ДАТЧИК ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВИБРАЦИОННОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к датчикам, предназначенным для определения, оценки и контроля динамического состояния вибрационного поля вибрационных технологических машин, представляющих собою механические колебательные системы, где качество взаимодействия гранулированной сыпучие смеси с поверхностью изделия достигается путем приближения текущих параметров вибрационного поля к заранее фиксированным эталонным значениям.
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, акселерометр не обеспечивает возможности в регистрации и контроле ряда динамических эффектов, характеризующих структуру вибрационного поля сыпучей смеси вибрационной технологической машины.
Известен пьезоэлектрический датчик [Воронов А.М, Степанов В.А. «Пьезоэлектрический акселерометр», патент RU 2289821 С2, МПК GQ1P 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 не может идентифицировать особенности характеристики вибрационного поля технологической машины, характеризующие эффекты взаимодействия элементов сыпучей смеси.
Известен 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 динамического состояния вибрационного поля элементов сыпучей смеси, взаимодействующей с опорной поверхностью.
В качестве прототипа рассматривается датчик [Елисеев С. В., Артюнин А.И., Каимов Е.В., Елисеев А.В. «Датчик определения граничных параметров взаимодействия тел в вибрационных системах», патент RU 148250 U1, МПК G01P 15/09, опубл. 27.11.2014, Бюл. №33]. 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.
Данное полезное устройство регистрирует вибрационный режим, обеспечивающий подбрасывание гранулированной сыпучей смеси, но не позволяет контролировать динамическое состояние вибрационной технологической машины на основе эффектов взаимодействия элементов слоя между собой. В то же время для ряда технологических процессов необходимым является реализация эффективных или эталонных режимов, примерами которых может служить режим с кратным подбрасыванием, режим синхронного колебания слоя сыпучей смеси, когда все элементы смеси имеют одну форму движения; режим хаотического колебания смеси и т.д. Движение сыпучей смеси определяется не только формой колебания рабочей поверхности, но и характеристиками рабочего слоя, к примеру, количеством элементов сыпучей смеси. При определенных условиях текущие параметры вибрационной технологической машины и сыпучей смеси могут начать отклонятся от эталонных значений вибрационного поля. К примеру, при разбалансировке или износе элементов вибрационной технологической машины могут возникнуть узлы колебаний, в которых не происходит подбрасывания сыпучего материала; могут возникнуть эффекты аналогичные биениям, когда реализуется периодическое кратковременное уменьшение амплитуды колебания контрольных точек поверхности рабочего органа, что сказывается на качестве поверхностного упрочнения изделия. В связи с чем, возникает необходимость определения, оценки и контроля структуры вибрационного поля технологического процесса путем сравнения значений эталонной структуры вибрационного поля с соответствующими значениями текущей структуры вибрационного поля.
Задачей предлагаемого устройства является обеспечение контроля текущего динамического состояния вибрационного поля вибрационной технологической машины.
Задача решается тем, что предложен датчик для контроля динамического состояния вибрационного поля, представляющий собою цилиндрическую емкость с основанием и возможностью крепления к вибрационной поверхности, в основании установлен пьезоэлемент с токовыводами, на него свободно установлено инерционное тело, отличающийся тем, что цилиндрическая емкость выполнена узкой, а инерционное тело выполнено из отдельных одинаковых твердотельных элементов диаметром равным диаметру узкой цилиндрической емкости с возможностью совершать продольные колебания таким образом, что между твердотельными элементами происходит продольное взаимодействие по вертикали.
Предлагаемый датчик для контроля динамического состояния вибрационного поля является устройством, которое позволяет зафиксировать значения эталонной и текущей структуры вибрационного поля, создаваемого взаимодействием рабочей смеси и подвижного органа вибрационной технологической машины.
В результате происходит регистрация сигнала, который характеризует структуру вибрационного поля технологической машины. Движение слоя сыпучей смеси происходит подобно составному инерционному телу датчика, который безотрывно прикреплен к вибрирующей опорной поверхности технологической машины. Таким образом, режим, обеспечивающий движение сыпучего слоя на опорной поверхности в области установки датчика, одновременно вызывает и движение составного инерционного тела элемента датчика. Составное инерционное тело элемента датчика совершает удары по пьезоэлементу, вызывая кратковременные всплески напряжения на концах токовыводов. Полученные сигналы регистрируются соответствующей аппаратурой, к примеру, цифровым осциллографом. Снятие данных с датчика в процессе работы вибрационной технологической машины позволяет определять динамическое состояние вибрационного поля вибрационной технологической машины в точке установки датчика. Установка нескольких датчиков позволяет определить динамическое состояние нескольких точек вибрационного поля опорной поверхности технологической машины.
Конструкция предлагаемого датчика показана на ФИГ. 1 - датчик для контроля динамического состояния вибрационного поля.
Предлагаемый датчик (ФИГ. 1) установлен на вибрирующее основание 5 технологической машины и содержит: цилиндрический корпус - 1; составное инерционное тело, образованное несколькими одинаковыми твердотельными элементами сферической формы идентичными элементам рабочей среды - 2а)-2ж); пьезоэлектрический элемент - 3; крепежный элемент - 4; токовыводы, передающие сигнал от пьезоэлектрического элемента в регистрирующую аппаратуру - 6, крышка - 7.
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 составное инерционное тело 2а)-2ж). Токовыводы 6 позволяют передавать электрический сигнал, возникающий в результате деформации пьезоэлектрического элемента, в регистрирующую аппаратуру. Крышка 7 позволяет открывать и закрывать цилиндрический корпус 1, чтобы добавлять или убирать твердотельные элементы 2а)-2ж).
Краткое описание чертежей
ФИГ. 1 - принципиальная схема датчика для контроля динамического состояния вибрационного поля. 1 - корпус, 2а)-2ж) - твердотельные элементы составного массоинерционного тела, 3 - пьезоэлектрический элемент, 4 - крепежный элемент, 5 - основание технологической вибрационной машины, 6 - токовыводы, передающие сигнал от пьезоэлектрического элемента в регистрирующую аппаратуру, 7 - крышка.
ФИГ. 2 - вариант установки прототипа датчика для контроля динамического состояния вибрационного поля на экспериментальную вибрационную установку. 1 - корпуса, 2 - твердотельный элемент составного массоинерционного тела, 3 - пьезоэлектрический элемент, 4 - крепежный элемент, 5 - основание технологической вибрационной машины, 6 - токовыводы, передающие сигнал от пьезоэлектрического элемента в регистрирующую аппаратуру,
ФИГ. 3 - варианты сигналов в зависимости от N - количества элементов составного инерционного тела. Представлены варианты N от 1 до 5, N от 21 до 25.
Описание принципов работы
Датчик работает следующим образом: при возмущении со стороны колеблющегося основания (5, ФИГ. 1) вибрационной технологической машины, происходит изменение контактной реакции между нижним элементом (2а, ФИГ. 1) составного инерционного тела (2а-2ж, ФИГ. 1) и пьезоэлектрическим элементом (3, ФИГ. 1). Изменение контактной реакции приводит к деформации пьезоэлектрического элемента, что влечет изменение напряжения, которое посредством токовыводов (6, ФИГ. 1) передается в соответствующую аппаратуру, регистрируется в цифровом виде и анализируется методами спектрального анализа, математической статистики и др. При малых частотах и амплитудах колебания опорной поверхности вибрационной технологической машины генерируется характерный сигнал, соответствующий контактному взаимодействию твердотельного элемента составного инерционного тела (2а, ФИГ.1) и пьезоэлектрического элемента (3, ФИГ. 1). По мере увеличения частоты и амплитуды колебания опорной поверхности возникают различные динамические режимы: нарушение контакта между составным инерционным телом (2а, ФИГ. 1) и пьезоэлектрическим элементом (3, ФИГ. 1), кратный режим с подбрасыванием и др. В зависимости от количества твердотельных массоинерционных элементов, образующих составное твердое тело, реализуется режимы, которые отражает особенности динамического состояния вибрационного технологического вибростенда. Запись на информационный носитель характерного сигнала на фиксированном временном промежутке в качестве эталонного формирует базу для сравнения при контроле динамического состояния вибрационного технологического стенда.
Предварительная оценка возможностей реализации
В качестве примера применения датчика для контроля динамического состояния вибрационного поля следует привести способ регистрации особенностей технологического вибрационного процесса 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 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, износа и особенностей установки элементов вибрационной машины могут формироваться особые динамические эффекты, условно называемые, «квазибиения», представляющие собою периодические увеличения амплитуд колебания контрольных точек вибрационного стола. Для первичной настройки, оценки динамического состояния вибрационного стенда, проверки вибрационного поля на однородности, дальнейшей сверки и контроля необходимо зарегистрировать эталонные или эффективные характеристики вибрационного поля рабочего органа технологической вибрационной машины.
Установка датчика на технологическую опорную поверхность колебания позволяет провести предварительную настройку технологического процесса путем регулирования амплитуды, частоты колебания опорной поверхности, жесткости упругих элементов и других настроечных параметров. Для априори эффективных настроечных параметров фиксируется сигнал в точке установки датчика в качестве эталонного динамического состояние вибрационного технологического стенда. В процессе работы вибрационной технологической машины фиксируется текущий сигнал с датчика и сравнивается с эталонным сигналом. Если получена последовательность значений отклонений эталонного сигнала от текущего для заданных моментов времени, то считается, что контроль вибрационного поля вибрационной технологической машины произведен.
2
Техническая применимость и реализация датчика структуры вибрационного поля может быть обоснована теоретическими результатами и модельными экспериментами. При рассмотрении гармонического колебания поверхности при наличии только гравитационных сил область параметров, обеспечивающих отрыв материальной точки от поверхности, определяется выражением Аω>g, где А, 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 для контроля динамического состояния вибрационного поля (ФИГ. 2) на лабораторном вибростенде, записаны на электронный носитель сигналы и представлены в графическом виде (ФИГ. 3) при различном количестве N твердотельных элементов (омедненных стальных шариков).
Полезность датчика для контроля динамического состояния вибрационного поля заключается в возможности определения структуры вибрационного поля в точках опорной поверхности, и как следствие, в возможности оценки, настройки, контроля и регулирования режимов работы технологических вибрационных машин.
Эффективность заключается в больших возможностях датчика в определения динамических эффектов, отражающих структуры вибрационного поля сыпучей смеси вибрационной технологической машины.
Работоспособность подтверждается теоретическими результатами и практическими данными, полученными при проведении 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.