CC BY
7
УДК 69.002.5
Б01: 10.15587/2312-8372.2018.151735
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ ФОРМОУТВОРЮЮЧО1 КОНСТРУКЦП ПРИ ДИНАМ1ЧНОМУ НАВАНТАЖЕр!
Назаренко I. I., Дедов О. П., Свiдерський А. Т., Орищенко С. В.
1. Вступ
На сучасному етат розвитку будiвельноi шдустрп виникае нагальна проблема впровадження таких технологш та машин, як дають можливiсть забезпе-чити високу яюсть готового продукту, суттеве зменшення енерговитрат та тд-вищену продуктившсть. Питання енергозбереження являеться актуальною задачею дослщжень та розробки. Важливе мiсце в будiвельнiй iндустрii займають вiбрацiйнi машини i процеси. За допомогою вiбрацii здiйснюються процеси по-дрiбнення, сортування, транспортування, перемiшування та ущшьнення. Як правило, такi машини проектувалися та створювалися на основi розрахункових моделей, що враховували характеристики оброблювального середовища i машини дискретними параметрами. На сьогодшшнш день юнуе значна розбiж-нiсть юнуючих фiзичних та математичних моделей, як описують рух вiбрацiй-них машин i ущiльнювальних середовищ. Така вiдсутнiсть загальноприйнятих розрахункових моделей, що адекватно вщображають реальну картину руху машини i рух оброблювального матерiалу ускладнюе розробку ефективноi вiбра-цiйноi технiки. Поведiнка металоконструкцiй машин такого типу тд дiею ди-намiчного навантаження дослiджувалась дуже мало. Виконання експеримента-льних дослiджень моделей е основою для створення нового класу машин з мь нiмiзацiею енергетичних витрат.
2. Об'ект досл1дження та його технолопчний аудит
Об'ектом дослгджень е процес руху формоутворюючоi конструкцп вiбра-цiйноi установки iз просторовими коливаннями. Основним недолшом подiбних вiбросистем е вiдсутнiсть даних про взаемовплив машин i середовищ.
Вiбрацiйна установка одночасно виконуе функцш форми для бетонно!' су-мiшi та складаеться зi зварно1' рами коробчастого перерiзу, яка встановлена на гумових пружних опорах на бетонному фундамента Вiбрацiйна установка об-ладнана двома, не симетрично встановленими вiдцентровими збудниками висо-кочастотних коливань. На рамi закршлено два незнiмних борти та один рухо-мий борт. Для дослщження вiбрацiйноi установки була створена геометрична 3D модель, на основi яко! розроблена розрахункова скiнченно-елементна модель (рис. 1).
Рис. 1. Розрахункова 3D модель вiбрацшноi установки для формування i ущь
льнення бетонних сумiшей
Виконанi попередт розрахунки були виконанi з метою визначення простих та бшьш складних форм коливань. Вибiр полягав у можливоси реалiзацii режимiв роботи з бшьш високими рiвнями передачi енергл до оброблюваного середовища.
Найбiльш щкавим питанням дослiдження таких конструкцiй е визначення законiв передачi енергii вщ формоутворюючоi поверхнi до оброблюваного середовища. А також використання хвильових явищ у формоутворюючiй поверх-т при реалiзацii режимiв роботи на основних частотах коливань.
3. Мета та задач! дослщження
Метою роботи е експериментальне визначення амплггуд коливань формо-утворюючоi поверхнi конструкцii вiброустановки.
Для досягнення поставленоi мети були визначет наступнi завдання:
1. Розробити експериментальну модель вiброустановки з активною формо-утворюючою поверхнею.
2. Оцшити основнi частоти та амплiтуди коливань формоутворюючоi поверхнi.
3. Перевiрити гшотезу про наявнiсть хвильових явищ у формоутворюючш поверхнi конструкцii вiброустановки.
4. Дослщження 1снуючих р1шень проблеми
Дослщженню вiбрацiйних машин присвячено ряд робгг. Так, в роботi [1] запропонований тдхщ моделювання динамiчних систем розподшеними параметрами. Наведена методика врахування не тiльки пружних, а i дисипативних властивостей оброблювального в процеш коливань середовища. В роботi [2] запропонований аналггичний метод визначення впливу оброблюваного середовища на динамшу системи «машина - середовище». Отримат аналiтичнi зале-жностi для ощнки впливу опору середовища при полiчастотних коливаннях. В роботi [3] приводяться дослщження ударно-вiбрацiйноi машини для формування бетонних виробiв. Дослiдження базуються на визначенш приведеноi маси i еквiвалентного коефiцiента опору бетонноi сумш^ В результатi отриманi зале-жносл для опису хвильових явищ у середовишд. Однак результати експеримен-тального визначення динамiчних параметрiв дослiджуваних установок в наве-
дeниx рoбoтax вiдсyтнi. Aвтoри рoбoти [4] рoзглядaють динaмiчнy систeмy, здaтнy дo нaкoпичeння внyтрiшньoï eнeргiï. Явищa в склaдниx нeлiнiйниx сис-тeмax, як зaзнaчaють aвтoри, e пeрспeктивним нaпрямкoм i пoтрeбye дoдaткo-виx дoслiджeнь. В рoбoтi [5] нaвeдeнi eкспeримeнтaльнi дoслiджeння mn^anb-нoï систeми зa дoпoмoгoю вимiрювaнь прискoрeнь. Дoслiджeння бaзyeться нa визнaчeнi спeктрy кoливaнь тa виявлeннi влaсниx чaстoт кoливaнь. Виклaдeнa мeтoдикa мoжe 6ути викoристaнa при дoслiджeннi бiльш склaдниx динaмiчниx систeм. Вимiрювaння динaмiчниx xaрaктeристик систeм з мeтoю виявлeння дe-фeктiв в кoнстрyктивниx eлeмeнтax присвячeнi рoбoти [б, V]. В циx рoбoтax м-дaнa мeтoдикa зaстoсyвaння eкспeримeнтaльниx дoслiджeнь вiбрaцiï тa ïx oбрo-бта. Зaпрoпoнoвaнo вдoскoнaлeння рoзрaxyнкoвoï мoдeлi та oснoвi oтримaниx динaмiчниx xaрaктeристик. Тaкий пiдxiд мoжe бути викoристaний для пeрeвiр-ки вiдпoвiднoстi мaтeмaтичнoï i eкспeримeнтaльнoï мoдeлi дoслiджyвaниx склaдниx динaмiчниx систeм [S, 9]. У рoбoтi [10] пoдaнo зaстoсyвaння мeтoдy дo нeлiнiйниx систeм кoнтрoлю aктивнoï вiбрaцiï. Як зaзнaчaють aвтoри, пeрe-вaгoю тaкoгo iнтeгрaльнoгo мeтoдy e тe, щo нeмae нeoбxiднoстi знaти пaрaмeт-ри систeми, тaкi як мaсa, зaтyxaння тa кoeфiцieнти жoрсткoстi, як зaзвичaй oтримyються мeтoдaми скiнчeнниx eлeмeнтiв. Щoдo вимiрювaння кoливaнь тo, як прaвилo, зaстoсoвyють дaтчики вимiрювaння прискoрeння [11]. Ane пoряд з тим юнують aльтeрнaтивнi рiшeння. Тaк, в рoбoтi [12] рoзглянyтi вaрiaнти дис-тaнцiйнoгo вимiрювaння кoливaнь зa дoпoмoгoю лaзeрниx тa oптичниx прита-дiв. А зaстoсyвaння дaтчикa кoливaнь та oснoвi oптичнoгo вoлoкнa прoпoнyeть-ся в рoбoтi [13]. Звичaйнo, тaкi систeми збoрy дaниx вoлoдiють виш^ю точшс-тю тa чyтливiстю. Ane зaстoсyвaння ïx oбмeжeнe висoкoю вaртiстю.
Тaким чинoм, рeзyльтaти лiтeрaтyрнoгo aнaлiзy дoзвoляють зрoбити ви-снoвoк ^o тe, щo для зaмiрiв динaмiчниx пaрaмeтрiв викoристoвyються дaтчи-ки вимiрювaння прискoрeння. Зaстoсyвaння тeнзoмeтричниx мeтoдiв вимiрю-вaння e oдним iз сyчaсниx тa eфeктивниx для фiксaцiï динaмiчниx пaрaмeтрiв. Oбyмoвлeнo цe мoжливiстю oднoчaснo фiксyвaти як числoвi, тaк i якюш xaрaк-тeристики iз yрaxyвaнням зсуву фaз.
5. Meтoди дocлiджeнь
Для рeaлiзaцiï дoслiджeнь вiбрoyстaнoвки пeрeдбaчaeться нaстyпнa шсль дoвнiсть викoнaння нayкoвo-дoслiдниx рoбiт:
- aнaлiз рoзрaxyнкiв кoнстрyктивниx eлeмeнтiв мaшини з тoчки зoрy врa-xyвaння всix видiв нaвaнтaжeнь, якi здiйснювaлись при прoeктyвaннi мaшини;
- рoзрoбкa кoмп'ютeрнoï мoдeлi oб'eктy дoслiджeння (зaгaльнa aбo oкрeмi нaйбiльш нaвaнтaжeнi вузли, кoнстрyктивнi eлeмeнти);
- прoвeдeння дoдaткoвoгo мoдeлювaння и рoзрaxyнкiв пo визнaчeнню пoвeдiнки кoнстрyктивниx eлeмeнтiв тa мaшини в цiлoмy при oднoчaснiй ди рiзнoмaнiтниx нaвaнтaжeнь;
рoзрoбкa нa кoмп'ютeрнiй мoдeлi мaтрицi тoчoк кoнтрoлю грaничниx знaчeнь iнтeгрaльниx xaрaктeристик стaнy кoнстрyкцiï для пoдaльшoгo зaстoсy-вaння при нaтyрниx випрoбyвaнняx;
- проведення натурних випробувань шляхом прикладання визначених навантажень на його модель;
- корегування комп'ютерно1' моделi до того часу, поки сшвставлення ш-тегральних характеристик, якi отриманi шляхом вимiрювань в контрольних точках при проведенш експерименту i при моделюванш будуть вiдрiзнятись мiж собою в межах допустимо! похибки. Отримана таким чином комп'ютерна модель буде адекватною реальнш конструкцii в межах точок адекватност - точок контролю штегральних характеристик.
У випадку модершзацп iснуючоi моделi машини технолопчного призна-чення розрахункова модель в такому комплекс дозволить проаналiзувати тех-нiчний рiвень конструкцii та виконати прогнозування и надiйностi. А в компле-ксi з виконаними експериментальними дослiдженнями оцiнити поточний техш-чний стан, появу можливих вiдмов, тощо.
На основi проведення таких дослщжень можна оцiнити характер i величину змши напружено-деформованого стану елеменлв та металоконструкцiй в цiлому. Це дасть можливють визначити якiсть виготовлення конструкцп i вщ-повiднiсть 11 проектним даним (виконання зварних швiв, болтових з'еднань, ць лiсностi конструкцп).
6. Результати досл1дження
Експериментальна модель вiброустановки розроблена на основi до^джень розрахунковоi моделi [13]. Вiбрацiйна експериментальна установка виготовлена з металопрокату. Конструкцш складаеться з зварноi рами трубчастого перерiзу з формоутворюючою поверхнею. Рама опираеться на гумовi пружнi опори. Загаль-ний вигляд дослiджуваноi вiбрацiйноi установки показаний на рис. 2.
р с. 2. Загальний вигляд вiбрацiйноi установки
Вiбрацiйна установка обладнана двома, асиметрично встановленими вiб-рацшними збуджувачами коливань (рис. 3), яю прикрiпленi до рами за допомо-гою крiплень. Для контролю частоти збудження та положення дебалансу в про-сторi вiбрацiйнi збуджувачi обладнаш датчиками положення дебалансу.
Для визнaчeння aмплiтyди кoливaнь зaстoсoвyвaлись дaтчики змiщeння ш-дyктивнoгo типу (рис. 4, а). Koнтрoль стaнy фoрмoyтвoрюючoï пoвeрxнi здшс-нювaвся зa дoпoмoгoю дaтчикiв дeфoрмaцiй (рис. 4, б).
а б
Рис. 4. Дaтчик: а - пeрeмiщeнь; б - дeфoрмaцiï
Aмплiтyдa кoливaнь дoслiджyвaнoï yстaнoвки визнaчaлaся та oснoвi вимiрю-вaнь aмплiтyд у трьox тoчкax, якi рoзмiщeнi вздoвж кoнстрyкцiï. Koнтрoль дeфoр-мoвaнoгo CTa^ фoрмoyтвoрюючoï пoвeрxнi прoвoдився нa oснoвi дaниx з 18 дaт-чиюв дeфoрмaцiï. Сxeмa рoзмiщeння дaтчикiв вимiрювaння нaвeдeнa нa рис. 5.
Х1
Х2
ХЗ
зепэог 1 □ эепэог 4 □ зепэог 7 □ J 5ег150г1 8 □ 5епэог1 5 □ зепзог1 2 □
зепэог 2 □ эепБог 5 □ зепэог 8 □ эепэог! 7 □ БеП50г14 □ эеп50г1 1 □
зепэог 3 □ эепэог 6 □ зепэог 9 □ 5ег150г1 6 □ 5еП50г1 3 □ эеп50г1 0 □
Рис. 5. Схема розмiщення датчикiв вимiрювання
Зчитування даних з датчикiв та послiдуюча !х обробка здiйснювалась за допомогою розроблено1 схеми на базi 32 бггного контролера з двома незалеж-ними аналого-цифровими перетворювачами. Така система забезпечила швид-кiсть дискретизацii сигналiв з датчиюв 20 кГц. Обробка даних здшснювалась за допомогою ПК. Загальний вигляд експериментальноi установки з системою вимiрювання наведений на рис. 6.
Рис. 6. Загальний вигляд експериментальноi установки
При проведенш експериментальних дослщжень отримана низка осцилог-рам а рiзних Режимах роботи вiброустановки. Типовi осцилограми коливань наведенi на рис. 7. Як видно з осцилограми на рис. 6, наявш перехщш процеси, як пояснюються змiною частоти коливань.
О 10 20 30 40
Time, sec
-sensor XI -sensorX3
Рис. 7. Осцилограма руху BiópoycraHOBra
Шсля обробки отриманих осцилограм перемщень вiброyстановки визна-4eHÍ основш частоти коливань. Також проведений анаиз форм коливань, якi здiйснюються при цих частотах. Так при частой збудження 12,5 Гц формоутво-рююча поверхня здшснюе вертикальнi коливання (рис. 8). Рух установки вщбу-ваеться у синфазному режимi, що свщчить про реашзацш форми коливань, коли вся конструкщя рухаеться поступально у вертикальному напрямку. Так, для визначення амплгтуди коливань застосовувались датчики змщення шдуктивно-го типу (рис. 4, а). Контроль стану формоутворюючо!' поверхш здiйснювався за допомогою датчиюв деформацiй (рис. 4, б).
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
Time, sec
-sensor XI -sensorХЗ
Рис. 8. Осцилограма руху вiброyстановки при частой коливань 12,5 Гц
Рух вiброyстановки при частот! збудження 18,6 Гц та 24,3 Гц на вщшну вщ по-передньо!' свщчить про реалiзацiю форми коливань з протифазним рухом (рис. 9, 10).
178.2 178.3 178.4 178.5 178.6 178.7
Time, sec
-sensor XI -sensor X3
Рис. 9. Осцилограма руху BiGpoyeraHOBKM при частой коливань 18,6 Гц
8.7 Time, sec
-sensor XI -sensor ХЗ
Рис. 10. Осцилограма руху вiбрoустaнoвки при частой коливань 24,3 Гц
Для ощнки напружено-деформованого стану формоутворюючо1 конструк-цп були прoaнaлiзoвaнi дaнi дaтчикiв деформацп. На oснoвi отриманих резуль-тaтiв можна зазначити наступне. При реаизацп робочого режиму на частой 24,3 Гц у формоутворюючш пoверхнi виникае складний напружено-деформований стан. Про це свщчать рiзнi за формою та за значенням деформацп у вщповщних дiлянкaх пoверхнi. Також слщ зазначити про нaявнiсть хви-льових явищ (рис. 11, 12), як вiдбувaються у фoрмoутвoрюючiй пoверхнi.
2.70 Time, sec
-sensor 10 -sensor 11 -sensor 12
Рис. 11. Деформацп фoрмoутвoрюючoi поверхт при частой коливань 24,3 Гц
(датчики 10, 11, 12 (рис. 5))
2,45 2.50 2.55 2.60 2.65 2.70
Time, sec
-sensor 3 -sensor 5 -sensor 4
Рис. 12. Деформацп формоутворюючо! поверхш при частой коливань 24,3 Гц
(датчики 3, 4, 5 (рис. 5))
Так, наявшсть полiчастотного (рис. 11, 12, датчики 4, 12) та протифазного характеру (рис. 12, датчики 3, 5) осцилограм свщчить про поширення xb^í як у повздовжньому, так i в поперечному напрямках конструкций
7. SWOT-аналiз результат дослщжень
Strengths. Результати дослщжень засвщчують наявшсть складних форм коливань формоутворюючо!' рами вiбрацшноi установки. Таким чином, можли-вють реашзацп режимiв роботи при наявност хвильових явищ у формоутво-рюючiй поверхнi пiдтверджена. Це е пiдтвердженням дослiджень? проведених авторами в роботi [14].
Weaknesses. Дане дослщження мае обмеження, так як недо^джеш режими роботи установки на бшьш високих частотах коливань. А також необхщш роз-рахунки якiсних i кшьюсних показникiв змiни напружено-деформованого стану формоутворюючо! поверхш. Для об'ективного анаизу варто застосувати дещо iншi методи, таю як спектральний або Wavelet анаиз. Такi дослiдження запла-новаш авторами на майбутне.
Opportunities. Перспективним напрямком подальших дослiджень е потреба пошуку можливих варiантiв розташування вiброзбудникiв на формоутворюю-чiй поверхнi. Другим напрямком дослщжень е використання параметричних коливань в подiбних системах. В теоретичних дослщженнях таке рiшення е ефективним. Проблема лише у вщсутност дiевих конструктивних та надiйних ршень реалiзацii таких коливань. Можливостi таких дослщжень лежать у пло-щиш розробки практичних рекомендацiй для рацюнального конструктивного оформлення перерiзiв формоутворюючих конструкцш. А також розробка на ос-новi визначених технологiчних параметрiв коливань новггшх, подiбних до дос-лщжувано!, конструкцiй.
Threats. Стрiмкий розвиток будiвельноi галузi Украши у напрямку засто-сування каркасно-монолiтноi технологи зведення будiвель i споруд витiсняе машини даного типу з ринку. Але закордонний досвщ показуе, що необхiднiсть у таких машинах юнуе. Загрозою може стати вщсутшсть машин даного класу на ринку Украши i втрата виробничих потужностей, на яких може бути засто-сований об'ект до^дження.
Серед загроз даного напрямку до^джень е намагання технологiв застосо-вувати допомiжнi добавки для зменшення необхiдностi використовувати вiбра-цiйнi методи. Разом з тим, потребуються додатковi дослiдження життевого циклу створених конструкцiй за такою технолопею. За кордоном юнують подiбнi рiшення на iнших середовищах.
8. Висновки
1. На основi попереднiх розрахункiв та моделювання несучих елемеплв рами балочними скiнченними елементами, пружно деформованими тд дiею поздовжньо! сили, згинальних моментiв в двох площинах i крутного моменту розроблена експериментальна модель вiброустановки з активною формоутво-рюючою поверхнею. При дослщженш системи застосованi принципи, якi за-безпечили адекватнiсть моделi, а також можливiсть подальших дослiджень -розв'язування шших типiв задач.
2. Визначеш основнi частоти коливань, якi реаизуються при 12,50 Гц, 18,60 Гц та 24,30 Гц при цьому реаизуються форми коливань з складним рухом формоутворюючо! поверхнi.
3. Експериментально доведена наявнiсть хвильових явищ у формоутворюючш поверхш при реаизацп режимiв роботи на основних частотах коливань. Визначеш амплггуди коливань установки в межах 0,0006...0,0003 м при частотах збудження 18,60 Гц та 24,30 Гц.
Лггература
1. Design of New Structures of Vibro-Shocking Building Machines by Internal Characteristics of Oscillating System / Nazarenko I. I. et. al. // The Seventh Triennial International Conference HEAVY MACHINERY HM 2011. 2011. Issue 2. P. 1-4.
2. Dedov O. Determining the influence of the environment on the dynamics of the machine on the basis of spectral analysis // Control, Navigation and Communication Systems. 2018. Vol. 4, Issue 50. P. 69-72. doi: http://doi.org/10.26906/sunz.2018.4.069
3. Nesterenko M., Nesterenko T., Skliarenko T. Theoretical Studies of Stresses in a Layer of a Light-Concrete Mixture, Which is Compacted on the Shock-Vibration Machine // International Journal of Engineering & Technology. 2018. Vol. 7, Issue 3.2. P. 419-424. doi: http://doi.org/10.14419/ijet.v7i3.2.14564
4. Experimental and Theoretical Investigation of a Nonlinear Vibrational Energy Harvester / Ando B. et. al. // Procedia Engineering. 2015. Vol. 120. P. 1024-1027. doi: http://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.701
5. Kavyanpoor M., Shokrollahi S. Dynamic behaviors of a fractional order nonlinear oscillator // Journal of King Saud University - Science. 2017. doi: http://doi.org/10.1016/jjksus.2017.03.006
6. Computational Framework for Online Estimation of Fatigue Damage using Vibration Measurements from a Limited Number of Sensors / Giagopoulos D. et. al. // Procedia Engineering. 2017. Vol. 199. P. 1906-1911. doi: http://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.09.424
7. Patel V. N., Tandon N., Pandey R. K. Vibrations Generated by Rolling Element Bearings having Multiple Local Defects on Races // Procedia Technology. 2014. Vol. 14. P. 312-319. doi: http://doi.org/10.1016/j.protcy.2014.08.041
8. Bendjama H., Bouhouche S., Boucherit M. S. Application of Wavelet Transform for Fault Diagnosis in Rotating Machinery // International Journal of Machine Learning and Computing. 2012. Vol. 2, Issue 1. P. 82-87. doi: http://doi.org/10.7763/ijmlc.2012.v2.93
9. Ghandchi Tehrani M., Wilmshurst L., Elliott S. J. Receptance method for active vibration control of a nonlinear system // Journal of Sound and Vibration. 2013. Vol. 332, Issue 19. P. 4440-4449. doi: http://doi.org/10.1016/jjsv.2013.04.002
10. Yamamoto G. K., da Costa C., da Silva Sousa J. S. A smart experimental setup for vibration measurement and imbalance fault detection in rotating machinery // Case Studies in Mechanical Systems and Signal Processing. 2016. Vol. 4. P. 8-18. doi: http://doi.org/10.1016/j.csmssp.2016.07.001
11. Jia Y., Seshia A. A. An auto-parametrically excited vibration energy harvester // Sensors and Actuators A: Physical. 2014. Vol. 220. P. 69-75. doi: http://doi.org/10.1016/j.sna.2014.09.012
12. Comparison of Different Methods of Non-contact Vibration Measurement / Lezhin D. S. et. al. // Procedia Engineering. 2017. Vol. 176. P. 175-183. doi: http://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.02.286
13. Vibration Measurement of Mathematical Pendulum based on Macrobending-Fiber Optic Sensor as a Model of Bridge Structural Health Monitoring / Gianti M. S. et. al. // Procedia Engineering. 2017. Vol. 170. P. 430-434. doi: http://doi.org/10.1016Zj.proeng.2017.03.069
14. Investigation of vibration machine movement with a multimode oscillation spectrum / Nazarenko I. et. al. // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017. Vol. 6, Issue 1 (90). P. 28-36. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.118731
