METHOD FOR FORMING SPECTRA OF RANDOM VIBRATION
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СПЕКТРОВ СЛУЧАЙНОЙ ВИБРАЦИИ

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам формирования спектров случайной вибрации, и может быть использовано в машиностроении.
Известен способ формирования спектра случайных вибраций (а.с. СССР №862018, G01M 7/00, 1981 г.), согласно которому формируют узкополосные случайные сигналы, задают значения дисперсии в каждой полосе, регулируют уровень дисперсии в каждой полосе и корректируют отрегулированные по дисперсии сигналы в соответствии с частотной характеристикой вибровозбудителя.
К недостаткам известного способа следует отнести невозможность создания требуемого спектра вибрации одновременно в нескольких контрольных точках (например в двух) изделия с помощью одного вибровозбудителя.
Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является способ формирования спектров случайной вибрации, описанный в патенте РФ №2168160, G01M 7/00, опубл. 27.05.2001 г., заключающийся в том, что формируют случайные сигналы в каждой полосе частот рабочего диапазона, задают значения собственных спектральных плотностей ускорений в каждой полосе частот рабочего диапазона в контрольных точках, создают вибрации изделия в полосах частот рабочего диапазона, измеряют значения собственных спектральных плотностей ускорений в каждой полосе частот в контрольных точках, определяют значения коэффициентов для формирования случайных сигналов, задают значения взаимных спектральных плотностей ускорений в каждой полосе частот в контрольных точках, определяют значения всех передаточных функций по измеренным значениям взаимных спектральных плотностей ускорений, в каждой полосе частот в контрольных точках, осуществляют определение коэффициентов передаточных функций.
К недостаткам известного способа следует отнести следующее:
- формирование спектрального состава виброускорения в одной из контрольных точек испытываемого изделия;
- не выделен частотный диапазон формирования случайных сигналов;
- сложность выполнения способа из-за использования различных узкоспециализированных блоков, микроконтроллера, полосового фильтра и пр.
Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных возможностей способа формирования широкополосной случайной вибрации с обеспечением быстродействия осуществления способа с повышением качества проводимых испытаний.
Технический результат заключается в том, что удалось сократить время на проведение испытаний протяженных крупногабаритных объектов в не менее чем двух удаленных точках при различных уровнях вибрации и спектральных характеристик, упростить осуществление способа за счет исключения различных узкоспециализированных приборов, заменив их универсальным процессором, который выполняет все требуемые операции по формированию и регистрации вибрации.
Это достигается тем, что, что при формировании спектров случайной вибрации, задают случайные сигналы в каждой полосе частот рабочего диапазона со значениями собственных спектральных плотностей ускорений в каждой полосе частот рабочего диапазона в контрольных точках, затем воспроизводят вибрацию изделия в полосах частот рабочего диапазона, измеряют значения собственных спектральных плотностей ускорений в каждой полосе частот в контрольных точках, определяют значения коэффициентов для формирования случайных сигналов, задают значения взаимных спектральных плотностей ускорений в каждой полосе частот в контрольных точках, определяют значения всех передаточных функций по измеренным значениям взаимных спектральных плотностей ускорений, в каждой полосе частот в контрольных точках, осуществляют определение коэффициентов передаточных функций, согласно изобретению, формируют случайные широкополосные сигналы, используя не менее двух виброустановок, в заданном рабочем диапазоне частот, задают значения собственных спектральных плотностей ускорений не менее чем в двух контрольных точках, заданных на каждом столе виброустановок, измеряют значения собственных спектральных плотностей ускорений не менее чем в двух точках на объекте испытаний, установленном на одновременно работающих виброустановках, определяют значения передаточных коэффициентов не менее чем в двух контрольных точках на каждом столе виброустановок и в измерительных точках на объекте испытаний, затем определяют значения передаточных коэффициентов для формирования случайных широкополосных сигналов и задают значения взаимных спектральных плотностей ускорений одновременно не менее чем в двух сечениях объекта испытаний, и, не менее чем в двух измерительных точках объекта испытаний одновременно, определяют значения всех коэффициентов от передаточных функций системы «столы виброустановок-оснастка-объект испытаний» по измеренным значениям взаимных спектральных плотностей ускорений, осуществляют определение коэффициентов передачи случайных широкополосных сигналов одновременно работающих виброустановок по заданным собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений и полученным значения собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений, а также полученным значениям коэффициентов передаточных функций в контрольных точках на столах виброустановок, при этом все операции осуществляют в каждой 1/3-октавных полосах заданного рабочего диапазона.
Кроме того, формируют широкополосные сигналы в рабочем диапазоне 10-2000 Гц.
Кроме того, формируют широкополосные сигналы в двух различных частях объекта испытаний с помощью двух электродинамических вибрационных стендов.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки способа формирования спектров случайной вибрации (формируют случайные широкополосные сигналы, используя не менее двух виброустановок, в заданном рабочем диапазоне частот, задают значения собственных спектральных плотностей ускорений не менее чем в двух контрольных точках, заданных на каждом столе виброустановок, измеряют значения собственных спектральных плотностей ускорений не менее чем в двух точках на объекте испытаний, установленном на одновременно работающих виброустановках, определяют значения передаточных коэффициентов не менее чем в двух контрольных точках на каждом столе виброустановок и в измерительных точках на объекте испытаний, затем определяют значения передаточных коэффициентов для формирования случайных широкополосных сигналов и задают значения взаимных спектральных плотностей ускорений одновременно не менее чем в двух сечениях объекта испытаний, и, не менее чем в двух измерительных точках объекта испытаний одновременно, определяют значения всех коэффициентов от передаточных функций системы «столы виброустановок-оснастка-объект испытаний» по измеренным значениям взаимных спектральных плотностей ускорений, осуществляют определение коэффициентов передачи случайных широкополосных сигналов одновременно работающих виброустановок по заданным собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений и полученным значения собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений, а также полученным значениям коэффициентов передаточных функций в контрольных точках на столах виброустановок, при этом все операции осуществляют в каждой 1/3-октавных полосах заданного рабочего диапазона) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлена схема закрепления объекта испытаний на двух виброустановках, места расположения измерительных и контрольных точек.
На фиг. 2 представлена структурная схема системы управления вибрационными испытательными установками (ВИУ) на основе двух локальных систем управления.
На фиг. 1 представлены следующие обозначения:
1 - виброустановка (вибрационная испытательная установка ВИУ 1)
2 - виброустановка (вибрационная испытательная установка ВИУ 2);
3 - объект испытаний (ОИ);
4 - столы виброустановок;
5 - измерительные точки объекта испытаний Д1 и Д2;
6 - контрольные точки виброустановок Б1 и Б2.
На фиг. 2 введены следующие условные обозначения:
x(t) - случайный процесс (широкополосная случайная вибрация) со спектральной характеристикой типа «белый» шум;
- спектральная плотность мощности (СПМ) виброускорения в контрольной точке на столе ВИУ;
- зарегистрированная СПМ виброускорения в контрольной точке ОИ;
- квадрат модуля передаточной функции между точками на ОИ и на столе ВИУ;
- расчетные СПМ виброускорения после тестового воздействия и n-ой итерацией соответственно;
- СПМ виброускорения в контрольной точке ОИ, требуемая исходными данными или программой испытаний;
ΔS - разница между СПМ виброускорения  и ;
ΔΣСКЗ - разница между полученным и требуемым суммарным среднеквадратическим значением виброускорения в полосе частот воспроизводимого диапазона.
Предлагаемый способ осуществляют путем последовательного выполнения следующих операций (фиг 1. и фиг. 2):
1. На столах 4 виброустановок 1 (ВИУ1) и 2 (ВИУ2) закрепляют объект испытаний 3. На столах 4 в контрольных точках 6 (Б1 и Б2) и на объекте испытания 3 в измерительных точках 5 (Д1 и Д2) устанавливают первичные измерительные преобразователи (ПИП).
2. В контрольных точках 6 (Б1 и Б2) на столах 4 виброустановок 1 (ВИУ1) и 2 (ВИУ2) одновременно воспроизводят широкополосную случайную вибрацию х(t) со спектральной плотностью мощности  типа «белый» шум. При этом регистрируют СПМ  и  в измерительных точках 5 (Д1 и Д2 соответственно) на объекте испытаний 3.
3. Определяют квадрат модуля передаточной функции  между измерительной точкой Д1 и контрольной точкой Б1,  между измерительной точкой Д2 и контрольной точкой Б2. Рассчитывают СПМ виброускорения  и  после тестового воздействия.
4. В контрольных точках 6 (Б1 и Б2) на столах 4 виброустановок 1 (ВИУ1) и 2 (ВИУ2) одновременно воспроизводят широкополосную случайную вибрацию с рассчитанной в пункте 3 описания осуществления способа СПМ виброускорения и. При этом регистрируют СПМ  и  в измерительных точках 5 (Д1 и Д2 соответственно) на объекте испытаний 3.
5. Определяют квадрат модуля передаточной функции  между измерительной точкой Д1 и контрольной точкой Б1,  между измерительной точкой Д2 и контрольной точкой Б2. Рассчитывают СПМ виброускорения  и .
6. В контрольных точках 6 на столах 4 виброустановок 1 (ВИУ1) и 2 (ВИУ2) одновременно воспроизводят широкополосную случайную вибрацию с рассчитанной в пункте 5 описания осуществления способа СПМ виброускорения и. При этом регистрируют СПМ  и  в измерительных точках 5 (Д1 и Д2 соответственно) на объекте испытаний 3.
7. Рассчитывают ΔS и ΔΣСКЗ, проверяют выполнение условий: ΔS≤6 дБ и ΔΣСКЗ≤21%.
8. Воспроизводят стационарный режим широкополосной случайной вибрации двумя одновременно работающими виброустановками 1 (ВИУ1) и 2 (ВИУ2), связанными между собой объектом испытаний 3, при условии, что выполняют условия в пункте 7 описания осуществления способа, либо переходят к пункту 5.
Предлагаемый способ был осуществлен на предприятии путем последовательного выполнения следующих режимов (см. фиг. 2) для объекта испытаний длиной около 4 метров.
1. Режим идентификации.
Режим идентификации служит для отыскания амплитудно-частотных характеристик каналов управления двухстендовой системой задания вибрации.
-2
Для этого по датчикам ускорения (например, вибропреобразователи пьезоэлектрические типа АР), установленным на столах 4 виброустановок 1 (ВИУ1) и 2 (ВИУ2) одновременно задается широкополосная случайная вибрация в диапазоне частот 10(20)-2000 Гц со среднеквадратическим значением ускорения lg(10M*c), форма спектра - равномерная. При этом вибрационном воздействии одновременно регистрируются реакции (отклики) в местах установки датчиков ускорения на объекте испытаний 3. Задаваемые и полученные вибрационные процессы обрабатываются с помощью алгоритма БПФ (быстрое преобразование Фурье) и представляются в виде распределения СПМ виброускорения в 1/3 октавных полосах частот. Используя известные уравнения, связывающие между собой спектральные плотности сигналов на столах 4 виброустановок 1 (ВИУ1) и 2 (ВИУ2) (входные сигналы) и в точках на объекте испытаний 3 Д1 и Д2 (выходные сигналы) определяются модули передаточных функций на отдельных 1/3 полосах октавных частот. Для автоматизации вычислений передаточных коэффициентов составлена программа расчета в Excel.
2. Режим вычисления первого приближения.
Затем осуществляют режим вычисления первого приближения, который служит для отыскания начальных значений управляющих параметров. При этом для вычисления используются значения передаточных коэффициентов, определенных в результате режима идентификации. Для этого используются уравнения, связывающие между собой спектральные плотности сигналов, применяемые выше. Обычно, если известна эталонная СПМ (спектральная плотность мощности) ускорения, которую необходимо реализовать в местах объекта испытаний, она определена заказчиком испытаний или нормативными документами, то зная передаточные коэффициенты (режим идентификации) можно вычислить СПМ ускорения, которые необходимо задать на столах 4 виброустановок 1 (ВИУ1) и 2 (ВИУ2). Для автоматизации вычислений используется программа расчета в Excel.
3. Режим управления.
В режиме управления находятся такие значения управляющих параметров, которые обеспечивают наименьшие отклонения оценки спектральных характеристик от заданных эталонных. Это достигается с помощью процедуры циклического приближения реализованных СПМ ускорения на объекте испытаний 3 к эталонным СПМ ускорения. Для автоматизации вычислений используется программа расчета в Excel.
Заявляемый способ позволил улучшить эксплуатационные возможности способа, сократить время на проведение испытаний протяженных крупногабаритных объектов, улучшить качество проведения испытаний, упростить осуществление способа, исключив различные узкоспециализированные приборы и заменив их одним измерительным цифровым усилителем, выполняющим все требуемые операции по формированию и регистрации вибрации.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления способа формирования спектров случайной вибрации и способность обеспечения достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».