ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВИБРОСТЕНД И ЕГО УПРУГИЙ ПОДВЕС (ВАРИАНТЫ)

Группа полезных моделей относится к приборостроению и может быть использована для вибрационных испытаний различных изделий, включая определение коэффициента преобразования при поверке и/или калибровке вибродатчиков ускорения.
Известен пьезоэлектрический вибростенд (RU 2334966, G01M 7/04, 2008.09.27), который является наиболее близким аналогом заявляемого устройства.
Известный пьезоэлектрический вибростенд содержит корпус, вибростол на упругом подвесе в виде мембраны с прорезями, пьезоэлектрический вибратор - пьезоэлемент, установленный также на упругом элементе в виде мембраны с прорезями, периферическая часть которой соединена с корпусом, а центральная часть с помощью регулируемого по длине элемента передачи колебаний - протяженного стержня соединена с вибростолом, к которому прикреплена виброплатформа для установки испытуемого прибора.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, является относительная сложность конструкции и регулировки взаиморасположения элементов упругого подвеса вибростенда.
Известно, что технические характеристики пьезоэлектрического вибростенда определяются характеристиками промышленно выпускаемого пьезоэлемента и упругого подвеса вибростола.
Известна схема упругого подвеса стола вибростенда, которая использована в серийно изготавливаемом калибраторе датчиков вибрации КДВ-1 ИКЛЖ.442269.001, внесенного в Госреестр за №27479-04. Известная схема состоит из двух упругих подвесов в виде мембран с прорезями, соединенных между собой посредством шпилек. Для получения минимальных поперечных перемещений элементов подвески стола вибростенда мембраны должны располагаться соосно с высокой точностью, что вызывает определенные трудности при изготовлении вибростенда.
Каждый упругий подвес, согласно полезной модели RU 113320 U8, F16F 7/00, F16F 15/04, 10.02.2012, может быть выполнен в виде круглой мембраны с центральным отверстием и с концентрично расположенными внутренним и внешним поясами для крепления. Внутренний и внешний пояса связаны между собой посредством образованных прорезями нескольких балочных элементов, которые расположены равномерно (с одинаковым шагом) и симметрично относительно центра указанных поясов и выполнены, по сути, спирально ориентированными так, что при работе вибростенда в них возникают преимущественно деформации изгиба за счет относительного вращательного перемещения внутреннего и внешнего поясов.
Наиболее оптимальным, по мнению патентообладателя, является вариант выполнения упругого подвеса, изображенный на фиг. 4 рисунков полезной модели RU 113320 U8, у которого равновеликие балочные элементы расположены на одной окружности и своими концами связаны с указанными поясами. Этот вариант является наиболее близким аналогом первого варианта упругого подвеса заявляемого вибростенда.
Наиболее близким аналогом второго варианта упругого подвеса заявляемого вибростенда является прототип полезной модели RU 113320 U8 - элемент упругого подвеса калибратора датчиков вибрации КДВ-1 ИКЛЖ.442269.001, изображенный на фиг. 1 рисунков полезной модели RU 113320 U8. Этот известный упругий подвес также содержит в качестве основы плоский упругий элемент в виде круглой мембраны с центральным отверстием и с концентрично расположенными внешним и внутренним поясами для крепления. Балочные элементы в упругом элементе - мембране образованы за счет прорезей, расположенных концентрично между поясами.
При перемещении вибростола в рабочем направлении балочные элементы в данной конфигурации работают не только на изгиб, но и на растяжение, вследствие чего для обеспечения заданных перемещений вибростола необходимо прикладывать значительные усилия.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных упругих подвесов, является относительная сложность регулировки взаиморасположения их элементов.
Задачей, на решение которой направлена группа заявляемых полезных моделей, является упрощение конструкции, упрощение регулировки изготовливаемых вибростендов и расширение их номенклатуры.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой группы полезных моделей, заключается в упрощении конструкции упругого подвеса и вибростенда и исключении необходимости регулировки взаиморасположения элементов упругого подвеса вибростенда при его изготовлении.
Указанный технический результат достигается при осуществлении заявляемой группы однообъектных полезных моделей, образующих единый изобретательский замысел и представляющих собой целое устройство и варианты выполнения одного из его частей - упругого подвеса вибростенда.
Варианты выполнения упругого подвеса заявляемого вибростенда являются самостоятельными объектами охраны, поскольку могут быть использованы в различных других типах вибростендов, например, электродинамических или пневматических.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в заявляемом пьезоэлектрическом вибростенде, включающем корпус, вибростол на упругом подвесе и связанный с вибростолом пьезоэлемент, в отличие от известного устройства, корпус вибростенда выполнен в виде стакана с фланцем-основанием, пьезоэлемент установлен на внутренней стороне днища стакана, которое является вибростолом, а упругий подвес вибростола выполнен в виде образованных прорезями в цилиндрической средней части стенок стакана равновеликих изгибных балочных элементов, размещенных в одной или по столько же элементов в каждой из последующих плоскостей, ортогональных оси корпуса вибростенда, при этом соответствующие концы балочных элементов связаны с противоположными - опорными цилиндрическими участками стенок стакана.
Для измерения параметров вибрационных колебаний вибростенда его пьезоэлемент может быть выполнен кольцевым и установлен на внутренней стороне вибростола соосно с цилиндрической поверхностью корпуса, а сам вибростол снабжен посадочными местами для установки эталонного вибродатчика и испытуемого объекта соответственно на его внутренней и наружной сторонах.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в первом варианте выполнения упругого подвеса вибростенда, включающего поверхность с образованными прорезями равновеликими изгибными балочными элементами, в отличие от известного упругого подвеса, поверхность подвеса выполнена в виде цилиндра, а образованные прорезями равновеликие изгибные балочные элементы, общим количеством не менее трех, расположены в средней части цилиндра между противоположными - опорными участками его стенок и размещены в одной плоскости, ортогональной оси цилиндра, при этом соответствующие концы балочных элементов соединены локальными перемычками с противоположными опорными участками стенок цилиндра.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что во втором варианте выполнения упругого подвеса вибростенда, включающего поверхность с образованными прорезями изгибными балочными элементами, в отличие от известного упругого подвеса, поверхность заявляемого подвеса выполнена в виде цилиндра, а все изгибные балочные элементы выполнены равновеликими, расположены между опорными участками стенок цилиндра в средней его части в виде одного или заданного количества колец, ортогональных оси цилиндра, и образованы расположенными в шахматном порядке не менее чем тремя равновеликими прорезями с каждой из сторон образуемого кольца балочных элементов, при этом соответствующие смежные одноименные концы балочных элементов в кольце через перемычки между прорезями связаны с противоположными - опорными участками стенок цилиндра непосредственно или через соседние балочные элементы.
На фиг. 1 изображен вибростенд с первым вариантом выполнения упругого подвеса, с четырьмя балочными элементами, пьезоэлементом кольцевой формы и посадочными местами на вибростоле для установки эталонного вибродатчика и испытуемого объекта;
На фиг. 2 изображен вибростенд со вторым вариантом выполнения упругого подвеса, с образованным прорезями одним кольцевым участком балочных элементов, пьезоэлементом кольцевой формы и посадочными местами на вибростоле для установки эталонного вибродатчика и испытуемого объекта;
На фиг. 3 изображен вибростенд со вторым вариантом выполнения упругого подвеса, с образованными прорезями двумя кольцевыми участками балочных элементов, пьезоэлементом кольцевой формы и посадочными местами на вибростоле для установки эталонного вибродатчика и испытуемого объекта;
На фиг. 4 изображен вибростенд, вид сверху.
На фиг. 5 изображен вид одинакового сечения по плоскостям А-А разреза перемычек балочных элементов для упругих подвесов вибростенда, изображенных на фиг. 1 - сечение A-1 - A-1, на фиг. 2 - сечение A-2 - A-2, на фиг. 3 - сечение A-3 - A3).
На фиг. 6 изображен вид Б-1 - развернутый участок упругого подвеса по первому варианту его выполнения.
На фиг. 7 изображен вид Б-2 - развернутый участок упругого подвеса по второму варианту его выполнения с одним кольцевым участком балочных элементов.
На фиг. 8 изображен вид Б-3 - развернутый участок упругого подвеса по второму варианту его выполнения с двумя кольцевыми участками балочных элементов.
Пьезоэлектрический вибростенд (фиг. 1, 2, 3, 4 и 5) содержит корпус 1 в виде стакана с фланцем-основанием 2, днищем, являющимся вибростолом 3, на внутренней поверхности которого установлен пьезоэлемент 4, (система электрического питания которого на фиг. не показана). В средней части цилиндрической поверхности корпуса 1 между противоположными опорными участками стенок 5 и 6, смежными соответственно с вибростолом 3 и фланцем-основанием 2, размещен упругий подвес 7 вибростенда. Упругий подвес 7 выполнен (фиг. 5, 6, 7 и 8) в виде образованных прорезями 8-n в цилиндрической средней части стенок корпуса 1 равновеликих изгибных балочных элементов 9-n, начало (н) и концы (к) которых связаны перемычками 10-n с соответствующими противоположными - опорными цилиндрическими участками 5 и 6 стенок корпуса 1.
Для измерения параметров вибрационных колебаний вибростенда его пьезоэлемент 4, выполнен кольцевым, (см. фиг. 4 и фиг. 5), и установлен на внутренней стороне вибростола 3 соосно с цилиндрической поверхностью корпуса 1. Вибростол 3 вибростенда снабжен также посадочными местами 11 и 12-n для установки соответственно на его внутренней и наружной сторонах эталонного вибродатчика (например, мод. 8305, фирма «Брюль и Къер», Дания) и испытуемого объекта, например, поверяемого или калибруемого вибродатчика ускорения (например, мод. МВ-43-10, фирма «Вибро-прибор», Санкт-Петербург, Россия, на фиг. не показаны).
Упругий подвес вибростенда может быть выполнен в двух вариантах, отличающиеся друг от друга конструктивным выполнением равновеликих изгибных балочных элементов 9-n, образованных прорезями 8-n в средней части цилиндра.
1÷4
1÷4
1÷4
(1÷4)Н
1÷4
(5÷8)К
Упругий подвес вибростенда по первому варианту (см. фиг. 1) содержит цилиндр, в среднем участке поверхности которого между противоположными - опорными участками 5 и 6 его стенок выполнены образованные четырьмя (или не менее чем тремя) фигурными прорезями 8-1. и четыре (или не менее чем три) равновеликих изгибных балочных элементов 9-1, размещенные в одной плоскости, ортогональной оси цилиндра. Начало (н) балочных элементов 9-1 соединены локальными перемычками 10-1 с опорным участком 5 стенок цилиндра (см. фиг. 6), а концы «к» балочных элементов 9-1 - соединены перемычками 10-1 с опорным участком 6.
1÷8
1÷8
1÷8
(1÷4)Н
(1÷4)Н
(5÷8)К
(5÷8)К
Упругий подвес вибростенда по второму варианту, (см. фиг.2), содержит цилиндр, на поверхности которого выполнены равновеликие изгибные балочные элементы 9-2, расположенные в средней части цилиндра между противоположными опорными участками 5 и 6 его стенок. Балочные элементы 9-2 выполнены в виде соосного цилиндру кольца из соединенных их одноименными смежными концами - началами (н) и концами (к) и образованы расположенными в шахматном порядке восемью равновеликими прорезями 8-2 по четыре прорези с каждой из сторон образуемого кольца. Одноименные смежные концы балочных элементов «н» четырьмя перемычками 10-2 между прорезями 10-2, (см. фиг. 7), соединены с опорным участком 5 стенок цилиндра, а одноименные смежные концы «к» этих балочных элементов - соединены перемычками 10-2 между прорезями 10-2 с опорным участком 6.
1÷16
1÷16
1÷12
1÷16
Упругий подвес вибростенда по второму варианту (см. фиг. 3 и фиг. 8) может быть выполнен и с несколькими, например, двумя (фиг. 3 и фиг. 8) или большим количеством кольцевых участков балочных элементов 9-3 В этом случае начало (н) и концы (к) соответствующих балочных элементов 9-3 в кольцевых участках соединены соответствующими перемычками 10-3 с противоположными опорными участками 5 и 6 непосредственно или через соседние балочные элементы 9-3.
Известно, что под действием гармонического сигнала - электрического напряжения переменного тока пьезоэлемент 4 деформируется, изменяя свою толщину с частотой переменного тока. Обладая массой, отличной от нуля, пьезоэлемент 4 по третьему закону Ньютона воздействует силой на нижнюю поверхность вибростола 3. Сила воздействия прямо пропорциональна массе пьезоэлемента 4 и ускорению, с которым перемещаются его плоскости при деформации под действием электрического напряжения. Каждый балочный элемент 9-(1÷3)n упругого подвеса 7 является пружиной, на начало «н» которой опирается распределенная суммарная инерционная масса вибростола 3, опорного участка 5, пьезоэлемента 4, испытуемого объекта и эталонного вибродатчика, а конец «к» балочного элемента 9-(1÷3)n опирается на фланец - основание 2 через опорный участок 6 или на начала балочных элементов 9-(1÷3)n, находящиеся на нижних кольцевых плоскостях.
Балочные элементы 9-(1÷3), расположенные в одной кольцевой плоскости являются параллельно, а в различных плоскостях -последовательно расположенными плоскими пружинами. Первая резонансная частота одного балочного элемента 9 при условии пренебрежения массой самого балочного элемента (масса балочного элемента более чем на порядок меньше распределенной суммарной инерционной массы, действующей на один балочный элемент) определяется по формуле (см. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Ред. Совет: В.Н. Челомей (пред.) - М.: Машиностроение, 1978 - Т. 1. Колебания линейных систем / Под ред. В.В. Болотина. 1978, - 63 с):
,
где: E - модуль Юнга;
I - момент инерции сечения балочного элемента;
M - суммарная инерционная масса, действующая на один балочный элемент;
L - длина балочного элемента.
Если на пьезоэлемент 4 подавать электрическое напряжение переменного тока с частотой, равной резонансной частоте, то на вибростоле 3 создается максимальное в данных условиях виброперемещение и виброускорение, воздействующие на испытуемый объект и измеряемые эталонным вибродатчиком. При необходимости увеличения амплитуды виброперемещений вибростола балочные элементы 9-n изготавливают в двух и более кольцевых плоскостях. При условии равенства количества балочных элементов в различных плоскостях и их размеров первая резонансная частота определяется по формуле
,
где N - количество кольцевых плоскостей с балочными элементами.
Из последней формулы следует, что первая резонансная частота уменьшается с увеличением количества кольцевых плоскостей. При необходимости таким образом может быть получено достаточно низкое значение первой резонансной частоты.
a
вс
пов
Определяя с помощью эталонного вибродатчика задаваемую амплитуду виброускорения  на резонансной частоте вибростенда и измеряя амплитуду выходного сигнала поверяемого или калибруемого вибродатчика , рассчитывают его коэффициент преобразования к по формуле (см. ГОСТ 8.669-2009):
.
Вибростенд работает следующим образом.
На пьезоэлемент 4, прикрепленный к вибростолу 3 (фиг. 1, 2, 3 4 и 5), подают гармонический сигнал, возбуждающий осевые возвратно-поступательные перемещения вибростола 3 на упругом подвесе 7 относительно основания 2 с частотой, равной частоте подаваемого входного гармонического сигнала. При совпадении частоты входного сигнала с резонансной частотой вибростола 3 происходит динамическое усиление созданных колебаний.
1÷3
Для измерения параметров вибрационных колебании вибростенда (см. фиг. 4 и фиг. 5) его пьезоэлемент 4, выполняют кольцевым, а на посадочные места 11 и 12 соответственно с внутренней и наружной сторон вибростола 3 (фиг. 1, 2, 3 4 и 5) устанавливают эталонный вибродатчик (например, мод. 8305, фирма «Брюль и Къер», Дания) и испытуемый объект, например, поверяемый или калибруемый вибродатчик ускорения (например, мод. МВ-43-10, фирма «Вибро-прибор», Санкт-Петербург, Россия, на фиг. не показаны).
1÷4
(1÷4)Н
(5÷8)К
1÷4
В случае использования в вибростенде упругого подвеса по первому варианту выполнения 7 (фиг. 1) возвратно-поступательные перемещения вибростола 3 относительно основания 2 вызывают перемещения между противоположными опорными участками 5 и 6 стенок цилиндра. При возвратно-поступательных перемещениях вибростола 3 равновеликие изгибные балочные элементы 9-1, (см. фиг. 6), соединенные своими началами «н» с подвижным опорным участком 5 через перемычки 10-1,а концами «к» - перемычками 10-1 с неподвижным опорным участком 6, испытывают изгибные деформации. Поскольку в состоянии изгибной деформации горизонтальная проекция каждой балки 9-1 уменьшается, то перемещения вибростола 3 приводят к знакопеременным угловым поворотам вибростола 3 относительно основания 2 с двойной частотой, что является нежелательным при поверке и калибровке вибродатчиков ускорения.
1÷8
(1÷4)Н
(5÷8)К
В случае использования в вибростенде упругого подвеса 7 по второму варианту выполнения (фиг. 2 и 7), возвратно-поступательные перемещения вибростола 3 относительно основания 2 вызывают перемещения между противоположными опорными участками 5 и 6 стенок цилиндра. При перемещении вибростола 3 каждое из восьми равновеликих изгибных балочных элементов 9-2 в кольце соединенных своими одноименными концами - началами «н» и концами «к» и через соответствующие четыре перемычки 10-2 с подвижным опорным участком 5 и через четыре перемычки 10-2 с неподвижным опорным участком 6 (см. фиг. 7), испытывают изгибные деформации.
1÷8
1÷8
(1÷4)Н
(5÷8)К,
Поскольку в состоянии изгибной деформации горизонтальная проекция каждой балки 9-2 уменьшается, то перемещения вибростола 3 приводят к периодическому с двойной частотой уменьшению диаметра кольца из балочных элементов 9-2 и изгибной деформацией перемычек 10-2 и 10-2компенсирующих разницу диаметра кольца относительно диаметра опорных участков 5 и 6.
1÷8
9÷16
(1÷4)Н
5÷8
(9÷12)К
Большее количество кольцевых участков из изгибных балочных элементов 9-n, например, двух (см. фиг. 3 и фиг. 8), где каждый из шестнадцати балочных элементов 9-3 и 9-3, соединенных с опорными участками 5 и 7 непосредственно или через соседние балочные элементы соответствующими перемычками 10-3, 10-3 и 10-3, обеспечивают возможность увеличения амплитуды возвратно-поступательного перемещения вибростола 3.
На нашем предприятии был изготовлен опытный образец заявляемого пьезоэлектрического вибростенда с упругим подвесом, выполненным по первому варианту, со следующими параметрами:
Таблица
Наружный диаметр пьезоэлектрического вибростенда
80 мм;
Наружный диаметр пьезоэлемента:
- 76 мм
Суммарное значение массы вибростола с пьезоэлементом;
≈300 г
Количество плоскостей размещения балочных элементов
1
Количество балочных элементов
4 и 8
Расчетное значение первой резонансной частоты
- при количестве балочных элементов 4
726,4 Гц
- при количестве балочных элементов 8
1027,3 Гц
Экспериментальное значение первой резонансной частоты
- при количестве балочных элементов 4
748 Гц
- при количестве балочных элементов 8
1154 Гц
Воспроизводимое виброускорение
≈10 м/с<sup>2</sup>
Конструктивное выполнение упругого подвеса 7 или корпуса 1 вибростенда с упругим подвесом 7 и вибростолом 3 в виде одной детали исключает необходимость регулировки взаиморасположения элементов при изготовлении вибростенда.
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления группы полезных моделей, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.