ДАТЧИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕЛ В ВИБРАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к датчикам, предназначенным для определения граничных параметров вибрационных режимов в технологических машинах, представляющих собою механические колебательные системы, где в качестве элементов выступают гранулированные сыпучие смеси.
Известен пьезоэлектрический акселерометр [Вусевкер Ю.А., Гориш А.В., Дунаевский В.П., Панич А.Е. «Пьезоэлектрический акселерометр», патент RU 2150117 С1, МПК G01P 15/09, опубл. 27.05.2000]. Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус, состоящий из основания и крышки, на основании установлен чувствительный элемент, выполненный в виде монолитного многослойного конденсатора из пьезоэлектрических пластин с электродами и коммутационными шинами вдоль монолита, каждая из которых соединена с электродами одной полярности, отличающийся тем, что в пьезоэлектрических пластинах со стороны одной из электродных поверхностей, идентичных относительно основания, выполнены металлизированные хордовые канавки, диффузно заполненные металлическими коммутационными шинами.
Данный акселерометр позволяет повысить коэффициент преобразования по заряду и точность измерения параметров вибрации. Вместе с тем, он не обеспечивает регистрацию вибрационных режимов с нарушением контакта между фрагментами составных твердых тел.
Известен пьезоэлектрический датчик [Воронов А.М., Степанов В.А. «Пьезоэлектрический акселерометр», патент RU 2289821 С2, МПК G01P 15/09, опубл. 20.12.2006]. Пьезоэлектрический датчик, содержащий корпус, инерционное тело, выполненный в виде втулки пьезоэлемент, закрепленный между корпусом и инерционным телом, и средство для опоры пьезоэлемента, по крайней мере, по одной из кромок, отличающийся тем, что дополнительно введено средство для опоры аналогичной кромки противоположного торца пьезоэлемента, выполненное в виде кольцевой канавки на корпусе или инерционном теле, в которой размещено упругое разжимное кольцо с обеспечением его защемления между кромкой пьезоэлемента и противоположной ей поверхностью канавки.
Данное изобретение обеспечивает надежность функционирования датчика при воздействии интенсивных знакопеременных виброударных ускорений, но данное устройство не может идентифицировать вибрационный режим технологической машины в процессе колебания составных твердых тел.
В качестве прототипа рассматривается пьезоэлектрический акселерометр [Кирпичев А.А., «Пьезоэлектрический акселерометр», патент RU 2400760 С1, МПК G01P 15/09, опубл. 27.09.2010]. Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий поджатые к основанию корпуса пьезочувствительный элемент, работающий на сжатие-растяжение, и инерционный элемент из монокристаллического диэлектрика, отличающийся тем, что инерционный элемент выполнен из пьезоэлектрического материала, при этом указанные элементы соединены электрически параллельно, а их вектора поляризации ориентированы вдоль оси чувствительности акселерометра и направлены в разные стороны.
Данное изобретение регистрирует только частотные характеристики движения измеряемой поверхности технологических вибрационных машин и не отражает процессы взаимодействия частиц сыпучих материалов с опорной поверхностью вибрационной машины, в частности, особенности взаимодействия рабочей среды с опорной поверхностью. В то время как для ряда технологических процессов необходимым является отрыв рабочей среды, представленной гранулированной сыпучей смесью, от опорной поверхности вибрационной машины. При определенных характеристиках работы вибрационной машины опорная поверхность колебания может не обеспечивать в силу сложного характера колебания, требуемого вибрационного поля. К примеру, при разбалансировке или износе элементов вибрационной машины могут возникать узлы колебаний, в которых не происходит подбрасывания сыпучего материала. В связи с чем, возникает задача контроля соответствия вибрационного поля граничным допустимым значениям параметров технологического процесса. Таким требованием в ряде случаев выступает необходимость обеспечение отрыва сыпучего материала от опорной поверхности колебания. Под граничными параметрами понимаются такие параметры вибрационной технологической машины, при которых реализуется режим подбрасывания сыпучей смеси. Для ряда вибрационных машин необходимой фазой технологического процесса служит состояние, при котором в каждой точке вибрирующей опорной поверхности реализуется отрыв частиц сыпучей смеси.
Цель предлагаемого устройства заключается в том, чтобы определить граничные параметры режима взаимодействия тел гранулированных сыпучих материалов с опорной горизонтальной поверхностью в вибрационных технологических машинах.
Задача решается тем, что предложен датчик определения граничных параметров взаимодействия тел в вибрационных системах, содержащий цилиндрический корпус и крепежный элемент с установленным в основании пьезоэлементом, работающим на сжатие-растяжение, токовыводы, соединенные со сторонами пьезоэлемента, и инерционное тело, отличающийся тем, что инерционное тело в зависимости от амплитуды и частоты колебания опорной поверхности технологический машины периодически ударяется о пьезоэлемент, возникающее напряжение на токовыводах регистрирует вибрационный режим, обеспечивающий подбрасывание гранулированной сыпучей смеси.
В результате происходит регистрация режима подбрасывания сыпучей смеси на колеблющейся поверхности, который является необходимой фазой производственного процесса. Подбрасывание сыпучей смеси происходит одновременно с подбрасыванием инерционного элемента датчика, который безотрывно прикреплен к вибрирующей опорной поверхности технологической машины. Таким образом, режим, обеспечивающий подбрасывание сыпучей смеси на опорной поверхности в области установки датчика, одновременно вызывает и подбрасывание инерционного элемента датчика. Инерционный элемент датчика совершает удары по пьезоэлементу, вызывая кратковременные всплески напряжения на концах токовыводов. Полученные сигналы могут быть распознаны соответствующей аппаратурой, к примеру, цифровым осциллографом. Снятие данных с датчика в процессе работы технологической машины позволяет определить реализацию режима виброподбрасывания в точке установки датчика. Установка нескольких датчиков позволяет определить реализацию режима виброподбрасывания для нескольких точек вибрационного поля опорной поверхности технологической машины.
Конструкция предлагаемого датчика показана на фиг. 1 - датчик определения граничных параметров взаимодействия тел в вибрационных системах.
Предлагаемый датчик (см. фиг. 1) установлен на вибрирующее основание 5 технологической машины и содержит: цилиндрический корпус - 1; инерционное тело - 2; пьезоэлектрический элемент - 3; крепежный элемент - 4; токовыводы - 6, передающие сигнал от пьезоэлектрического элемента в регистрирующую аппаратуру.
Посредством крепежного элемента 4 датчик крепится на горизонтальное вибрирующее основание 5. Вертикальный цилиндрический корпус 1 неподвижно устанавливается с помощью крепежного элемента 4. Внутри корпуса 1 на крепежный элемент 4 фиксируется пьезоэлектрический элемент 3. Сверху пьезоэлектрического элемента 3 внутри корпуса 1 помещается инерционное тело 2. Токовыводы 6 позволяют передавать электрический сигнал, возникающий в результате деформации пьезоэлектрического элемента, в регистрирующую аппаратуру.
Датчик работает следующим образом: при возмущении со стороны колеблющегося основания 5 вибрационной технологической машины, происходит изменение контактной реакции между инерционным телом 2 и пьезоэлектрическим элементом 3. Изменение контактной реакции приводит к деформации пьезоэлектрического элемента, что влечет изменение напряжения, которое посредством токовыводов 6 передается в соответствующую аппаратуру, регистрируется в цифровом виде и анализируется посредством спектральной характеристики. При малых частотах и амплитудах колебания опорной поверхности вибрационной технологической машины генерируется характерный сигнал, соответствующий контактному взаимодействию инерционного тела 2 и пьезоэлектрического элемента. По мере увеличения частоты и амплитуды колебания опорной поверхности возникает режим нарушения контакта между инерционным телом 2 и пьезоэлектрическим элементом 3. Возникновение отрыва инерционного тела 2 и последующий удар о пьезоэлектрический элемент 3 приводит к проявлению признаков ударного взаимодействия. Сравнение характерного спектра, соответствующего контактному колебанию инерционного тела, со спектром, соответствующего ударному взаимодействию, позволяет зарегистрировать режим с ударами.
В качестве примера применения датчика определения граничных параметров взаимодействия тел в вибрационных системах следует привести технологический вибрационный процесс виброупрочнения лонжерона лопасти вертолета посредством рабочей среды, образованной большим количеством стальных шариков, в основе которого лежит теория взаимодействия материальной частицы с вибрирующей поверхностью [1, стр. 13] для случая горизонтальной поверхности, совершающей вертикальные колебания. Машина образована тремя вибрационными секциями, помещенными на упругие элементы, на которые сверху помещаются лонжероны лопастей вертолетов в контейнерах, внутрь которых засыпаны стальные металлические шарики. Такая технологическая машина может иметь возможность регулирования амплитуды и частоты колебания опорной поверхности вибрирующих секций. Из-за разбалансировки и износа элементов вибрационной машины амплитуды колебания точек вибрационного поля могут перестать соответствовать допустимым значениям, в частности, могут возникать области, в которых не происходит подбрасывания металлических шариков. Для первичной настройки режима виброупрочнения необходимы такие граничные параметры вибрационных режимов, чтобы во всех точках поверхности колеблющихся секций реализовался режим подбрасывания рабочей среды. Установка датчика на технологическую опорную поверхность колебания позволяет провести предварительную настройку технологического процесса путем регулирования амплитуды и частоты колебания опорной поверхности, в частности, для фиксированных параметров ответить на вопрос, реализуется ли в точке установки датчика режим подбрасывания рабочей среды, или параметры системы таковы, что режим подбрасывания не реализуется. Если при определенных параметрах вибростенда установленный датчик регистрирует ударный режим, то считается, что граничные параметры взаимодействия определены и равны текущим параметрам вибрационной машины.
2
Техническая применимость и реализация датчика определения граничных параметров взаимодействия тел в вибрационных системах может быть обоснована теоретическими результатами и модельным экспериментом. При рассмотрении гармонического колебания поверхности при наличии только гравитационных сил область параметров, обеспечивающих отрыв материальной точки от поверхности, определяется выражением Aω>g, где A, ω - амплитуда и частота колебания поверхности. Таким образом, можно утверждать, что отрыв инерционного элемента происходит одновременно с отрывом сыпучей смеси от опорной поверхности вибрационной машины при условии, что рассматриваются только гравитационные силы.
Для подтверждения возможности получения при осуществлении полезной модели технического результата представлен экспериментальный прототип датчика и экспериментальная виброустновка, датчик установлен на экспериментальную виброустановку, записаны на электронный носитель сигналы с датчика для режима с виброподбрасыванием и для режима без виброподбрасывания, представлены графики форм сигналов для соответствующих режимов движения опорной поверхности экспериментальной установки.
В соответствии с фиг. 2 представлен опытный образец датчика (1 - цилиндричекий корпус, 2 - инерционное тело, 3 - пьезочувствительный элемент, 4 - токовыводы). В соответствии в фиг. 3 представлен вариант установки опытного образца датчика на модельную вибрационную машину (1 - датчик, 2 - крепежный элемент, 3 - модельная вибрационная машина). В соответствии с фиг. 4 представлен общий контур генерации и вывода сигнала с датчика на устройство вывода (1 - опорная поверхность модельной вибрационной машины, 2 - датчик, 3 - записывающее устройство, 4 - устройство вывода формы сигнала).
В соответствии с фиг. 5 представлены графики сигнала напряжения на токовыводах датчика для режима отсутствия ударов. На фиг. 6 представлен график сигнала соответствующего напряжения для режима с ударным взаимодействием (1 - характерные сигналы в моменты ударов). Частота колебания находилась в диапазоне от 5 до 20 Гц.
В соответствии с фиг. 7 представлен спектр сигнала для безударного режима. В соответствии с фиг. 8 представлен спектр сигнала для ударного режима.
В соответствии с фиг. 9 представлена детализированная форма сигнала поступающего с датчика при отсутствии ударов на промежутке 0.06 с. В соответствии с фиг. 10 представлен детализированный сигнал ударного взаимодействия.
Во временной области реализация ударного режима, соответствующего граничным параметрам, проявляется возникновением резких скачков значений напряжения в соответствии с фиг. 6 по сравнению с фиг. 5 для режима безударного взаимодействия. В частотной области ударный режим проявляется на графике спектральной характеристики (фиг. 8) большими значениями в диапазоне до 200 Гц по сравнению с графиком (фиг. 7) спектра безударного режима. Сравнение графиков сигналов и спектральных разложений позволяет идентифицировать ударный и безударный режимы.
Полезность датчика определения граничных параметров взаимодействия тел в вибрационных системах заключается в возможности определения режима подбрасывания сыпучих материалов в точках опорной поверхности, и как следствие, в возможности контроля, настройки и регулирования режимов работы технологических линий вибрационных машин.
Эффективность заключается в большей простоте, надежности и возможности датчика по определения граничных параметров взаимодействии тел идентифицировать режим виброподбрасывания в точках опорной поверхности вибрационной машины.
Работоспособность подтверждается теоретическими результатами и практическими данными, полученными по результатам проведения модельных экспериментов на опытных образцах.
Литература
[1] Вибрации в технике: справочник в 6-ти томах / Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.). - М.: Машиностроение. 1981. Т. 4 Вибрационные процессы и машины / Под ред. Э.Э Лавенделла. 1981. - 504 с.