ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ВИБРОСТЕНД
ELECTRODYNAMIC SHAKER

Изобретение относится к испытательной технике, использующей электродинамические вибростенды для воспроизведения синусоидальной вибрации с изменяемой (качающейся) частотой в диапазоне 5-2000 Гц и более.
Известен электродинамический вибростенд для испытаний изделий на синусоидальную вибрацию методом качающейся частоты, который содержит соединенные последовательно задающий генератор синусоидальных колебаний с плавно изменяемой (качающейся) частотой, блок автоматической регулировки уровня вибрации (блок ару) и усилитель мощности, к выходу которого подключена подвижная катушка электродинамического возбудителя (ЭДВ). Каркас подвижной катушки жестко соединен с рабочим столом ЭДВ и в совокупности они образуют подвижную часть ЭДВ. На рабочем столе закрепляют объект испытаний и виброизмерительный преобразователь (ВИП), который через согласующий усилитель подключен к управляющему входу блока АРУ. В совокупности ВИП, согласующий усилитель и блок АРУ образуют цепь главной обратной связи. Блок АРУ по общему сигналу с ВИП осуществляет автоматическое управление уровнем синусоидальных колебаний, поступающих с задающего генератора через усилитель мощности на подвижную катушку ЭДВ. (Кузнецов А.А. Вибрационные испытания элементов и устройств автоматики. М.: Энергия, 1976, с. 16-17).
Недостатком такого электродинамического вибростенда является то, что при испытаниях изделий в широком диапазоне частот 5-2000 Гц и более на рабочем столе вибростенда возникают значительные частотные искажения воспроизводимой синусоидальной вибрации. Это существенно усложняет отработку и проверку вибростойкости радиоаппаратуры и приборов при их испытаниях на электродинамических вибростендах.
Частотные искажения вибрации происходят из-за нелинейности преобразования электрических колебаний в механические колебания (вибрации) в ЭДВ и из-за нелинейных эффектов передачи вибрации от подвижной катушки через рабочий стол к объекту испытаний. Кроме основной гармоники с частотой f возбуждаются малые паразитные гармоники с кратными частотами 2f, 3f и т.д. Если частоты этих паразитных высокочастотных гармоник совпадают с собственными частотами колеблющейся механической подсистемы, состоящей из подвижной части ЭДВ с закрепленным на ней объектом испытаний, то эти гармоники будут усилены механической подсистемой, как резонатором, и в результате объект испытаний будет подвергаться синусоидальной вибрации с большими уровнями частотных искажений.
В многорезонансных колебательных системах, к которым относится механическая подсистема в случае виброиспытаний бортовой радиоаппаратуры и приборов в диапазоне частот 5-2000 Гц и более, энергия воспроизводимой вибрации перераспределяется между гармониками и уровень основной гармоники вибрации существенно уменьшается по сравнению с заданным. (Остроменский П.И. Вибрационные испытания радиоаппаратуры и приборов. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 1992, с. 61-76; с. 122-125).
Также известен электродинамический вибростенд, в котором для стабилизации уровня первой (основной) гармоники в цепи главной отрицательной обратной связи между блоком АРУ и ВИП включен выделитель основной гармоники (Автоматическое управление вибрационными испытаниями /Гетманов А.В., Дехтяренко П.И., Мандровский-Соколов Б.Ю., и др., - М.: Энергия, 1978, с. 54-59). В качестве выделителя основной гармоники в цепи главной обратной связи обычно используют узкополосный сопровождающий фильтр (Малинский В.Д., Бегларян В.Х., Дубицкий Л.Г. Испытания аппаратуры и средств измерений на воздействие внешних факторов: Справочник. - М.: Машиностроение, 1993, с. 131, 132).
К недостаткам устройства-аналога относится то, что стабилизация уровня основной гармоники с использованием выделителя этой гармоники в цепи главной обратной связи приводит к существенным переиспытаниям объекта испытаний на высоких частотах, кратных основной гармонике. Это вызвано тем, что управление уровнем вибрации ведется в этом случае не по ее общему уровню, которому подвергается объект испытаний, а только по его части - основной гармонике.
p
p
В качестве прототипа выбран электродинамический вибростенд (А. с. №1693419, кл. G01M 7/02, 1991), в котором повышение точности воспроизведения основной гармоники вибрации достигается за счет введения дополнительной цепи отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель мощности и колеблющуюся механическую подсистему, состоящую из подвижной части ЭДВ с закрепленным на ней объектом испытаний. Цепь дополнительной отрицательной обратной связи содержит последовательно соединенные ВИП, закрепленный на объекте испытаний или столе ЭДВ, согласующий усилитель и заграждающий фильтр, выход которого подключен к входу усилителя мощности. Частота заграждения фильтра постоянна и равна f=0,5·f, где f - частота первого высокочастотного механического резонанса подвижной части ЭДВ.
Основным недостатком прототипа является то, что частотные искажения существенно уменьшаются только на одной фиксированной частоте. Поэтому в случае, когда механическая подсистема является многорезонансной колебательной системой в вибрации с изменяющейся частотой, воспроизводимой ЭДВ, уровни паразитных высокочастотных гармоник существенно уменьшаются только на одной частоте, равной половине частоты первого высокочастотного резонанса ЭДВ.
Задачей изобретения является повышение точности воспроизведения основной гармоники вибрации за счет уменьшения уровней паразитных высокочастотных гармоник во всем частотном диапазоне виброиспытаний.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в предлагаемом электродинамическом вибростенде предусмотрено следующее существенное отличие: в цепь дополнительной отрицательной обратной связи введен заграждающий фильтр с переменной средней частотой заграждения, равной переменной частоте синусоидальных колебаний, возбуждаемых задающим генератором, выполненым в виде последовательно соединенных между собой выделителя основной гармоники из общего сигнала вибрации с переменной частотой и устройства вычитания с выходом, подключенным к входу усилителя мощности, и двумя входами, один из которых соединен с выходом выделителя основной гармоники, а второй вход устройства вычитания подключен параллельно с входом выделителя основной гармоники к ВИЛ через согласующий усилитель. При этом выделитель основной гармоники соединен через дополнительный вход с задающим генератором синусоидальных колебаний с переменной частотой, который управляет изменением средней частоты заграждения и обеспечивает равенство переменной частоты синусоидальных колебаний, создаваемых задающим генератором, и средней частоты заграждения.
Технический результат - уменьшение частотных искажений воспроизводимой синусоидальной вибрации с переменной частотой - достигается тем, что заграждающий фильтр с переменной средней частотой заграждения вырезает из сигнала, передаваемого на его вход через согласующий усилитель от ВИП, основную гармонику, частота которой совпадает с частотой сигнала, возбуждаемого задающим генератором. При этом паразитные высокочастотные гармоники, имеющиеся в воспроизводимой вибрации, передаются в противофазе с помощью устройства вычитания на вход усилителя мощности и затем на подвижную катушку ЭДВ. Эти противофазные гармоники подавляют такие же гармоники в механической подсистеме, возникающие из-за нелинейностей в этой подсистеме.
Техническая сущность и принцип действия предложенного электродинамического вибростенда поясняются чертежом.
Электродинамический вибростенд содержит задающий генератор синусоидальных колебаний 1 с изменяющейся частотой, присоединенный к входу блока АРУ 2. Выход блока АРУ 2 подключен к входу усилителя мощности 3, выход которого соединен с подвижной катушкой 4, жестко соединенной с рабочим столом 5 ЭДВ. На рабочем столе 5 закреплен объект испытаний 6 и виброизмерительный преобразователь (ВИП) 7. Жестко соединенные между собой подвижная катушка 4, рабочий стол 5, объект испытаний 6 и ВИП 7 образуют механическую подсистему «подвижная часть ЭДВ+ объект испытаний». АРУ 2, усилитель мощности 3 в совокупности с указанной механической подсистемой охвачены цепью главной отрицательной обратной связи, выполненной в виде электрической цепи из ВИП 7, выход которого через согласующий усилитель 8 присоединен к управляющему входу блока АРУ 2. Кроме того, усилитель мощности 3 с механической подсистемой охвачены дополнительной отрицательной обратной связью, выполненной в виде параллельной электрической цепи из ВИП 7, выход которого через согласующий усилитель 8 и заграждающий фильтр 9 подключена к входу усилителя мощности 3.
Заграждающий фильтр 9 выполнен в виде последовательно соединенных между собой выделителя основной гармоники 10 и устройства вычитания 11, выход которого подключен к входу усилителя мощности 3, а входы соответственно присоединены к входу выделителя основной гармоники 10 и к ВИП 7 через согласующий усилитель 8. Выделитель основной гармоники 10 одним входом соединен с согласующим усилителем 8, а вторым входом подключен к задающему генератору синусоидальных колебаний 1 с изменяемой частотой. В качестве выделителя основной гармоники 10 в заграждающем фильтре 9, предпочтительно, использовать узкополосный сопровождающий фильтр с внешней настройкой по частоте от задающего генератора с изменяемой частотой. Устройство вычитания, предпочтительно, выполнять на линейных операционных усилителях.
Электродинамический вибростенд работает следующим образом. Задающий генератор синусоидальных колебаний 1 передает программный синусоидальный электрический сигнал (основная гармоника) на вход блока АРУ 2, где уровень этого сигнала сравнивается с уровнем сигнала главной обратной связи, поступающего от ВИП 7 через согласующий усилитель 8 на управляющий вход АРУ 2. По результатам сравнения происходит автоматическое увеличение или уменьшение амплитуды основной гармоники. Затем этот сигнал с выхода блока АРУ 2 подается на вход усилителя мощности 3. Усиленный электрический сигнал, соответствующий основной гармонике, с выхода усилителя мощности 3 поступает в подвижную катушку 4 ЭДВ и преобразуется в переменную электродинамическую силу, возбуждающую вибрации механической подсистемы, состоящей из подвижной части ЭДВ с закрепленным на ней объектом испытаний. Из-за нелинейности преобразования электрических колебаний в механические (вибрации) и нелинейных эффектов передачи вибрации от подвижной катушки 4 через рабочий стол 5 к объекту испытаний 6, кроме основной гармоники с частотой f, возбуждаются вибрации с малыми дополнительными паразитными гармониками с частотами 2f, 3f и т.д. При совпадении этих гармоник с соответствующими собственными частотами многорезонансной механической подсистемы, составляющие вибрации с этими частотами будут усилены механической подсистемой как резонатором, и объект испытаний 6 будет подвергаться вибрационному воздействию с большими частотными искажениями. При этом электрическая энергия колебаний основной гармоники после преобразования в вибрацию перераспределится между всеми гармониками и уровень основной гармоники вибрации уменьшится по сравнению с программным уровнем.
1
2
3
1
2
3
1
1
2
3
ВИП 7 преобразует вибрацию, содержащую как основную, так и кратные гармоники, в электрический сигнал U=U+U+U+…, где U - электрическое напряжение основной гармоники, U, U, … - напряжения кратных гармоник. Суммарный сигнал U после усиления согласующим усилителем 8 поступает в заграждающий фильтр 9 на вход выделителя основной гармоники 10, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный U, поступающий на один из входов устройства вычитания 11. Одновременно на второй вход устройства вычитания 11 поступает электрический сигнал от согласующего усилителя 8, пропорциональный U. В результате операции вычитания мгновенных значений сигналов на выходе устройства вычитания 11 формируется электрический сигнал, содержащий только кратные гармоники U-U=-(U+U+…), которые в противофазе с выхода устройства вычитания 11 подаются на вход усилителя мощности 3. Через усилитель мощности 3 на подвижную катушку 4 поступает сигнал, содержащий только основную гармонику с выхода блока АРУ 2, и сигнал с противофазными кратными гармониками с выхода устройства вычитания 11. Противофазные сигналы подавляют паразитные кратные гармоники, что приводит к существенному уменьшению частотных искажений воспроизводимой синусоидальной вибрации.
Заявленное устройство в сравнении с прототипом повышает точность воспроизведения синусоидальной вибрации с изменяемой частотой за счет уменьшения уровней паразитных высокочастотных гармоник во всем частотном диапазоне виброиспытаний.