ВОЗБУДИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ С КОМПЕНСИРОВАНИЕМ НАГРУЗКИ
VIBRATION EXCITER WITH COMPENSATION OF LOAD

Изобретение относится к возбудителю колебаний с компенсированием нагрузки для динамического возбуждения испытуемых образцов, включающему базу, исполнительный механизм, арматуру, установленную с возможностью перемещения относительно базы в направлении возбуждения посредством исполнительного органа и управляемую средством линейного управления параллельно направлению возбуждения, и пневматическое средство компенсирования нагрузки, компенсирующее силу тяжести, по меньшей мере, арматуры предпочтительно вместе с возбуждаемым испытуемым образцом.
Возбудители колебаний, называемые часто также «шейкерами», применяют для исследования динамических свойств испытуемых образцов на вибрационном стенде. Возбудители колебаний применяют главным образом для исследования материалов, причем испытуемым образцом служат, например, детали или целые конструктивные группы. Для этого испытуемый образец возбуждают определенным тестовым сигналом с одновременным определением положения и/или состояния движения испытуемого образца соответствующими средствами измерения. Такие средства измерения включают наряду с пленочным тензодатчиком приемники колебаний или другие датчики для определения местоположения или определения режима движения. На основе этих параметров измерения определяют в том числе механические характеристики, например выносливость.
Известны также возбудители колебаний, предназначенные для испытания самих средств измерения, например приемников колебаний, для исследования колебательных процессов, в частности для их калибровки согласно нормам ISO 16063.
2
Многообразие известных приемников колебаний относительно диапазона измерения, конструктивных размеров и т.д. велико. Наряду с очень маленькими и легкими приемниками колебаний для ускорений до миллиона g, причем 1g соответствует среднему ускорению свободного падения 9,81 м/сек, известны также очень большие и тяжелые приемники колебаний, например, применяемые в сейсмографах.
Сейсмографы применяют для обнаружения сотрясений почвы при землетрясениях и других сейсмических волн. Для этого в сейсмографах на пружине установлен груз, механические колебания которого измеряют. Для определения направления начавшегося землетрясения известны сейсмографы с одной до трех таких систем «пружина-груз». Механические колебания, возникающие обычно при сейсмических процессах, очень малы; наименьшие фиксируемые ускорения составляют несколько биллионстых ускорений свободного падения g. Для этого достаточно частотного диапазона от 50 Гц до примерно одного колебания в час. Поэтому необходимая для этого сейсмическая масса 10 кг или более очень велика.
Вследствие возникновения очень малых механических колебаний для калибровки таких больших приемников колебаний, т.е. приемников колебаний с большой сейсмической массой, предъявляются очень высокие требования к механическим граничным условиям вибрационных стендов, в частности к возбудителям колебаний. Возбудитель колебаний должен производить высококачественный синусоидный возбудительный сигнал без помех, отличающийся максимально точной постоянной амплитудой колебаний, малым (<5%) фактором нелинейности, т.е. степенью нежелательных искажений возбудительного сигнала, а также постоянной характеристикой сигнала.
Для калибровки приемников колебаний с горизонтальным, т.е. прямым, возбуждением колебаний известно применение аэростатических подшипников (для уменьшения трения). Это обеспечивает возможность реализации особенно высокой точности и динамики движения по сравнению с обычными подшипниками скольжения, качения или пружинными опорами. Основная идея аэростатических подшипников заключается в том, что опираемый предмет буквально плавает на воздушной пленке, причем опираемый предмет беспрепятственно, не считая очень малого внутреннего трения в воздушной пленке и в пограничных слоях воздушной пленки, проходит до ограничивающих поверхностей. Соответственно, аэростатические подшипники обеспечивают возможность движения предмета без трения. Принципиально известны аэростатические подшипники как с линейным, так и с вращательным движением, которые в свою очередь подразделяются как на статические, так и на динамические аэростатические подшипники. Геометрические характеристики аэростатических подшипников многообразны. Известны, например, цилиндрические, прямоугольные или плоские формы, а также специальные геометрические формы.
При калибровке приемников колебаний с вертикальными, т.е. отвесными, импульсами колебаний переменной формы на необходимое для возбуждения колебаний усилие накладывается статичная сила тяжести приемника колебаний в гравитационном поле Земли. Для обеспечения равной составляющей силы импульсов колебаний в обоих направлениях, т.е. в противоположном и в попутном силе тяжести приемника колебаний, известно компенсирование сил тяжести. Известны различные способы такого компенсирования, причем все способы, необходимые для такого компенсирования, объединены действием, направленным против силы тяжести испытуемого образца, например, нагрузки усилия, произведенного электродинамически, гидравлически, пневматически или силой пружины.
Известно калибровочное устройство CS18 VLF фирмы СПЕКТРА ШВИНГУНГСТЕХНИК УНД АКУСТИК ГмбХ для калибровки приемников ускорений в горизонтальном и вертикальном направлениях, включающее возбудитель колебаний. Возбудитель колебаний включает выполненный в виде линейного привода исполнительный механизм для динамического возбуждения масс в направлении возбуждения. Подвижная часть калибровочного устройства - салазки линейного движения, называемая также арматурой, соединена для этого посредством линейного аэростатического подшипника с неподвижной частью калибровочного устройства - базой. Калибровочное устройство включает для калибровки приемников колебаний в вертикальном направлении импульсов также электрорегулировку нулевого положения, компенсирующую силу тяжести салазок и приемника колебаний. Для этого используют часть приводной энергии указанного линейного привода, чтобы обеспечить использование против силы тяжести не всей силы, имеющейся в распоряжении для возбуждения колебаний.
Известно также компенсирование нагрузки, при котором для компенсации силы тяжести испытуемого образца используют механическую силу пружины. Принципиальный недостаток применения стальных пружин состоит в заданных границах прочности и упругости, а также в возможности возбуждения резонансов. При использовании эластомерных пружин дополнительно возникает нелинейность, которую необходимо компенсировать для производства неискаженного возбудительного сигнала. Кроме этого, названные пружины вызывают дискретность сигнала возбуждения за счет наличия внешнего и внутреннего трения, например, при эффекте статического трения (Stick-Slip-Effekt = эффект прилипания-проскальзывания).
Известно также компенсирование нагрузки сжатой средой с повышенным давлением.
С одной стороны, для компенсирования нагрузки известны гидравлические цилиндры, применяемые, например, для изучения вибрационных характеристик целого транспортного средства. При этом сжатую среду, в данном случае гидравлическую жидкость, хранят в закрытой системе, причем некоторые детали, предпочтительно поршневой шток гидроцилиндра, выходят за пределы системы. Соответственно установлены уплотнения, например уплотнительные кольца валов. Во-первых, эти уплотнения изнашиваются и, во-вторых, вызывают за счет возникающего трения дискретность в производимом сигнале возбуждения.
Известно также применение сжатого воздуха в резиновой камере для компенсирования нагрузки. Так, например, фирма ТИРА ГмбХ предлагает вибростенд, в котором для компенсирования нагрузки применяют такую заполненную резиновую камеру. При этом резиновая камера для компенсирования нагрузки расположена под двигающейся деталью, арматурой. Между резиновой камерой и соседними деталями вибростенда возникают силы трения, вызывающие со своей стороны дискретность в производимом сигнале возбуждения.
Недостатком всех известных возможностей компенсирования нагрузки является тем самым образование за счет возникающего трения и другой нелинейности дополнительных сигналов помех, которые препятствуют возникновению чисто синусоидой характеристики сигнала, необходимой для калибровки приемника колебаний, в частности приемника колебаний большой массы, т.е. в пределах 10 кг или более.
Одна из задач изобретения состоит в создании возбудителя колебаний с компенсированием нагрузки для динамического возбуждения испытуемых образцов, причем для производства высококачественного синусоидного сигнала возбуждения с малым количеством помех при компенсировании нагрузки минимизируют возникающее трение и иную нелинейность, причем в независимости и без ограничений от компенсирования нагрузки силы тяжести обеспечены как виброперемещение, так и необходимая для возбуждения колебаний сила в обоих направлениях импульсов, т.е. в противоположном и в попутном силе тяжести.
Для решения этой задачи в возбудителе колебаний с компенсированием нагрузки вышеназванного типа предусмотрено включение аэростатического подшипника в линейное средство управления и включение линейного средства управления в средство компенсирования нагрузки.
Этот возбудитель колебаний с компенсированием нагрузки и с малым трением согласно данному изобретению обеспечивает возможность производства высококачественных синусоидных сигналов возбуждения с малым количеством помех, что обеспечивает, например, при калибровке тяжелых приемников колебаний в вертикальном направлении повышенную точность калибровки.
Также предпочтительно не использовать энергию привода исполнительного механизма именно для компенсирования нагрузки. Более того, энергию привода исполнительного механизма используют главным образом для симметричного направления сил возбуждения в направлении импульсов. Это особенно предпочтительно для синусоидного возбуждения испытуемого образца. Корреляция амплитуды силы импульсов с амплитудой колебаний, т.е. когда независимо от направления действия силы тяжести для одинаковых импульсных амплитуд силы колебаний необходимы одинаковые амплитуды силы импульсов, обеспечивает производство особенно высококачественных синусоидных сигналов возбуждения, что, в свою очередь, обеспечивает повышенную точность калибровки.
Другое преимущество возбудителя колебаний с компенсированием нагрузки согласно данному изобретению заключается в том, что он очень компактен. Это обеспечено включением линейного средства управления в средство компенсирования нагрузки. Иначе говоря, если средство компенсирования нагрузки образовано конструктивной группой из нескольких отдельных деталей, то линейное средство управления образовано отдельными деталями из этого же количества. Другими словами, в состав средства компенсирования нагрузки и линейного средства управления входят определенные отдельные детали названной конструктивной группы.
Предпочтительные варианты усовершенствования и осуществления изобретения раскрыты в объектах зависимых пунктов формулы изобретения.
Так, в первом варианте осуществления предложено наличие в средстве компенсирования нагрузки пневмоцилиндра, поршневой шток и/или поршни которого линейно проведен/проведены каждый через аэростатический подшипник. При этом линейное средство управления и средство компенсирования нагрузки включают поршневой шток и/или поршень в качестве общей детали вышеназванной конструктивной группы. Если корпус пневмоцилиндра соединен с базой, а подвижный поршень или поршневой шток соединены с подвижной арматурой и если каждый из них проведен через аэростатический подшипник, то компенсирование силы тяжести арматуры и, при необходимости, размещенного на ней испытуемого образца проходит беспрепятственно. При этом во время возбуждения арматуры исполнительный механизм минимизирует нелинейные, обусловленные трением эффекты.
В другом варианте выполнения данного изобретения количество пневмоцилиндров в средстве компенсирования нагрузки составляет n>1, а их поршневые штоки и/или поршни проведен(-ы) через аэростатический подшипник. За счет размещения нескольких пневмоцилиндров n их размеры для компенсирования определенной силы тяжести уменьшены, как если бы вместо них использовали один единственный пневмоцилиндр большего размера. Таким образом, возбудитель колебаний по данному изобретению выполнен особенно компактным.
Если число пневмоцилиндров в средстве компенсирования нагрузки составляет n>1, то пневмоцилиндры n>1 установлены вокруг исполнительного механизма по кругу под одинаковым центральным углом α=360°/n друг к другу. Центральный угол обозначают так же, как угол охвата. Такое расположение обеспечивает особенно симметричное компенсирование силы тяжести для минимизирования других помех, например привнесенных моментов. Выявлено, что особенно предпочтительно выбирать n=3. При этом каждый центральный угол составляет α=120°.
Изобретение предусматривает также другие схемы расположения пневмоцилиндров, например, в квадратных или прямоугольных испытуемых образцах, причем в этом случае исполнительный механизм расположен в точке пересечения диагоналей квадрата или прямоугольника. Поверхность поршня пневмоцилиндра может быть выполнена также в виде кругового кольца. В этом случае исполнительный механизм расположен по центру пневмоцилиндра, так как пневмоцилиндр охватывает исполнительный механизм. При этом исполнительный механизм и пневмоцилиндр взаимодействуют с арматурой попеременно.
Целесообразно наличие в исполнительном механизме по меньшей мере одного линейного привода. Этот линейный привод выполнен в виде линейного электродинамического двигателя либо в виде линейного пьезоэлектрического, электростатического, электромагнитного, термоэлектрического магнитострикционного, пневматического или гидравлического исполнительного органа. При этом предпочтительно их исполнение с малым трением для минимизации влияния помех от нелинейности.
В другом варианте выполнения арматура соединена с базой через возвратное приспособление, причем действие силы возвратного приспособления направлено против действия силы средства компенсирования нагрузки.
Для предотвращения повреждений при неисправности или перегрузке возбудителя колебаний устанавливают ограничитель хода арматуры. Ограничитель хода арматуры, образованный, например, механическими упорами. ограничивает максимально возможный ход арматуры в направлении импульсов возбуждения.
Для обнаружения по меньшей мере одного параметра - местоположения и режима движения - арматуры устанавливают одно или несколько измерительных средств, в том числе различного принципа действия, для фиксирования местоположения и/или режима движения арматуры, соотнесенных с возбудителем колебаний. Особенно предпочтительно и в этом случае применение неконтактных средств измерения, например лазерных виброметров, так как это исключает обратное воздействие измерительного средства на возбудитель колебаний и минимизирует соответственно воздействие помех. Так, например, с помощью лазерного виброметра в качестве средства измерения одновременно выявляют ускорение, скорость и путь методом дифференсации или интеграции сигнала скорости.
Далее изобретение детально описано на примере показанных на чертежах предпочтительных вариантов осуществления, При этом на чертежах изображено:
фиг. 1 - немасштабная схема боковой проекции возбудителя колебаний с компенсированием нагрузки согласно данному изобретению, и
фиг. 2 - немасштабная схема вертикальной проекции предпочтительно варианта выполнения возбудителя колебаний с компенсированием нагрузки согласно данному изобретению, включающего три пневмоцилиндра.
Очень упрощенная и немасштабная схема боковой проекции возбудителя колебаний с компенсированием нагрузки согласно данному изобретению на фиг. 1 предназначена для отображения принципа изобретательского замысла. В первую очередь здесь показано основное конструктивное устройство и взаимодействие отдельных составных частей конструкции возбудителя колебаний с компенсированием нагрузки согласно данному изобретению.
Показанный на фиг. 1 возбудитель колебаний с компенсированием нагрузки с малым трением включает базу 1, установленную неподвижно на непоказанной здесь структуре, и арматуру 2 с возможностью движения относительно базы 1 в направлении 4 импульсов возбуждения. Возбудитель колебаний согласно данному изобретению очень предпочтительно предназначен для динамичного вертикального с малым трением возбуждения испытуемого образца. Направление 4 импульсов возбуждения соответственно параллельно полю притяжения Земли. Арматура 2 предназначена, в том числе, для размещения испытуемого образца 15 в целях изучения или калибровки. Таким образом, предназначение возбудителя колебаний согласно данному изобретению не ограничено только калибровкой приемника колебаний.
Более того, с помощью возбудителя колебаний проводят и другие исследования, например проверку срока службы.
Для динамичного возбуждения испытуемого образца 15 база 1 посредством исполнительного механизма 3 кинематически соединена с арматурой 2. Для этого в одном из предпочтительных вариантов осуществления установлен линейный привод 11. Это привод выполнен, например, в виде электродинамического привода с погружной катушкой. Исполнительный механизм 3 при этом выполнен для обеспечения возможности движения арматуры 2 вместе с испытуемым образцом 15 в направлении 4 импульсов возбуждения как в, так и против направления действия силы земного притяжения. Кроме этого, исполнительный механизм 3 предназначен для возбуждения арматуры 2 и испытуемого образца 15 в любой форме движения, например в гармоничном синусном возбуждении, произвольном воздействии шумом, скачкообразном шоковом возбуждении. Местоположение арматуры 2 в направлении 4 импульсов возбуждения в зависимости от времени называют сигналом возбуждения.
Для компенсирования силы 7 тяжести арматуры, а также силы 7 тяжести испытуемого образца 15, если он размещен на арматуре, установлено пневматическое средство 6 компенсирования нагрузки. В предпочтительном варианте выполнения пневматическое средство 6 компенсирования нагрузки выполнено в виде пневмоцилиндра 9. Корпус пневмоцилиндра 9 неподвижно установлен на базе 1. Это снижает движимую массу и компенсируемую силу 7 тяжести. Поршневой шток 92 пневмоцилиндра 9 кинематически соединен с арматурой 2, что обеспечивает возможность переложения компенсирующего усилия 12 с поршня 91 пневмоцилиндра 9 на арматуру 2 для компенсирования силы 7 тяжести. Компенсирующим усилием 12 управляют с помощью давления сжатого воздуха 10. Для упрощения соответствующие средства производства сжатого воздуха и средства управления не показаны. Средство 6 компенсирования нагрузки обеспечивает приложение одинакового усилия для возбуждения арматуры 2 и для возбуждения испытуемого образца 15 исполнительным механизмом 4 в и против направления действия силы притяжения Земли. Это обеспечивает также одинаковое максимальное смещение, включая максимальное виброперемещение, арматуры 2 в направлении 4 импульсов возбуждения. В одном из вариантов выполнения максимальное виброперемещение ограничено непоказанным здесь ограничителем движения арматуры, за счет чего возбудитель колебаний защищен от разрушения.
Для направления арматуры 2 в параллельном направлении возбудитель колебаний включает линейное средство 5 управления.
Согласно изобретению линейное средство 5 управления включает для этого аэростатический подшипник 8, что обеспечивает производство высококачественных синусоидных сигналов возбуждения с малым количеством помех. Сигналы возбуждения с малым количеством помех отличаются максимально возможным точным сохранением получаемой амплитуды колебаний, очень малым (<5%) фактором нелинейности и постоянной характеристикой сигналов. Применение аэростатического подшипника 8 исключает прежде всего появление вышеназванного эффекта прилипания-проскальзывания, что также лучше сохраняет амплитуду колебаний арматуры 2.
Кроме этого, средство 6 компенсирования нагрузки включает также линейное средство 5 управления, что обеспечивает особенно компактное выполнение компенсирующего нагрузку возбудителя колебаний. В предпочтительном варианте выполнения аэростатический подшипник 8 предусмотрен для опирания поршневого штока 92 пневмоцилиндра 9. В усовершенствованном варианте выполнения поршень 91 пневмоцилиндра 9 также установлен посредством другого аэростатического подшипника 8 в цилиндре пневмоцилиндра 9. Снабжение аэростатического подшипника 8 сжатым воздухом 10 обеспечивается посредством непоказанного подробно средства производства сжатого воздуха с соответствующими средствами управления. Средство производства сжатого воздуха пневмоцилиндра 9 и аэростатического подшипника 8 при этом одно и то же, причем соответствующие непоказанные здесь клапаны обеспечивают возможность раздельного снабжения пневмоцилиндра 9 и аэростатического подшипника 8, в том числе и под разным давлением. Часть сжатого воздуха 10 для снабжения аэростатического подшипника 8 направлена против направления действия компенсирующей силы 12.
Для фиксирования сигнала возбуждения, т.е. одного из параметров - местоположение и состояние движения арматуры 2, в одном из вариантов выполнения установлено измерительное средство 13. Измерительное средство 13 выполнено в особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения в виде лазерного виброметра 14. Возможно также выполнение измерительного средства 13, например, в виде датчика ускорения, датчика скорости (принцип электродинамики), датчика перемещений (индуктивного, емкостного, магнитосриктивного, лазерно-триангуляционного, интерференционного, репродукционного типа) или иного типа. Измерительное средство 13 может состоять и из нескольких средств измерения различного принципа действия. Лазерный виброметр фиксирует сигнал возбуждения бесконтактным способом и тем самым без обратной связи с возбудителем колебаний. Измерительное средство 13 соединено для этого с непоказанным здесь блоком обработки данных. Если испытуемым образцом является датчик ускорения, то его сигналы измерения также обрабатывают в непоказанном здесь блоке обработки данных.
Хотя на фиг. 1 показаны только один исполнительный механизм 3, одно линейное средство 5 управления и одно средство 6 компенсирования нагрузки, возможны и другие варианты исполнения, в которых установлены больше чем один исполнительный механизм 3, больше чем одно линейное средство 5 управления и больше чем одно средство 6 компенсирования нагрузки.
Так, на фиг. 2 показана немасштабная схема вертикальной проекции предпочтительно варианта выполнения возбудителя колебаний с компенсированием нагрузки согласно данному изобретению, причем на фиг. 2 возбудитель колебаний показан не целиком, а только выборка основных конструктивных деталей, чтобы пояснить схему расположения исполнительного механизма 3, линейного средства 5 управления и средства 6 компенсирования нагрузки относительно друг друга.
На фиг. 2 показана база 1, причем на базе 1 размещены три средства 6 компенсирования нагрузки, каждый с линейным средством 5 управления, и один исполнительный механизм 3. В качестве средств 6 компенсирования нагрузки установлено по одному пневмоцилиндру 9, а в качестве линейного средства 5 управления - по одному аэростатическому подшипнику 8. Особенно предпочтительным оказалось круговое размещение пневмоцилиндров 9 вокруг исполнительного механизма 3, причем исполнительный механизм в качестве линейного привода 11 выполнен в виде электродинамического привода с погружной катушкой. Все центральные углы СС равны и составляют 120°. Радиальное отстояние пневмоцилиндров 9 от исполнительного механизма 3 выбрано таким образом, чтобы обеспечить компактную конструкцию возбудителя колебаний.
Как было сказано выше, принципиально возможны и иные схемы расположения исполнительного механизма 3, линейного средства 5 управления и средства 6 компенсирования нагрузки.
Список условных обозначений
1 База
2 Арматура
3 Исполнительный механизм
4 Направление импульсов возбуждения
5 Линейное средство управления
6 Пневматическое средство компенсирования нагрузки
7 Сила тяжести
8 Аэростатический подшипник
9 Пневмоцилиндр
91 Поршень
92 Поршневой шток
10 Сжатый воздух
11 Линейный привод
12 Компенсирующая сила
13 Измерительное средство
14 Лазерный виброметр
15 Испытуемый образец
α Центральный угол