CC BY
22
УДК 621.88
УСТАНОВОЧНЫЕ РЕЗОНАНСЫ ВИБРОДАТЧИКА, ЗАКРЕПЛЕННОГО НА ПЕРЕХОДНИКЕ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ВИБРАЦИИ
Пётр Иванович Остроменский
Сибирский государственный университет путей сообщения, 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191, доктор технических наук, профессор, e-mail: piostr@mail.ru
Александр Васильевич Волошин
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, ведущий инженер-конструктор, e-mail: volosh7@yandex.ru
Андрей Викторович Салов
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, инженер 1-й кат., e-mail: salov.andrew88@gmail.com
Денис Сергеевич Лощёнов
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, слесарь-испытатель 4-го разряда, e-mail: loshcenov_444@mail.ru
Григорий Владиславович Суменко
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, слесарь-испытатель 4-го разряда, e-mail: grunya_15@mail.ru
Показано, что при измерении пространственной вибрации однокомпонентными пьезоэлектрическими вибродатчиками их рабочий диапазон частот должен быть ограничен частотой, составляющей 1/3 минимальной частоты поперечного установочного резонанса вибродатчика. Методом компьютерного моделирования получены частоты поперечных резонан-сов для вибродатчиков, закрепленных на объекте с помощью переходного куба и уголкового переходника и определены рабочие диапазоны частот при разных видах крепления датчиков.
Ключевые слова: пространственная вибрация, вибродатчик, переходной куб, уголковый переходник, рабочий диапазон частот установочный резонанс, компьютерное моделирование установочных резонансов вибропреобразователей.
LOCATING THE RESONANCES OF THE VIBRATION SENSOR MOUNTED ON THE ADAPTER FOR MEASURING THE SPATIAL VIBRATION
Peter I. Ostromensky
Siberian Transport University, 191, Dusi Kovalchuk St., Novosibirsk, 630049, Russia, D. Sc., Professor, e-mail: piostr@mail.ru
Alexander V. Voloshin
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 53, Pisareva St., Novosibirsk, 630005, Russia, Leading Design Engineer, e-mail: volosh7@yandex.ru
Andrey V. Salov
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 53, Pisareva St., Novosibirsk, 630005, Russia, Engineer 1 category, e-mail: salov.andrew88@gmail.com
Denis S. Loschenov
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 53, Pisareva St., Novosibirsk, 630005, Russia, Locksmith-Tester 4 category, e-mail: loshcenov_444@mail.ru
Grigory V. Sumenko
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 53, Pisareva St., Novosibirsk, 630005, Russia, Locksmith-Tester 4 category, e-mail: grunya_15@mail.ru
It is shown that the spatial vibration is measured by one-component vibrationspiezoelectric vibrators their operating frequency range should be limited to a frequency of 1/3 of the minimum frequency of the transverse resonance of the vibratory sensor. With computer modeling, the received frequency transverse resonances for vibration sensors attached to the object using the cube transition and the angled adapter and defined the operational ranges of frequencies for different types of mounting sensors.
Key words: spatial vibration, vibration sensor, transition cube, angle adapter, operating frequency range of the installation resonance, computer simulation of the installation resonances of vibration transducers.
При измерении пространственной вибрации однокомпонентными вибродатчиками (виброизмерительными преобразователями - далее ВИП) их рабочий диапазон частот должен быть существенно уменьшен по сравнению с паспортными данными [1].
На рис. 1 показаны рабочие диапазоны частот (f - fпр) для одномерной вибрации в продольном направлении, совпадающем с рабочей осью ВИП, и для пространственной вибрации (f - ,/впоп) при измерении её компоненты в этом же продольном направлении.
Рис. 1. Амплитудно-частотные характеристики однокомпонентного ВИП, закреплённого на вибрирующем объекте
Паспортные значения рабочего диапазона частот (/н - ,/впр), относительного коэффициента поперечного преобразования Кпоп = 5-10 %, коэффициента продольного преобразования Кпр задаются для одномерной вибрации [2]. При про-
странственной вибрации в области (/Впоп - Л^) ВИП перестаёт быть измерительным средством компонент пространственной вибрации объекта из-за резкого возрастания Кпоп, связанного с поперечным установочным резонансом. При этом собственная частота этого резонанса _/резп°п (рис. 1) не указывается в паспортных данных и даже не предусмотрена ГОСТом [2].
Экспериментальное определение fpe3поп является очень сложным и связано с использованием специальных образцовых испытательных средств.
Расчетную величину ,/резпоп можно определить методом компьютерного моделирования динамики многомерной колебательной системы «ВИП + упругий контактный слой + объект испытаний». ВИП и объект испытаний считаем абсолютно твёрдыми телами. С помощью упругого контактного слоя моделируется стыковое соединение ВИП с объектом испытаний [1].
Моделирование проводится с помощью программы иМЕхргеББ, входящей в состав библиотеки приложений к САПР КОМПАС-ЭБ. Программа ЦМЕхргеББ позволяет не только рассчитать все значения резонансных частот многомассовой колебательной системы, но и визуализировать все формы колебаний. Упругий контактный слой характеризуется коэффициентами поперечной &поп и продольной кпр жёсткости, связанными соотношением [1]:
где О - модуль сдвига; Е - модуль упругости слоя при растяжении-сжатии; ^ -коэффициент Пуассона (^ ~ 0,35).
При моделировании использовались паспортные данные вибропреобразователя АР20Э7: масса 12 г; рабочий диапазон частот (при неравномерности ± 10%) 0,5 ^ 15000 Гц для одномерной осевой вибрации; частота установочного резонанса в осевом направлении ,/резпр = 45 кГц; материал корпуса - нержавеющая сталь. Результаты моделирования для случая крепления ВИП к стальной поверхности шпилькой М5 (рис. 2, а) следующие:
минимальная частота поперечного установочного резонанса ,/резпоп =15079 Гц; продольного резонанса ^^ = 43148 Гц.
При измерении поперечных компонент пространственной вибрации для крепления ВИП необходимо использовать переходные устройства (переходники). Такие измерения проводятся при аттестации электродинамических вибростендов [3] и приспособлений для крепления испытуемых изделий на столе вибростенда.
В качестве переходников используют переходные кубы, резьбовые переходники для клеевого крепления ВИП, если не допускается резьбовое крепление ВИП к вибрирующему объекту [4]. Переходники расширяют эксплуатационные возможности однокомпонентных ВИП, но дополнительно сужают рабочий диапазон частот (-/™п) за счёт появления новых, меньших собственных частот поперечных установочных резонансов.
Таким образом измерительные возможности однокомпонентного ВИП, закреплённого на переходнике, ограничены наименьшей частотой _/резпоп* поперечного установочного резонанса ВИП с учетом крепления к объекту через переходник. При этом верхняя частота рабочего диапазона такой колебательной системы будет равна _/впоп* = (1/3) _/резпоп*.
Для определения ^впоп* вновь воспользуемся программой иМЕхргеББ. Сначала рассмотрим установочные резонансы вибродатчика АР2037 массой 12 г, закреплённого резьбовой шпилькой М5 на переходнике [3] в виде куба массой 17 г из сплава Д16 с размерами грани 19 мм, установленного на объекте испытаний с помощью тонкого слоя восковой мастики (рис. 2, а и 2, б). Жёсткости упругих контактных слоёв определялись из [1, 2].
Минимальная частота поперечного установочного резонанса при установке датчика вертикально на верхнюю грань куба (рис. 2, б) составила ^,езпоп* = 8488 Гц; при установке на боковую грань куба - ,/резпоп* = 9312 Гц (рис. 2, в). Следовательно, при измерении пространственной вибрации для первого ВИП (рис. 2, б) рабочий диапазон частот составит 0,5 - 2830 Гц, для второго ВИП, установленного горизонтально (рис. 2, в), составит 0,5 - 3100 Гц.
а) б) в)
Рис. 2. Расчётные схемы систем: «ВИП + объект испытаний» (а);
«ВИП+переходный куб + объект испытаний» (б, в).
Для исключения больших систематических погрешностей, возникающих в диапазоне (/впоп - _/впр) при пространственной вибрации в данном случае в измерительные каналы ВИП следует ввести нестандартные фильтры с верхним пределом частоты fф = 2800 Гц.
Для исключения использования нестандартных фильтров в измерительных цепях была предложена конструкция уголкового переходника (рис. 3), позволяющая крепить ВИП на объекте в двух разных положениях.
а) б)
Рис. 3:
а) ВИП на уголковом переходнике; б) модель
В результате компьютерного моделирования было установлено: минимальная частота поперечного установочного резонанса при установке датчика вертикально (рис. 4) составляет _/резпоп* = 10816 Гц; при установке переходника на боковую грань (ось ВИП ориентирована горизонтально) - _/резпоп* = 11138 Гц. Рабочие диапазоны частот при этом соответственно составляют 0,2 ^ 3605 Гц и 0,2 ^ 3713 Гц. Видно, что рабочий диапазон ВИП в этом случае можно ограничить в измерительной цепи стандартным фильтром с fф = 3000 Гц.
Экспериментальная проверка ВИП с уголковым переходником подтвердила его метрологические свойства при измерении пространственной вибрации в диапазоне частот от 50 до 2500 Гц.
Рис. 4. Экспериментальная проверка
Применение переходного куба, рекомендованного ГОСТом [3] для крепления ВИП на объекте, не позволяет использовать в измерительной цепи ВИП стандартные фильтры с верхним пределом частоты 3000 Гц. Использование стандартных фильтров может обеспечить ВИП, который крепится на предложенном уголковом переходнике, имеющем две взаимно ортогональные установочные поверхности, одну из которых приклеивают к объекту испытаний вме-
сто резьбового крепления. Такое крепление существенно расширяет эксплуатационные возможности ВИП при аттестации вибростендов и приспособлений, с помощью которых крепят изделия на столе электродинамического вибростенда, в диапазоне частот 5 -2000 Гц. Однако при аттестации этих вибростендов [3] более целесообразно использовать трехкомпонентные ВИП без переходников.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Остроменский П. И., Волошин А. В. Метод расчёта собственных частот составных тел с плоским стыком // Вестник СГУПСа. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2014. Вып. 30. С. 71-79.
2. ГОСТ Р ИСО 5348-99. Вибрация и удар. Механическое крепление акселерометров.
3. ГОСТ 25051.3-83. Установки испытательные вибрационные электродинамические. Методы и средства аттестации.
4. ОЬОБЛЬТЕБТ. Датчиковая измерительная аппаратура. Каталог 2018. Саров, 2018.266 с.
© П. И. Остроменский, А. В. Волошин, А. В. Салов, Д. С. Лощёнов, Г. В. Суменко, 2018
