Вибрационные измерения специальных механических систем

Движение с силовой части привода передается на канат 4 и обеспечивает вращение блока 5, благодаря чему обеспечивается движение шатуна 6 и связанного с ним звена 2 против часовой стрелки (рис.1). За счет соединения звена 2 с коромыслом 9 обеспечивается поворот звена 1 в кинематической паре А против часовой стрелки. При этом наличие пружины 10 исключает движение коромысла 9. Поворот звена 1 вызывает движение звена 3, соединенного с ним через шатун 7, против часовой стрелки. Работа привода приводит к одновременному движению всех звеньев, обеспечивая одновременный поворот звеньев 1-3.

При достижении звеном 1 поверхности захватываемого объекта происходит его останов. Дальнейшая работа привода сопровождается поворотом звена 2 и движением коромысла 9 в кинематической паре А. При этом происходит сжатие пружины 10. Звено 3 движется в том же режиме, что и до останова звена 1 .

Движение при разжиме захвата происходит в обратной последовательности.

Если звено 1 не вступает в контакт с объектом, движение происходит до наступления контакта звена 2 или 3 (аналог захвата кончиками пальцев).

Параметрический синтез элементов рычажного механизма производится исходя из требуемого соотношения углов поворота между звеньями при сведении звеньев захвата. Минимальная величина жесткости пружины 10 определяется исходя из исключения движения коромысла 9 при движении звеньев 1-3 и отсутствия контакта с объектом. Максимальная жесткость зависит от величины допустимого предельного усилия, создаваемого звеном 1 на объект, соответствующего максимальному повороту звена 2 относительно звена 1.

Разработанный вариант конструкции подтвердил работоспособность изложенного подхода к построению системы передачи движения. При этом упростилась схема управления движением звеньев. Использовался лишь один энкодер, контролирующий поворот звена 2.

Библиографические ссылки

1. Жиденко И. Г., Кутлубаев И. М. Методика определения сигналов управления антропоморфным манипулятором // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. № 5. С. 41-46.

2. Богданов А. А., Пермяков А. Ф., Канаева Е. И., Кутлубаев И. М. Захват манипулятора для работы в экстремальных условиях // Решетневские чтения : материалы XV Междунар. науч. конф. : в 2 ч. / под обш. ред. Ю. Ю. Логинова ; СибГАУ. Красноярск, 2011. Ч. 1. С. 218.

References

1. Zhidenko I. G., Kutlubayev I. М. Technique of definition of control signals anthropomorphic manipulator// Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. № 5. С. 41-46.

2. Bogdanov A. A., Permyakov A. F., Kanaeva E. I., Kutlubaev I. M. Capture manipulator for operation in extreme conditions // Reshetnev's readings: materials of XV International Scientific Conference : in 2 p. / ed. by U. U. Loginov ; Siberian State Aerospace University. Krasnoyarsk, 2011. P. 1. P. 218.

© Богданов А. А., Горбанева А. С., Кутлубаев И. М., Кутлубаева Ю. И., 2014

УДК 681.5.073

ВИБРАЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ*

В. В. Буданов, С. П. Ереско, Т. Т. Ереско, С. М. Шевцов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: eresko07@mail.ru

Рассмотрены способы измерения параметров вибрации специальных механических систем. Предложен аппаратно-программный комплекс для исследования характеристик датчиков вибрации. Комплекс позволяет создавать вибрационные нагрузки в широком диапазоне частот и амплитуд, воспроизводить вибрации, максимально приближенные к реальным условиям эксплуатации специальных механических систем.

Ключевые слова: акселерометр, амплитуда вибрации, чувствительность, калибровка, ускорение.

VIBRATION MEASUREMENTS OF SPECIAL MECHANICAL SYSTEMS V. V. Budanov, S. P. Eresko, T. T. Eresko, S. M. Shevtsov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: eresko07@mail.ru

* Результаты получены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки РФ № 9.447.2014/к.

Measurement ways of vibration parameters of special mechanical systems are considered. The hardware-software complex for research of vibration sensors characteristics is offered. The complex allows to create vibration loadings in the wide range of frequencies and amplitudes, to reproduce the vibrations which are most approached to real service conditions of special mechanical systems.

Keywords: accelerometer, vibration amplitude, sensitivity, calibration, acceleration.

Одной из актуальных проблем современной техники является измерение вибрации. Выбор диагностических параметров вибрации зависит от типов исследуемых механизмов, амплитудного и частотного диапазона измеряемых колебаний [1-3].

В низкочастотном диапазоне чаще измеряют параметры виброперемещения, в среднечастотном -виброскорости, а в высокочастотном - виброускорения.

Виброперемещение представляет интерес в тех случаях, когда необходимо знать относительное смещение объекта или деформацию. Если исследуют эффективность вибрационных машин, а также воздействие вибраций на организм человека, то изучают скорость вибрации, поскольку именно она определяет импульс силы и кинетическую энергию. При оценке надежности объектов основным измеряемым параметром является виброускорение.

В зависимости от спектрального состава, распределения уровней вибрации в диапазоне частот и во времени, а также от нормирования допустимого уровня измеряют амплитудные, средние или средние квадратические значения. Основным преимуществом измерения средних квадратических значений является независимость этих значений от сдвигов фаз между отдельными составляющими спектров измеряемой вибрации.

Измерительные преобразователи (ИП) вибрации основаны на различных физических принципах преобразования механических колебаний в электрический сигнал. Авторами в работах [4; 5] приведена подробная классификация и характеристики измерительных преобразователей.

При измерении параметров вибрации используют два принципа измерения. Кинематический принцип заключается в том, что измеряют координаты точек исследуемого объекта относительно выбранной неподвижной системы координат, например неподвижных элементов измерительного прибора или неподвижных объектов вне прибора.

Приборы, действие которых основано на кинематическом принципе измерения, называют приборами измерения параметров вибрации относительно неподвижных координат.

Динамический принцип заключается в том, что параметры исследуемого вибрационного процесса измеряют относительно искусственной неподвижной системы отсчета, в большинстве случаев инерционного элемента, сочленяемого с вибрирующим объектом через упругий подвес.

ИП инерционного действия, реализующие динамический принцип измерения, являются измерителями абсолютных значений параметров вибраций исследуемых объектов. Абсолютные измерения вибраций обеспечиваются за счет использования инерци-

онной массы, вывешенной на упругом подвесе, который при достаточно высоких частотах вибрации сохраняет инерционный элемент практически в состоянии покоя.

Принцип действия резистивных преобразователей основан на изменении сопротивления преобразователя при воздействии сторонних сил, так как в основе работы тензорезистора лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления проводников при их механической деформации.

Гальваномагнитные преобразователи основаны на физических эффектах, возникающих в находящихся в магнитном поле твердых телах при движении в них заряженных частиц. В качестве измерительных преобразователей практическое применение получили главным образом полупроводниковые гальваномагнитные преобразователи, основанные на использовании эффектов Холла и Гаусса. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов на боковых гранях пластины, а эффект Гаусса, или магниторезистивный эффект, проявляется в изменении электрического сопротивления пластины.

В общем случае электрохимический преобразователь состоит из заполненной электролитом ячейки и электродной системы из двух или нескольких электродов, включаемых в измерительную цепь.

Как элемент электрической цепи электролитическая ячейка может характеризоваться развиваемой ею ЭДС, падением напряжения, электрическим зарядом, сопротивлением, емкостью и индуктивностью. Выделяя зависимость между одним из этих электрических параметров и измеряемой величиной можно создать электрохимические преобразователи перемещения, скорости, ускорения и других параметров.

В бесконтактных измерителях реализуют кинематический метод измерения параметров относительной вибрации на основе использования оптических радиоволновых и др. электромагнитных полей. Наибольшее применение в бесконтактной вибродиагностике нашли оптические методы и средства измерения параметров вибрации, которые по способу выделения информации об измеряемом параметре делят на амплитудные и частотные. К амплитудным методам измерений относят фотоэлектронные, дифракционные и интерференционные методы измерения, а также методы с использованием пространственной модуляции светового потока.

Измерение параметров вибрации, основанное на измерении частоты излучения оптического квантового генератора, отраженного от объекта, проводят измерительными устройствами, действие которых основано на использовании эффекта Допплера.

Преобразователи значений вибрации в электрический сигнал делят на два класса: генераторные, преобразующие энергию механических колебаний в элек-

трическую; параметрические, преобразующие механические колебания в изменение параметров электрических цепей, например, индуктивности, емкости, активного сопротивления, частоты или сдвига фаз и т. д.

Широкую группу контактных измерительных преобразователей представляют емкостные преобразователи. Для измерения параметров вибрации (перемещения, скорости, ускорения) можно использовать изменение площади перекрытия пластин, расстояния между пластинами или диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора. Однако перемещения при вибраций изделий, как правило, составляют менее 1 мм, поэтому параметры вибрации чаще определяют по изменению расстояния между пластинами и диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора.

ИП, действие которых основано на определении изменения площади перекрытия пластин, применяют в основном для измерения перемещений > 1 мм, а также параметров вращательного движения.

Емкостные ИП могут быть использованы для измерения параметров как абсолютной, так и относительной вибрации. В зависимости от инерционной массы и резонансной частоты, их можно применять для работы f в режимах виброметра, велосиметра и акселерометра.

Недостатками емкостных ИП является зависимость от изменения температуры и влажности, а также от влияния емкости и индуктивности подводящих проводов (кабелей), что приводит к необходимости их калибровки совместно с кабелем.

Современные технологии микрообработки позволяют изготовить интегральные акселерометры, имеющие малые габариты и низкую цену. В настоящее время изготавливаются ИМС акселерометров трех типов: пьезопленочные, объемные и поверхностные.

Пленочные пьезоэлектрические датчики ускорения выполняются на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной пленки. Многослойная пленка закреплена на подложке из окиси алюминия, и к ней присоединена инерционная масса из порошкового металла. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация пленки. Благодаря пьезоэффекту возникает разность потенциалов на границах слоев пленки, зависящая от ускорения. Чувствительный элемент датчика обладает чрезвычайно высоким выходным сопротивлением, поэтому на подложке датчика имеется также полевой транзистор с малым током затвора, который представляет собой усилитель напряжения. Это позволяет измерять переменные ускорения со сравнительно низкой частотой. При измерении параметров вибрации используют два принципа измерения. Кинематический принцип заключается в том, что измеряют координаты точек исследуемого объекта относительно выбранной неподвижной системы координат, например неподвижных элементов измерительного прибора или неподвижных объектов вне прибора.

Приборы, действие которых основано на кинематическом принципе измерения, называют приборами измерения параметров вибрации относительно неподвижных координат.

Динамический принцип заключается в том, что параметры исследуемого вибрационного процесса измеряют относительно искусственной неподвижной системы отсчета, в большинстве случаев инерционного элемента, сочленяемого с вибрирующим объектом через упругий подвес.

Наиболее широкое распространение получили емкостные датчики вибрации - акселерометры. Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. Промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены [6].

Точность преобразования ускорения в электрический сигнал акселерометрами определяется величинами смещения нуля, погрешностью полной шкалы (или чувствительности), а также температурным и временным дрейфом этих параметров. Важными составляющими погрешности являются также погрешности линейности (нелинейность) и поперечная чувствительность. Смещение нуля и чувствительность акселерометров при нормальных условиях корректируются при изготовлении. Остаточная погрешность может быть уменьшена путем калибровки и запоминания калибровочных констант в памяти микроконтроллера. Калибровка акселерометра возможна на вибростенде с образцовым датчиком ускорения [7]. Использование вибростенда имеет следующие преимущества:

- возможность калибровки, в том числе и датчиков, восприимчивых только к переменному ускорению;

- возможность калибровки датчиков с ускорениями, многократно превышающими g;

- возможность калибровать полную шкалу датчиков, способных преобразовывать большие ускорения.

Температурный дрейф смещения нуля и чувствительности также может быть скомпенсирован. Для этой цели некоторые модели снабжаются встроенными датчиками температуры.

Одной из причин нелинейности характеристики преобразования интегральных акселерометров с датчиками емкостного типа является нелинейная зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками. Такие акселерометры имеют типичную погрешность линейности 1 % от полной шкалы. Другие акселерометры имеют емкостный датчик дифференциального типа, неподвижные пластины которого питаются равными, но противофазными напряжениями возбуждения с частотой 1 МГц, в результате чего зависимость напряжения на подвижных пластинах датчика от перемещения получается линейной. Такие датчики имеют погрешность линейности 0,2 %.

В качестве еще одного источника погрешности выступает гистерезис при вибрациях и ударах. При значительных ускорениях деформация растяжек, играющих роль пружин, может быть неупругой, и при

уменьшении ускорения инерционная масса либо очень медленно возвращается в исходное состояние, либо не возвращается совсем.

Поперечная чувствительность характеризует способность датчика преобразовывать в электрический сигнал ускорение, направленное под углом 90° к оси чувствительности датчика. У идеального акселерометра поперечная чувствительность равна нулю. В паспортных данных датчика указывается часть (в процентах) поперечного ускорения, которая проходит на выход.

Шум акселерометров, содержащийся в выходном сигнале акселерометра, определяет разрешающую способность устройства, важную при определении малых ускорений.

Для калибровки датчиков предлагается использовать вибростенд [8], оснащенный аппаратно-програмным комплексом для измерения параметров датчика, имеющий возможность изменения скорости, амплитуды и частоты колебаний.

Исследуются характеристики датчика: линейность, отказоустойчивость, поперечная чувствительность, разрешающая способность, влияние гистерезиса.

Библиографические ссылки

1. Ереско С. П. Система управления надежностью уплотнений подвижных соединений гидроагрегатов строительных машин : дис. ... д-ра техн. наук, 05.02.02. Защищена 31.10.2003, утв. 12.03.2004 / НИИ СУВПТ. Красноярск, 2003. 425 с.

2. Ереско Т. Т. Совершенствование конструкций и рабочего процесса гидропневмоагрегатов ударного действия : дис. ... д-ра техн. наук, 05.02.13. Защищена 29.06.2005, утв. 20.01.2006 / НИИ СУВПТ. Красноярск, 2005. 330 с.

3. Буданов В. В., Ереско С. П., Шевцов С. М. Снижение динамических крутильных колебаний в дизель-генераторных системах // Системы. Методы. Технологии : науч. периодический журн. Братск : Изд-во БрГУ, 2011. № 2(10). С. 34-37.

4. Шевцов С. М., Ереско С. П. Измерительные преобразователи вибрационных процессов // Системы. Методы. Технологии : науч. периодический журн. Братск : Изд-во БрГУ, 2010. № 3(7). С. 42-49.

5. Шевцов С. М., Ереско А. С., Ереско С. П. Автоматизация процессов измерения // Механики - ХХ1 веку : материалы VII Всерос. науч.-техн. конф. с меж-дунар. участием. Братск : Изд-во БрГУ, 2008. С. 38-40.

6. Казакевич А. Акселерометры Analog Device. Устройство, применение и непрерывное обновление // Компоненты и технологии. 2007. № 5. С. 46-50.

7. Шевцов С. М., Ереско С. П. Совершенствование системы измерения вибрации // Решетневские чтения : материалы 16-й Междунар. конф. ; СибГАУ. Красноярск, 2012. С. 286-287.

8. Патент РФ на полезную модель № 86737 / С. М. Шевцов, С. П. Ереско. По заявке 2009113775/22 приоритет 13.04.2009. Опубл. 10.09.2009. Бюл. № 25.

References

1. Eresko S. P. Control system of reliability of dynamic seal of hydraulic units of construction machinery : diss. ... doc. of tech. sciences 05.02.02. protected 31.10.2003, apr. 12.03.2004. Krasnoyarsk: Scientific research institute SUVPT, 2003. 425 pages.

2. Eresko T. T. Improving the design and workflow hydro-pneumatic units of impact action: diss. doc. of tech. sciences 05.02.13. protected 29.06.2005, apr. 20.01.2006. Krasnoyarsk : Scientific research institute SUVPT, 2005. 330 p.

3. Budanov V. V., Eresko S. P., Shevtsov S. M. Reducing the dynamic torsional vibration in the diesel generator systems // Systems. Methods. Technologies: scientific periodic magazine, No. 2 (10). Bratsk : Public Educational Institute of Higher Professional Training BRGU, 2011. P. 34-37.

4. Shevtsov S. M., Eresko S. P. Measuring converters of vibrating processes // Systems. Methods. Technologies : scientific periodic magazine. No. 3 (7). Bratsk : Public Educational Institute of Higher Professional Training BRGU, 2010. P. 42-49.

5. Shevtsov S. M., Eresko A. S., Eresko S. P. Automation of measurement processes / S. M. Shevtsov // Mechanics XXI century. The VII All-Russian scientific and technical conference with the international participation: collection of reports. Bratsk : Public Educational Institute of Higher Professional Training BRGU, 2008. P. 38-40.

6. Kazakevich A. Accelerometers Analog Device. The apparatus application and continuous update // Components and technologies. N. 5. of 2007. P. 46-50.

7. Shevtsov S. M., Eresko S. P. Improvement of vibration measurement system // Reshetnevsky Readings : Mat-ly of the 16th International conference. SibSAU. Krasnoyarsk, 2012, p. 286-287.

8. The patent Russian Federation for useful model. No. 86737 / S. M. Shevtsov, S. P. Eresko according to the Demand 2009113775/22 priority 13.04.2009. Published 10.09.2009. Bull. № 25.

© Буданов В. В., Ереско С. П., Ереско Т. Т., Шевцов С. М., 2014