CC BY
14
УДК 621:531.3
Исследования демпфирующих характеристик труб лонжеронов для повышения точности расчётов спектров шума
С. А. Шамшура
(Донской государственный технический университет)
Приведены результаты исследования закономерностей формирования шумообразования при фрезеровании длинномерных изделий. Показано, что за счёт подбора коэффициентов потерь лонжерона и устройства опоры может быть достигнуто снижение уровней шума.
Ключевые слова: шум, лонжероны, измерения.
Введение. Результаты теоретических исследований показали, что снижение шума может быть достигнуто за счёт подбора коэффициентов потерь лонжерона и устройства опоры, располагаемой между кронштейнами. Цель экспериментов, результаты которых изложены ниже, заключалась в определении коэффициента потерь полого лонжерона, внутренняя поверхность которого демпфировалась различными способами: заполнялась мешками с песком, специальным резиновым рукавом, в который подавалось масло от гидростанции (давление рассчитывалось, исходя из жёсткости лонжерона) и от пневмосети, резиновыми шариками. Условия эксперимента соответствовали реальной установке лонжерона на станке и условиям крепления (рис. 1).
Рис. 1. Схема комплекса для определения коэффициентов потерь: 1 — анализатор; 2 — самописец; 3, 5 — усилители; 4 -генератор; 6 — лонжерон; 7 — стойки; 8 — вибродатчик; 9 — электромагнит; 10 — стол станка
Условно комплекс можно разделить на аппаратную и программную часть. Аппаратная часть делится, в свою очередь, на две части — возбуждение вибраций в исследуемом изделии и снятие и обработка сигналов виброакустической эмиссии.
Эксперимент заключается в следующем. С генератора звуковой частоты синусоидальный сигнал подаётся на усилитель мощности, а затем на специальный электромагнит, который возбуждает исследуемый объект на вынужденных и собственных частотах. Собственные частоты кон-
тролируются на анализаторе, работающем в режиме осциллографа. Необходимость создания синусоидальных колебаний объясняется требованиями применяемых методов исследования. Аппроксимация функций методом наименьших квадратов. Эта часть комплекса создана на базе IBM PC и платы многоканального АЦП L305. На объекте исследования для регистрации ВАЭ были использованы пьезоакселерометры типа ДН-4-М1 для измерения виброускорения в 3 взаи-моперпендикулярных направлениях. Датчик имеет следующие характеристики: коэффициент преобразования ускорения в напряжение Кп = 1,0 мВ-с2/м; частота поперечного резонанса />7 = 14 кГц; частота установочного резонанса fY= 43 кГц.
Для усиления и согласования датчиков с АЦП применяли 4-канальный виброусилитель 1 1002 (RTF), имеющий широкий частотный диапазон и большой выбор коэффициентов усиления как по напряжению, так и по заряду. Исходя из условий аналого-цифрового преобразования, сигнал, поступающий с вибродатчиков, помимо предварительного усиления должен подвергаться фильтрации типа Antialiasing filtration с предотвращением явления подмены частот для высокочастотной информации. Обратный сигнал подаётся на нормирующие усилители с целью подготовки его преобразования в цифровую форму с помощью АЦП L305.
Преобразование аналогового сигнала в цифровой и ввод его в ПЭВМ осуществляется с помощью АЦП L305. Плата L305 представляет собой устройство, функционирующее в составе ПЭВМ IBM PC и имеющее в своём составе ЦАП, многоканальный АЦП, а также порты для ввода и вывода цифровой информации. После АЦП сигнал в оцифрованном виде поступает на ПЭВМ. Оцифрованный сигнал проходит предварительную обработку, заключающуюся в его центрировании для устранения погрешности нуля измерительного тракта и цифровой фильтрации с целью компенсации АЧХ датчика. После этого сигнал подвергается «взвешиванию» с помощью функции Наттола для подавления эффектов, обусловленных наличием боковых лепестков в спектральных оценках вследствие конечности объёма выборки. Сигнал, прошедший обработку, преобразуется в частотную область с использованием алгоритмов быстрого преобразования Фурье.
F(f) 0.0165-0.01569-0.01488-
F (f) 0.0165-
3.0156?
0.01163-
0.01081-
125 250 500 1000 2000 4000 8000
V, Гц
% S+
>>
ч
ч
31.5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
f, Гц
а)
б)
F(f) 0.015-
0.01431-
3.01363-
0.01294-
0.01225-
0.01156-
0.01087-
0.01019-
0.0095-
ч.
■х. V
\
X
% V
F(f) 0.015-
31.5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
f, Гц
X
>4 V
л V
А>%
ч.
ч N
31.5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
f, Гц
в)
г)
Рис. 2. Значения коэффициентов потерь колебательной энергии заготовок из алюминиевых сплавов замкнутого профиля при различной толщине стенки: а — 2 мм; 6 — 4 мм; в — б мм; г — 10 мм
Такая обработка сигнала может осуществляться с помощью прикладных математических пакетов (например, МаШсас!) либо с помощью оригинального пакета прикладных программ, разработанных на кафедре «АПП» ДГТУ.
Коэффициенты потерь определяются по формуле:
1 . Д П = —1п^, п п Ап
где п — количество колебаний на измеренном расстоянии; А1 и Ап — амплитуда первого и последнего колебаний на измерительном расстоянии.
Испытаниям подвергались лонжероны из стали и алюминиевого сплава. Для возбуждения колебаний лонжеронов из алюминиевых сплавов на них крепились стальные пластины, масса которых составляет менее 1 % от массы лонжерона.
Результаты экспериментальных исследований частотно-зависимых коэффициентов потерь колебательной энергии и полученные на их основе регрессионные зависимости представлены на рис. 2 и 3.
^ ) 0.0051т Р (Г) 0.0051т
О 00405-
ч
ч
¡а*"
0.00431--
0.00453"
0.00424"
0.00395--
31.5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800С
/% Гц
ч
% ч.
\
31.5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
/% Гц
а)
6)
\
\
X
0.00387-
31.5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800С
/%Гц
X
\
*> ч.
<й<..
■Ч
V. ХХ) ч
31.5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
/% Гц
в)
г)
Рис. 3. Значения коэффициентов потерь колебательной энергии стальных заготовок замкнутого профиля при различной
толщине стенки: а — 2 мм; 6 — 4 мм; в — 6 мм; г — 10 мм
Для обработки результатов эксперимента использовались средства прикладного математического пакета МаШсас1, где было реализовано применение метода наименьших квадратов со следующим шаблоном аппроксимирующей функции:
П(/Г) = ае-Ь('од2а-с)2 +с!ед{^а-к) + /?.
На основе математической обработки результатов эксперимента были построены графики функций, рассчитаны коэффициенты аппроксимации и получены регрессионные зависимости коэффициентов потерь колебательной энергии, представленные в табл. 1, для полых заготовок из стали и алюминиевых сплавов.
Сравнение теоретических и экспериментальных данных показало высокую сходимость значений во всём нормируемом диапазоне частот, что является главным критерием возможности
использовать полученные регрессионные зависимости для инженерных расчётов виброакустиче-ских характеристик подобных заготовок.
Результаты исследований лонжеронов с различными способами вибропоглощения представлены на рис. 4 и 5. Полученные на основе эксперимента зависимости коэффициентов потерь колебательной энергии для различных способов демпфирования обрабатывались вышеуказанным методом. Регрессионные зависимости приведены в табл. 2.
Таблица 1
Коэффициенты аппроксимации регрессионных зависимостей коэффициентов потерь
колебательной энергии
Толщина, мм Коэффициент
а Ь с с1 9 к Л
Алюминиевые сплавы
2 0,0113 0,0543 4,8248 0,0066 0,0593 12,0913 0,0041
4 0,0133 0,0315 4,1082 0,0074 0,0457 12,5741 0,0016
6 0,0140 0,0347 3,8746 0,0089 0,0396 12,2500 0,0001
10 0,0141 0,0273 3,9337 0,0064 0,0662 12,2093 0,0003
Сталь
2 0,0059 0,0223 4,7371 0,0030 0,1026 12,9274 0
4 0,0058 0,0313 4,5602 0,0039 0,0558 13,0139 0
6 0,0037 0,0257 4,0755 0,0001 0,0933 12,5165 0,0008
10 0,0034 0,0416 4,5673 0,0020 0,0680 12,1624 0,0007
1 — заполнение песком; 2 — заполнение специальным резиновым рукавом с жидкой средой; 3 — заполнение специальным резиновым рукавом с подачей воздуха от пневмосети; 4 — заполнение резиновыми шариками
Таблица 2
Регрессионные зависимости коэффициентов потерь колебательной энергии лонжеронов с различными способами демпфирования
Материал лонжерона Способ демпфирования внутренней поверхности Регрессионная зависимость
Алюминиевый сплав Сыпучий поглотитель Л = 0,1 - 5,8 • 10-5 Г + 9,9 • 10-8 Р - 7,7 • 1011 Р + +3,2 • 1014 Р - 7 • 1018 Р + 7,9 • 10“22 Р - 3,6 • 10“26 Р;
Рукав, заполненный маслом Л = 0,098 - 4,7 • 10-5 Г + 7,6 • 10 8 Р - 5,6 • 1011 Р + +2,1 • Ю-14^4 - 4,2 • 1018Р + 4,3• 10-22Р -1,7 • 10“26Р;
Сталь Сыпучий поглотитель Л = 0,1 - 3,2 • 10-5 Г + 5,1 • Ю-8^2 - 3,8 • Ю-^Р + +1,4 • Ю-14^4 - 3• Ю-18^5 + 3,1 • Ю-22^6 -1,3• 10 ^Р]
Рукав, заполненный маслом Л = 0,099 - 3,1 • 10-5 Г + 5 • 10-8 Р - 3,7 • 1011 Р + +1,4 • Ю-14^4 - 3• Ю-18^5 + 3,2 • Ю-22^6 -1,3• 10-26Р.
Рис. 5. Коэффициенты потерь колебательной энергии лонжерона из алюминиевого сплава: 1 — заполнение песком; 2 — заполнение специальным резиновым рукавом с жидкой средой; 3 — заполнение специальным резиновым рукавом с подачей воздуха от пневмосети; 4 — заполнение резиновыми шариками
Выводы. Результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность теоретических выводов о закономерностях формирования шумообразования при фрезеровании длинномерных изделий, и полученные регрессионные зависимости коэффициентов потерь позволяют не только уточнить расчёты уровней шума, но и выбрать рациональный способ снижения шума в самом источнике.
Библиографический список
1. Шамшура, С. А. Совершенствование методов расчёта виброакустических характеристик процесса виброударного упрочнения деталей на однокоординатных станках с целью обеспечения промышленной безопасности оборудования (на примере лонжеронов транспортных вертолётов) / С. А. Шамшура, А. Н. Чукарин. — Ростов-на-Дону: Изд. центр ДГТУ, 2007. — 120 с.
Материал поступил 17.11.2011.
References
1. Shamshura, S. A. Sovershenstvovanie metodov raschyota vibroakusticheskix xarakteristik processa vibroudarnogo uprochneniya detalej na odnokoordinatny'x stankax s cel'yu obespecheniya promy'shlennoj bezopasnosti oborudovaniya (na primere lonzheronov transportny'x vertolyotov) / S. A. Shamshura, A. N. Chukarin. — Rostov-na-Donu: Izd. centr DGTU, 2007. — 120 s. — In Russian.
STUDY ON DAMPING CHARACTERISTICS OF LONGERON TUBES FOR NOISE SPECTRA COMPUTING ACCURACY INCREASE
S. A. Shamshura
(Don State Technical University)
Studies on the noise generation pattern under the long component milling are resulted. It is shown that the noise abatement can be achieved through the choice of the longeron and support unit loss factors.
Keywords: noise, longeron, measurements.
