ДАТЧИК ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ДИНАМИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к датчикам, предназначенным для определения косвенных интегральных параметров вибрационных режимов в технологических машинах, представляющих собою механические колебательные системы, где в качестве элементов выступают гранулированные сыпучие смеси.
Известен пьезоэлектрический акселерометр [Кирпичев А.А., «Пьезоэлектрический акселерометр», патент RU 2400760 С1, МПК G01P 15/09, опубл. 27.09.2010 Бюл. №27], содержащий поджатый 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.
Данный пьезоэлектрический акселерометр 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 взаимодействия элементов рабочей среды между собой и с опорной поверхностью. В то время как для ряда технологических процессов необходимым качественным показателем является характер взаимодействия элементов рабочей среды, представленной гранулированной сыпучей смесью.
Известен датчик определения граничных параметров взаимодействия тел в вибрационных системах [Артюнин А.И., Елисеев С.В., Каимов Е.В., Елисеев А.В. «Датчик определения граничных параметров взаимодействия тел в вибрационных системах» Патент RU 148250 U1 МПК G01P 15/09 (2006/01), опубл. 27.11.2014 Бюл. №33], 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, способный регистрировать вибрационный режим, обеспечивающий подбрасывание гранулированной рабочей смеси.
Данный датчик определения граничных параметров взаимодействия тел в вибрационных системах регистрирует признак подбрасывания в режимах технологических вибрационных машин по вибрационной обработке деталей. Такой датчик используется в ситуации, когда движение рабочей среды внутри корпуса технологической вибрационной машины идентично движению элемента модельной среды корпуса датчика. В частности, эффект подбрасывания рабочей среды и модельной среды при выполнении ряда условий реализуются одновременно. В общем случае, режимы вибрационного упрочнения сопровождаются сложными эффектами взаимодействия между элементов рабочей среды, характеризующими динамическое качество вибрационных процессов, и не могут быть выражены через движение единичного элемента модельной среды датчика. Характерным примером сложного режима является ситуация, когда все элементы среды двигаются хаотически. Рассматриваемый датчик, имеющий модельную среду, представленную единственным инерционным элементом, не достаточно полно отражает взаимодействие элементов рабочей среды между собой.
В качестве прототипа используется вибрационный датчик [Дмитриев В.С, Карпов С.И., Куролес В.К., Савчук В.Д., Трусов В.Н., «Вибрационный датчик». Патент RU 2331076 C1, G01D 15/09, G01L 1/16, опубл. 10.08.2008, Бюл. №22]. Данный вибрационный датчик относится к электрическим измерительным устройствам, предназначенным для измерения колебаний в широком диапазоне частот колебаний в различных средах. Вибрационный датчик содержит пьезокерамический трубчатый стержень с электродами, закрепленный в корпусе одним концом на основании с электроконтактами перпендикулярно его поверхности, а на другом конце стержня закреплен инерционный элемент, выполненный в виде массы-структуры, которая состоит из тонкостенного цилиндра, полость которого заполнена текучей демпфирующей средой (например маслом низкой вязкости) и единичными сферическими грузами, с возможностью их свободного перемещения, при этом сферические грузы имеют различную массу. Внутри корпуса размещен демпфирующий элемент, в качестве которого использована также текучая демпфирующая среда.
Рассматриваемый вибрационный датчик позволяет расширить диапазон измерения вибрации в точке установки датчика на вибрационном стенде. Вместе с тем, вибрационный сигнал с датчика не отражает детализированные характеристики и особенности их динамического взаимодействия, поскольку модельная среда датчика, образованная жидкостью и сферическими грузами разного размера и массы, не соответствуют индивидуальным характеристикам рабочей среды, представленной металлическими шариками фиксированного диаметра, помещенных внутрь корпуса с обрабатываемой деталью.
Характер движения элементов рабочей среды выступает показателем динамического качества режима работы вибрационной технологической машины. Таким образом, формируется цель - получить детализированное представление о характере взаимодействия элементов рабочей среды, образованной массивом металлических шариков в различных режимах.
Задача заключается в разработке устройства датчика, регистрирующего интегральные характеристики взаимодействия элементов рабочей среды на основе косвенных показателей динамического качества вибрационных режимов работы технологической машины.
Задача решается тем, что предложен датчик для интегральной оценки динамических состояний, содержащий цилиндрический корпус с токовыводами, свободно перемещающиеся инерционные элементы, отличающийся тем, что корпус выполнен герметичным, наполнен воздухом, к верхнему основанию с внутренней стороны подсоединен микрофон, мембрана которого, передает колебания воздушного столба, созданные движением инерционных элементов, в аналого-цифровой преобразователь через токовыводы, а нижнее основание жестко крепится на горизонтальную вибрирующую поверхность, при этом инерционные элементы модельной среды датчика идентичны элементам рабочей среды вибрационной технологической машины.
Отличительными признаками предлагаемого датчика от известного прототипа является то, что инерционные элементы модельной среды представляют собою металлические шарики, которые идентичны элементам рабочей среды (диаметр 3-6 мм.), свободно двигающиеся внутри всего объема цилиндрического корпуса датчика, вызывают колебания воздушного столба внутри датчика, и то, что качестве устройства, преобразующего внешние механические колебания в электромагнитные импульсы, используется мембрана микрофона, чувствительная к воздушным колебаниям воздушного столба датчика.
Благодаря наличию отличительных признаков достигается следующий технический результат - реализуется регистрация интегральных характеристик взаимодействия элементов рабочей среды на основе косвенных показателей динамического качества вибрационных режимов работы технологической машины, где в качестве элементов выступают гранулированные сыпучие смеси.
Конструкция предлагаемого датчика может найти применение в системах управления качеством динамических процессов взаимодействия рабочей среды с обрабатываемой деталью в вибрационных технологических машинах.
Конструкция предлагаемого датчика поясняется чертежами, на которых представлена принципиальная схема датчика (ФИГ. 1), фотография прототипа датчика (ФИГ. 2), вариант установки прототипа датчика на лабораторный вибростенд (ФИГ. 3), вариант установки «пустого» опытного образца датчика без инерционных элементов, используемого для оценки статистической значимости (ФИГ. 4), график сигналов I (ФИГ. 5) и график сигналов II (ФИГ. 6), график гистограмм сигналов I и сигналов II (ФИГ. 7), эмпирические функции распределения для сигналов I и сигналов II (ФИГ. 8), спектральная характеристика сигналов I и сигналов II (ФИГ. 9).
Краткое описание чертежей
На ФИГ. 1 представлена схема датчика, отражающая элементы: 1 цилиндрический корпус, 2 - элементы рабочей среды (металлические шарики); 3 - микрофон; 4 - крепеж цилиндрического датчика на опорной поверхности вибростенда; 5 - опорная поверхность вибростенда; 6 - токовыводы микрофона; 7 - держатель микрофона.
На ФИГ. 2 представлена фотография прототипа датчика, установленного на опорную поверхность лабораторного вибростенда: 1 цилиндрический корпус, 2 - элементы рабочей среды (металлические шарики); 3 - микрофон; 4 - крепеж цилиндрического датчика на опорной поверхности вибростенда; 5 - опорная поверхность вибростенда; 6 - токовыводы микрофона; 7 - держатель микрофона.
На ФИГ. 3 представлена фотография прототипа датчика 1, установленного на поверхность лабораторного вибростенда 2. Корпус датчика содержит металлические шарики 3.
На ФИГ. 4 представлена фотография варианта датчика для оценки статистической значимости 1, установленного на поверхность лабораторного вибростенда 2. Корпус 3 датчика не содержит металлические шарики.
На ФИГ. 5 представлен график сигнала I, записанного регистрирующей аппаратурой для варианта, когда металлические шарики помещены внутрь корпуса датчика.
На ФИГ. 6 представлен график сигнала II, записанного регистрирующей аппаратурой для варианта, когда металлические шарики отсутствуют внутри корпуса датчика.
На ФИГ. 7 представлена гистограмма относительных частот для сигнала I и сигнала II. По оси абсцисс отложены точки определяющие интервалы группировки значений сигналов в моменты времени, по оси ординат отложены величины относительных частот, которые соответствуют интервалам группировки.
На ФИГ. 8 изображены эмпирические функции распределения для сигналов I и сигналов II, значения которых в дискретные моменты времени рассматриваются как выборки из непрерывных неизвестных распределений.
На ФИГ. 9 представлены коэффициенты в разложении Фурье сигналов I и сигналов II.
Описание принципов работы
Датчик (ФИГ. 1) работает следующим образом: при периодическом возмущении со стороны колеблющегося основания 5 вибрационной технологической машины, происходит движение инерционных элементов 2 модельной среды, сопровождающееся ударами, смещениями, подбрасыванием, и вызывающее колебания воздушного столба внутри корпуса датчика, передающиеся на мембрану микрофона 3. Сигнал с микрофона посредством токовыводов передается в аналогово-цифровой преобразователь. В зависимости от формы колебания опорной поверхности вибрационной технологической машины генерируется детализированный сигнал, определяющий режим движения сыпучей рабочей среды вибрационной технологической машины. Установившийся режим движения элементов рабочей среды 2 и формируют детализированный сигнал на токовыводах. Регистрация сигнала, соответствующего колебанию элементов рабочей среды, позволяет зафиксировать детализированные признаки текущего режима работы вибрационной технологической машины. Установка нескольких датчиков в контрольных точках рабочего органа позволяет регистрировать особенности вибрационного поля технологической машины.
Предварительная оценка возможностей реализации
В качестве примера применения датчика для интегральной оценки динамических состояний следует привести технологический вибрационный процесс виброупрочнения лонжерона лопасти вертолета посредством рабочей среды, образованной массивом 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 тремя вибрационными секциями, помещенными на упругие элементы, на которые сверху помещаются контейнеры с закрепленными внутри лонжеронами лопастей вертолетов и частично заполненными металлическими шариками. Такая технологическая машина имеет возможность регулирования амплитуды и частоты колебания опорной поверхности вибрирующих секций. Из-за разбалансировки и износа рабочих узлов вибрационной машины, амплитуды колебания точек вибрационного поля могут перестать соответствовать допустимым значениям и вызвать отклонение от режима, обеспечивающего динамическое качество технологического процесса. При грубом нарушении технологии могут возникать области вибрационного поля, в которых не происходит подбрасывания слоя металлических шариков. При незначительных отклонениях возможны промежуточные режимы сложного поведения слоя, взаимодействия элементов которого можно зафиксировать, регистрируя характерные акустические показатели взаимодействия элементов рабочей среды по косвенным признакам движения элементов модельной среды.
Для детализированной оценки режима виброупрочнения необходима фиксация параметров, отражающих информацию о характере движение рабочей среды в колеблющихся секциях технологической машины, к примеру, для сравнения с эталонными характеристиками, для дальнейшей классификации текущего режима работы и др.
2
Техническая применимость и реализация датчика для интегральной оценки динамических состояний может быть обоснована теоретическими результатами и модельным экспериментом. При рассмотрении гармонического колебания поверхности в условии наличия только гравитационных сил, область параметров, обеспечивающих обнуление контактной реакции, определяется выражением Аω>g, где А,ω - амплитуда и частота колебания поверхности. Таким образом, можно утверждать, что движение среды инерционных элементов датчика подобно движению рабочей смеси вибрационной машины.
Оценка статистической значимости
Для подтверждения возможности получения при осуществлении полезной модели технического результата представлен прототип датчика и проведен сравнительный эксперимент на лабораторной виброустановке с использованием аналого-цифрового преобразователя. Прототип датчика представлен на ФИГ. 2. Произведена запись сигналов I (ФИГ. 5) с датчика, установленного на лабораторный вибростенд, работающей на частоте 20-30 Гц с амплитудой колебания не более 1 мм. Сигналы I (ФИГ. 5) и сигналов II (ФИГ. 6) в процессе имеют спектральные представления в виде графиков функций зависящих от частоты ФИГ. 9.
0
0
Для подтверждения возможности достижения технического результата с использованием прототипа датчика проведен эксперимент для подтверждения или опровержения того, что опытный образец датчика с учетом наложения помех и внешних шумов регистрирует полезный сигнал, фиксирующий взаимодействие инерционных элементов модельной среды датчика. Величины сигналов I и сигналов II в дискретные моменты времени были рассмотрены как реализации случайных величин с некоторым неизвестным непрерывным распределением. На ФИГ. 5 и ФИГ. 6 соответственно представлены графики сигнала I и сигналов II. По результатам работы лабораторной вибрационной установки на основе сигналов I и сигналов II были сформированы выборки Х и Y размеров m и n (n=m=32768). Факт регистрация полезного сигнала подтвержден статистической значимостью различия между сигналом I, записанным с датчика с инерционными элементами (ФИГ. 3), и сигналом II, записанным с датчика без инерционных элементов (ФИГ. 4), на основании критерия однородности Колмогорова-Смирнова с уровнем значимости 0.05 [2, стр.88]. На ФИГ. 7 представлены гистограммы относительных частот для выборок X и Y. На ФИГ. 8 представлены эмпирические функции распределений, соответствующих выборкам X и Y. Критерий согласия Колмогорова-Смирнова (критерий Смирнова) показал, что гипотеза Н отклонена (Н - гипотеза однородности сигналов I и сигналов II, статистика Колмогорова , уровень значимости 0.05, m, n - размеры выборок,  - характеристика разницы между эмпирическими функциями распределений , , построенных по выборкам X и Y). Отклонение гипотезы однородности свидетельствует о статистической значимости различия сигналов I и сигналов II, что интерпретируется как возможность получение полезного сигнала, полученного от модельной среды и отражающего динамические качества рабочей среды.
Полезность, эффективность, работоспособность
Полезность датчика для интегральной оценки динамических состояний заключается в возможности регистрации детализированного динамического качества вибрационного процесса посредством фиксации звуковых волн, исходящих от взаимодействующих элементов модельной среды с целью анализа и сравнения полученных характеристик режимов между собой.
Эффективность заключается в возможности регистрации более детализированных характеристик о режимах работы вибрационной технологической машины, отражающих интегральные оценки взаимодействия элементов рабочей среды с помощью косвенных признаков, получаемых в результате движения модельной среды.
Работоспособность подтверждается теоретическими результатами и практическими данными, полученными по результатам проведения лабораторных 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.
[2] Большее Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, - 1983. - 416 с.