierającym z niego sygnał kontrolerem (10) kolejno sterującym wzbudnikiem (4) oraz kontrolującym położenie masy (7).