Файл: Попков, В. И. Виброакустическая диагностика и снижение виброактивности судовых механизмов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.10.2024
Просмотров: 97
Скачиваний: 0
|
|
|
|
|
Рис. 46. Блок-схема измерителя механических сопротивлений. |
|
|
|||
/ |
- |
генепатотг |
2 - |
блок компрессии; 3 — усилитель мощности; 4 — исследуемые конструкции; |
5 - переходник, |
|||||
6 |
- |
датчик ускорения- 7 - датчик силы; 8 - вибратор; 9 - предварительные усилители; |
0, |
11 - |
корректирующие |
|||||
усилители |
12 |
13 - |
измерительные усилители силы |
и ускорения; 14 - |
блок компрессии; |
15 - |
измерительный инте- |
|||
^ |
|
' |
’ |
|
грирующий усилитель; |
16 — умножители; |
17 — самописцы. |
|
|
|
с помощью интегрирующего усилителя 15 преобразуется в сигнал, пропорциональный вибрационной скорости, и операция перемно жения UF, U • и cos а выполняется электронным умножающим
устройством 16.
Наиболее целесообразно использовать умножители, построенные по схемам с квадратичными характеристиками [35, 57 ] или кор реляторов, например фирмы Диза. Эти приборы производят пере множение в широком динамическом диапазоне и с достаточной точ ностью. Постоянная составляющая напряжения на выходе умно жающего устройства пропорциональна величине UFU-q cos а. Она
записывается на ленту самописца, т. е. автоматически фиксируется частотная характеристика действительной части сопротивления. С помощью аналогичного умножителя определяют и мнимую часть сопротивления, для чего перемножают сигнал силы и сдвинутый на 90° сигнал скорости. Последний получается с помощью блока ком прессии 14, на вход которого поступает напряжение, пропорцио нальное вибрационному ускорению. Коэффициент усиления блока компрессии регулируется таким образом, чтобы выходной сигнал блока изменялся в малых пределах (5—10%). Напряжение с умно жителя записывается на самописец с линейным потенциометром для определения знака мнимой части. Сигнал, постоянный по величине и сдвинутый на 90° относительно сигнала скорости, можно получить также с 'помощыо фазосдвигающей цепочки [4]. Однако с помощью одной цепочки не удается охватить широкий частотный диапазон и получитьтакого же, как при использовании компрессора, постоян ства сигнала и близкого к 90° угла сдвига фаз.
Существенное значение имеет способ измерения силы и скорости. Для этих целей используют либо специально сконструированный комбинированный датчик, либо устройства, которые комплектуют из датчиков силы [63] и ускорения.
На рис. 47 представлены схемы расположения датчиков силы и ускорения для измерения механических сопротивлений.
Крепление датчиков силы и ускорения в одном блоке с исполь зованием переходного устройства (рис. 47, а) дает возможность опре делить точечное сопротивление конструкции с достаточно малыми размерами точки, равными размерам опорной поверхности переход ника.
При измерении точечных сопротивлений пластин можно обойтись без переходника. В этих случаях датчик силы устанавливают не посредственно на пластину со стороны вибратора, а датчик ускоре ний — с обратной стороны пластины (рис. 47, б). Без переходника возможны также измерения модуля сопротивления непластинчатых конструкций, когда длины возбуждаемых волн имеют значительные размеры. Это относится к исследованиям в диапазоне низких частот монолитных конструкций с большим сопротивлением. Датчик уско рений устанавливают относительно датчика силы на расстоянии, значительно меньшем длин возбуждаемых волн (рис. 47, б). Про изводить измерения действительной и мнимой частей точечного
8* |
115 |
сопротивления при расположении датчиков в разных точках нецеле сообразно. Появляется погрешность, обусловленная дополнитель ным фазовым сдвигом между силой и скоростью за счет распростра нения волн от точки силового воздействия до точки установки дат чика ускорений. Оценить эту погрешность в общем случае не пред ставляется возможным.
Как уже упоминалось выше, обязательным элементом комбини рованного датчика и устройства, приведенного на рис. 47, а, является переходник 3. Он изготовлен в виде конуса, с тем чтобы обеспечить точечное воздействие на исследуемые конструкции. Поверхности
блоке; б — на одной оси; в — на расстоянии друг от друга.
/ — датчик силы; 2 — датчик ускорения; 3 — переходник; 14 — исследуемые
конструкции.
переходника и исследуемых конструкций необходимо чисто обрабо тать — это одно из основных условий проведения точных измерений ZF. Для обеспечения хорошего контакта под переходник целесооб разно насыпать свинцовую стружку, смазывать его основание мастикой или стиракрилом и привинчивать с помощью мелкой резьбы. Переходник оказывает существенное влияние на точность измерения ZF. Дело в том, что датчик силы измеряет усилие, затра чиваемое на преодоление сопротивления конструкции, и усилие, затрачиваемое на преодоление инерции переходника. Кроме того, перемещение точки установки датчика ускорений отличается от пере мещения исследуемых конструкций на величину деформации переход ника под действием усилия, передаваемого от вибратора. Эту дефор мацию невозможно учесть калибровкой комбинированного датчика по ускорению, так как деформация переходника Дп, обусловленная силами инерции комбинированного датчика, всегда значительно меньше перемещения колеблющейся поверхности qnoB
Ап — |
+ отд)0)2 |
Япов |
2 5 п |
116
где т п, т д и Sn — соответственно масса переходника и датчика и жесткость переходника.
Относительные погрешности измерения силы е' и скорости е'.,
ч
обусловленные конечными массой и жесткостью переходника, опре деляются по формулам
шпп |
j |
Zpus |
Ef ~ ~ T f ’ |
Еч ~ К 7 ' |
|
На рис. 48 приведена диаграмма минимального частотного и динамического диапазонов, в которых обеспечиваются измерения
силы и скорости с точностью не менее |
Z, дин с/см |
||
10% при помощи переходника, выпол |
|||
ненного из стали и имеющего диаметр |
|
||
40 и высоту 20 мм. |
погрешно |
|
|
Вносимые переходником |
|
||
сти в измерения силы и скорости можно |
|
||
устранить |
корректировкой |
сигналов, |
|
поступающих с датчиков силы и уско |
|
||
рения, электронными средствами. Де |
|
||
формация переходника однозначно свя |
|
||
зана с действующим на переходник |
|
||
усилием. Поэтому сигнал с датчика |
|
||
силы используютдля корректировки |
|
||
сигнала, поступающего с датчика уско |
|
||
рения (см. рис. 46). Через корректирую |
|
||
щий усилитель сигнал силы поступает |
|
||
на вход |
измерительного |
усилителя |
|
ускорения. Коэффициент усиления k x |
Рис. 48. Диапазон измерения |
||
корректирующего усилителя ускорения |
сопротивлений. |
||
определяется из условия равенства и |
|
||
отличия по знаку сигнала с датчика ускорения, усиленного предвари тельном усилителем, и сигнала с датчика силы, усиленного коррек тирующим усилителем, получаемых при возбуждении конструкций с бесконечно большим сопротивлением:
|
ki = k |
ш2х. |
(4.1) |
|
4 |
S.n%F |
|
где |
k у — коэффициент усиления предварительного усилителя |
||
1 |
канала ускорения; |
и силы соот |
|
и %Р — чувствительность |
датчика ускорения |
||
ветственно.
Усилие, затрачиваемое на преодоление инерции переходника FK, выражается через колебательное ускорение точки установки вибро
датчика qR и усилие воздействия |
на переходник Кд |
|
2/12 |
= № + |
(4.2) |
|
Ь П |
117
где hn, рп, Еп — высота, плотность и модуль Юнга материала пе-' реходника; А равно 6,17 или 5,8 при соотношениях радиусов верх него и нижнего оснований переходника R J R IV равных 2,3 или 4 соответственно.
Таким образом, корректировку напряжения, поступающего с дат чика силы, осуществляют с помощью сигналов датчика силы и дат чика ускорения. Составляющая силы Fn, характеризуемая вторым членом уравнения, компенсируется введением цепи отрицательной обратной связи в предварительном усилителе тракта силы. Соста вляющая F„, характеризуемая первым членом, компенсируется сигналом с датчика ускорения, поступающим на вход измеритель ного усилителя силы через корректирующий усилитель.
При определенных размерах переходника можно оценивать F„
по первому |
члену уравнения (4.2) |
и корректировать |
поступающее |
||
с датчика силы напряжение только |
сигналом ускорения. Напри |
||||
мер, |
когда |
|ZF|< : 1 0 ю а п п , т . е. при |
FA^ l O q Amn, |
высота пере |
|
ходника, при которой F„ определяется |
первым членом уравнения |
||||
(4.2) |
с погрешностью sF, |
|
|
|
|
Коэффициент усиления k 2 корректирующего усилителя выби рают таким образом, чтобы при возбуждении конструкций с сопро тивлением ZF = 0 увеличенный в k 2 раз сигнал с датчика ускорения был бы равен, но противоположен по знаку сигналу, поступающему с предварительного усилителя канала силы
тп If
( 4 . 3 )
где kF — коэффициент усиления предварительного усилителя тракта силы.
Для уменьшения погрешности измерений целесообразно осуще ствлять экспериментальную подстройку коэффициентов усиления кор ректирующих усилителей. Корректирующий усилитель подстраи вается при работе вибратора в ненагруженном режиме (ZF — 0). Регулировку коэффициента усиления корректирующего усилителя осуществляют до обеспечения минимума показаний измерительного усилителя тракта силы. Величина минимума определяется разрешаю щей способностью потенциометра—регулятора коэффициента уси ления корректирующего усилителя. Погрешность подстройки обычно не превышает 5%. Для настройки k x необходимо нагрузить вибра тор бесконечным сопротивлением, т. е. обеспечить неподвижное по ложение опорной поверхности переходника. Такой режим возможен при встречном механическом включении одинаковых вибраторов с идентичными переходниками. Вибраторы должны возбуждаться одним сигналом. Ввиду симметрии возбуждения опорная поверх ность переходника остается неподвижной.
118
Влияние переходника на точность измерений можно уменьшить, изготовив переходник из легких и обладающих большим модулем упругости материалов (например, из титана).
На погрешность измерения модуля сопротивления основное влия ние оказывают:
—неточность калибровки датчиков силы и скорости и измери тельных усилителей;
—нелинейные искажения тракта возбуждения, а также изме рительных и предварительных усилителей;
—степень непостоянства поддерживаемого уровня скорости (обычно не превышает 10%);
—конечность жесткости и массы переходного устройства ком бинированного датчика и ошибка настройки коэффициентов уси ления корректирующих усилителей.
Появление в спектре возбуждающей силы гармоник, обусловлен ных нелинейными искажениями тракта возбуждения, приводит к относительной погрешности измерения среднеквадратичного зна чения основной гармоники усилия
= | | Л + У — 1|.
где у — коэффициент нелинейных искажений тракта возбуждения. Относительная погрешность измерения основной гармоники ско рости возбуждаемых в исследуемых конструкциях колебаний опре
деляется из'выражения
|
е- = |
|
|
|
|
где |
— отношение амплитуды i-й гармоники силы к ампли |
||||
|
туде основной |
составляющей; |
на основ |
||
|
Z 1 и Zt- — сопротивления |
исследуемых конструкций |
|||
|
ной частоте и частоте i-й гармоники. |
отношения |
|||
Статистика показывает, |
что максимальные значения |
||||
[ 2 г )/| 2t-1— 1ч-5-102 при |
соотношениях |
частот fi/f1 = |
3-=-5, а |3,- |
||
для |
электродинамических |
вибраторов не |
превышает 10“2. |
||
При настройке корректирующих усилителей с погрешностью ех и е2 относительные погрешности измерения действующего на конст рукции усилия и возбуждаемых колебаний определяются по фор мулам
' __ е„сотп ' е ^ с о
Погрешность измерения действительной и мнимой частей сопро тивления превышает погрешность измерения модуля ввиду неидентичности фазовых характеристик каналов силы и скорости, а также погрешности при перемножении. Относительная погрешность опре деления действительной части, обусловленная фазовыми искаже ниями,
eRe = | 1 —cos Да ± tg a sin Да |,
119