Воспроизведение вибраций динамическими стендами тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

- 2 ГьОН 1523

На правах рукописи ТИШАКОВА НАДЕЖДА ВАСИЛЬЕВНА

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ВИБРАЦИЙ ДИНАМИЧЕСКИМИ СТЕНДАМИ

01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск - 1998

Работа выполнена на кафедре общенаучных дисциплин Забайкальского института инженеров железнодорожного транспорта

Научный руководитель - к. т. н., профессор Власенков В.М.

Официальные оппоненты - д. т. н., профессор Швецов В. Т.

к. т. н., доцент Хаустов Е. М.

Ведущая организация - Омское моторостроительное предприятие имени П.И. Баранова

Защита состоится 5 июня 1998 г. в ' час. на заседании диссертационного совета Д 063.23.02 в Омском государственном техническом университете по адресу 644050, г. Омск, проспект Мирва, 11, корпус 6, ауд. 340

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГТУ Автореферат разослан_Э , О 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.23.02 ./ Е.А.Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Одним из важнейших показателей качества выпускаемой продукции является показатель надёжности, в том числе и показатель вибрационной надёжности. В общем случае вибрационное состояние объекта характеризуется пространственным вектором ускорения и поэтому, в настоящее время большое внимание уделяется методам испытаний и испытательному оборудованию для реализации многокоординатных (многокомпонентных) колебаний. Проведение таких испытаний позволяет максимально приблизить задаваемые вибрационные нагрузки к эксплуатационным или проводить испытания реальной вибрацией по реализациям, полученным при натурных испытаниях.

Особый интерес в связи с ростом требований к проведению вибрационных испытаний приобретает поиск и разработка новых способов, средств и конструктивных решений, позволяющих реализовывать пространственные вибрации, близкие к реальным.

Сравнительный анализ известных динамических испытательных стендов, результаты экспериментальных и теоретических исследований, проведенных в нашей стране и за рубежом, показывает, что наиболее перспективным направлением в этой области являются стенды с параллельным способом возбуждения колебаний. Поэтому разработка и исследование стендов с параллельным способом возбуждения колебаний (стенды второго типа) является важной и актуальной задачей.

Данная работа выполнялась в соответствии с координационным планом МИНВУЗа СССР «Инерционно-импульсные системы», утверждённым приказом № 162 от 08.02.1982г.

J

Цель работы.

Исследование принципов построения стендов с параллельным способом возбуждения колебаний, разработка кинематических схем стендов для воспроизведения пространственно-вибрационного состояния объектов и создание методики расчёта кинематических и динамических параметров на примере трёхкоординатного стенда, для испытаний оборудования различного назначения.

Задачи исследования.

Обобщить принципы построения стендов с параллельным способом возбуждения колебаний и разработать кинематические схемы стендов для имитации пространственных колебаний объектов по двум и более координатам.

Разработать математическую модель трёхкоординатного стенда для испытаний различного оборудования на воздействие пространственных колебательных нагрузок.

Разработать методику расчёта параметров колебательного процесса стенда для различных способов задания движения испытуемого объекта.

Разработать методику расчёта потребных возмущающих сил возбудителей колебаний и их законов управления.

Создать экспериментальный стенд и проверить его математическую модель.

Методика исследований.

Построение математической модели и разработка алгоритмов расчёта параметров осуществлена средствами теоретической механики, теории механизмов и машин, теории автоматического регулирования с привлечением аппаратов матричного исчисления и аналитической геометрии. Расчёты параметров трёхкоординатного стенда выполнены на ЕС ЭВМ и ЮМ PC/AT.

Достоверность разработанной методики подтверждена экспериментально на специально созданном стенде.

Научная новнзна.

В диссертации впервые разработан ряд кинематических схем стендов с параллельным способом возбуждения колебаний по нескольким координатам для испытаний изделий различного назначения.

Впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования и разработана методика расчёта параметров трёхкоординатного стенда.

Доказана возможность использования непосредственных результатов измерения движения испытуемого объекта для воспроизведения этого движения па стендах с параллельным способом возбуждения колебаний.

Практическая ценность.

Разработан трёхкоординатный динамический испытательный стенд и методики расчёта его параметров. На основании выполненных исследований получены общие принципы компоновки кинематической цепи для создания многокоординатных стендов с параллельным способом возбуждения колебаний.

Результаты исследований могут быть использованы для проектирования испытательного оборудования и активных систем вибрационной защиты.

Реализация работы на практике.

Методика расчёта параметров трёхкоординатного стенда и его кинематическая схема были использованы при проектировании изготовленного и внедрённого на авиационном заводе им. Ю.А. Гагарина технологического стенда реализующего пространственное колебательное движение отъёмной части крыла.

Экономический эффект от внедрен™ составил 20 тыс. рублей, что подтверждено актом внедрения.

Апробация работы.

Результаты диссертации доложены, обсуждены и одобрены на четырёх Всесоюзных научно-технических конференциях (НТК), семинарах и совещаниях, в том числе: на 111 Всесоюзной НТК «Инерционно-импульсные системы» (Челябинск, 1982г., тезисы опубликованы); на Всесоюзном научном совещании «Проблемы виброизоляции машин и приборов» (Москва, 1986г., тезисы опубликованы); на Всесоюзном семинаре «Повышение эффективности испытаний приборных устройств» (Владимир, 1987г., материалы опубликованы); на Всесоюзном семинаре «Вибрационная техника» (Москва, 1990г., материалы опубликованы).

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 1 монография, 4 статьи, 4 тезиса докладов, получены 4 авторских свидетельства.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка. Библиография включила 79 наименования.

Краткое содержание работы.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель, определён круг задач, решению которых она посвящена.

В первой главе диссертации рассматриваются способы и средства испытаний на воздействие пространственной вибрации, проводится анализ способов построения кинематических схем вибрационных стендов и методов расчёта их параметров.

Сравнительный анализ кинематических схем многокоординатных стендов, выполненных по последовательной и параллельной схемам возбуждения колебаний, показал, .что последние обладают преимуществами в плане сущест-

венного снижения массы подвижной части, простотой конструкции, меньшим количеством сочленений, а движение выходных звеньев наиболее полно соответствует реальному движению объектов испытаний. В этом случае допущение адекватности вибрационных состояний объектов, носит более строгий характер и появляется возможность проводить испытания непосредственно по результатам реального вибрационного процесса.

Во второй главе рассмотрены Принципы построения кинематических схем стендов с параллельным способом возбуждения колебаний, сформулированы условия необходимости и достаточности.

Если для кинематических схем стендов с последовательным способом возбуждения колебаний необходимым и достаточным условиями является равенство числа активных связей числу координат, то для кинематических схем стендов с параллельным способом возбуждения колебаний это равенство является только необходимым условием, а достаточным условием является равенство независимых движений возбудителей колебаний его числу посредством наложения связей.

Исходя из сформулированного принципа построения, разработан ряд кинематических схем стендов с размерностью от N = 2 до N = 6.

На рис. 1, 2 приведены примеры схем из разработанного ряда.

^ Ж

Рис. 1. Кинематическая схема трёхкоординатного стенда по двум угловым и вертикальной координатам

Рис. 2. Кинематическая схема шестикоординатного стенда по трём угловым и трём линейным координатам.

Разработанные кинематические схемы могут быть использованы для создания испытательных стендов разной размерности в зависимости от задач испытаний.

В третьей главе исследована базовая кинематическая схема стенда по одной вертикальной и двум угловым координатам. Схема стенда показана на рис. 1. Доказано, что при использовании двухшарнирной муфты в качестве соединения центрального возбудителя колебаний с подвижным основанием матрицы преобразования координат при поворотах на углы 8 и <р инвариантны. А(е,ф)зА'(ч>,е).

Это позволяет не только рассчитать малые перемещения подвижного основания, но и большие в пределах возможности кинематической цепи механизма, так как положение подвижного основания в пространстве строго определено независимо от последовательности поворотов.

Произвольное положение объекта на подвижном основании и принятые обозначения показаны на рис. 3.

Используя известные формулы аналитической геометрии и матрицу преобразования координат, получим соотношения между координатами штоков возбудителей колебаний и углами поворотов.

- /ь2(схк(о—1)2—+ + Ь-япср; гА = Л/Ь5(авв-1)2 + ф-апб-сшр)2—^ + 4 - Ь-соБф-япе.

Если закон движения объекта испытаний задаётся в виде

7, = Ъ{{), е = 9 (1), Ф = ф(0 ,

У

то для воспроизведения этого движения требуется большой объём работ, связанный с обработкой результатов измерений или специальных средств измерений, что не всегда практически целесообразно и приводит к существенным инструментальным и систематическим погрешностям. Кроме того, необходимо соблюдать геометрическое подобие по совмещению полюса объекта с центром поворота подвижного основания стенда. При реальном вибрационном состоянии объекта на транспортном средстве понятие полюса чисто условное и поэтому базирование по полюсу не даёт адекватного воспроизведения пространственного вибрационного состояния.

Закон движения объекта можно задать в другом виде, используя результаты непосредственного измерения параметров колебательного процесса в трёх его различных точках, определяющих плоскость. Например, в виде

Й^йдо, к2=й2(1), й3=й3а).

Тогда для любой точки, лежащей на плоскости подвижного основания стенда можно записать:

(•¡•ссбо^ = Х1-со80 4- У-япО-япф - X-япб-сгаф

Г;-ЯПа; = У-С08ф + 2?-ЯПф ?

= Х*-8Ш0 - У-акО-япф + Х'-авЭ-акф

Используя полученную систему и соотношение между углами поворота и координатами штоков возбудителей колебаний, можно определить законы движения последних при задании полярных координат одной из точек п , си .

Таким образом, кинематика схемы стенда позволяет более полно воспроизводить реальное вибрационное состояние объектов.

Кроме использования результатов измерений в виде перемещений разработанная методика позволяет применять результаты в виде вибрационной ско рости или ускорения.

В четвёртой главе решается задача выбора возбудителей колебаний на основании динамической модели стенда.

Вывод дифференциальных уравнений движения подвижного основания основан на использовании теоремы об изменении кинетического момента твёрдого тела относительно точки, совпадающей с центром масс подвижного основания и теоремы о движении центра масс системы.

Используя соотношения полученные в предыдущей главе и проводя преобразование получаем систему трёх дифференциальных уравнений. Окончательно уравнения движения имеют вид:

З^ф• СО50 -J ё + ~JYj +J^ Хрэ-sinQ -

- ZJ^ ф9 • cosO + JYZi (ф2 • sinO - 92) + J^-ф2 • sinO • oos0 =

= -Fjb- sinO-simp + F2b- сокф + mZ^CZ^ • япф - Y^ • cosG- cos(p); Jy2 8 - JXjyj ф • cos9 - JYiZj9 • simp+(J^ - JZj )ф2 • cqs8 • sinO -

- З^ф2 • sin2 8+Х^ф2 • cos2 0 =

= -^Ь-аБб + п^^Х^-йшВ-сшф + ^-аБв-аБф); m[Z^j - Х^(0-со89-са8ф-ф-8!Пф-8т0-2ф0-8тф-соб0 -

- G2 • sin Q • совф - ф2 - сокф • sinQ) + Y^ (ф • совф - ф2 - sin ф) -

- Z2c(9• sinG ■ со5ф + ф • вшф• cos9 - 2ф9- втф -sin9 +

+ 92-со89-со8ф + ф2-со8ф-с(«9)} = Ft +F2 +F3 -mg.

где ,X2c? Yzc 5 Z2c - координаты центра масс объекта в связанной системе координат;

и

, ¥2 , РЗ - возмущающие силы вибровозбудителей.

Для разработанной схемы стенда его динамические характеристики могут быть получены из уравнений движения с учётом инерционных свойств объекта. В случае использования схемы для разработки специального стенда необходимо определить потребные амплитудные значения возмущающих сил по заданному закону движения объекта, или по имеющимся реализациям вибрационного ускорения. Применяя полученные в третьей главе соотношения между амплитудными значениями вибрационных ускорений по выбранным направлениям я производными обобщённых координат, определим потребные значения возмущающих сил из уравнений движения подвижного основания. Следует отметить, что в этом случае величины возмущающих сил будут несколько завыщеЕШыми из-за несовпадения по времени значений виброускорений по координатам. Разработанная методика позволяет уточнить полученные результаты, так как допускает расчёт по временной реализации ускорений. В случае простого подбора возбудителей колебаний дифференциальные уравнения упрощаются и используя- метод множителей Лагранжа находятся наибольшие значения возмущающих сил.

Для отыскания законов управления возбудителями колебаний используются дифференциальные уравнения движения их подвижного органа.

Таким образом, разработанная методика позволяет определить динамические параметры стенда, параметры возбудителей колебаний по известным законам движения объекта и его инерционным характеристикам.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований стенда.

Основные результаты теоретических исследований проверены на экспериментальном стенде, причём при его разработке использовались результаты, полученные в четвёртой главе работы.

На экспериментальном стенде проверены алгоритм расчёта движений штоков возбудителей колебаний в зависимости от заданного движения платформы, а также определено влияние исходных параметров стенда с испытуемым объектом на точность воспроизведения заданного закона движения.

В качестве возбудителей колебаний использовались гидравлические механизмы с электродроссельной системой управления РМ-120. Входные сигналы на управляющую обмотку механизма подавались без предварительного усиления, непосредственно с генератора сигналов.

На рис.4 показаны законы движения возбудителей колебаний и перемещения точек подвижного основания по координате

2 <

°522йэ£а555

ш

шт^тшшш

(Щрщщщщ

Д-Ц._____ .и___'-д_д......

¿гпг:

ЕЕ

жтрх

О « •

рем я, секунды

Рис. 4 Законы движения возбудителей колебаний и перемещения точек платформы

На рис.5 показан график движения точки подвижного основания с координатами г = 140 мм. н а = 45 град, при работе центрального возбудителя колебаний в режиме «скользящего синуса».

Время, секунды

Рис.5 Перемещения точки подвижного основания

Экспериментальные исследования показали, что теоретические и экспериментальные данные совпадают с точностью достаточной для практических целей. Относительная погрешность не превышает 8%.

На рис.6 показаны закон движения точки платформы, соответствующей точке подсоединения бокового возбудителя колебаний и рассчитанный закон движения той же точки по вертикальной координате.

_теория, __.........„эксперимент

Рис.6 Сравнение экспериментальных и теоретических данных

В систему измерения параметров были включены стандартные блоки виброизмерительной аппаратуры фирмы «Robotron» и записывающая аппаратура фирмы «Kovo» .

Тарировка аппаратуры производилась механическим способом при полностью собранной системе и подключенных кабелях связи. В качестве источника калиброванного сигнала использовался эталонный электродинамический возбудитель колебаний.

В приложении 1 представлены листинги программ расчёта параметров по

разработанным методикам и блок-схема алгоритма.

В приложении 2 представлены рекомендации по проектированию технологических процессов согласно РД-50-545-81.

Основные выводы.

1. В работе рассматриваются способы и средства воспроизведения пространственно-вибрационного состояния.

В результате анализа научно-технической литературы показано, что многокоординатные стенды с параллельным способом возбуждения колебаний имеют по сравнению со стендами последовательной схемы возбуждения колебаний ряд преимуществ, позволяющих использовать их для различного класса задач вибрационных испытаний с меньшими затратами.

2. На основе анализа результатов имеющихся исследований обобщены принципы построения кинематических схем многокомпонентных стендов с параллельным способом возбуждения колебаний, что позволило разработать и предложить ряд кинематических схем стендов с размерностью от N=2 до N=6 для испытаний векторной вибрацией. Новизна технических решений таких схем признана Госкомизобретений СССР. Получены авторские свидетельства на изобретения № 1114479, № 1397772, №1517513, №1523935. Разработка трёхкоординатного стенда отмечена медалью ВДНХ.

Предложенные схемы могут быть использованы при разработке вибрационных стендов общего и специального назначения, при разработке средств активной виброзащиты, а также при разработке средств стабилизации положений различных объектов.

3. Используя способ задания движения объекта в реальных условиях по движению трёх его точек и на основании методов аналитической геометрии и теории матриц с учётом принятых допущений, получена математическая модель трёхкоординатного стенда, что позволяет определить параметры движе-

кия штоков возбудителей колебаний, а также параметры движения объекта по заданным законам движения штоков возбудителей колебаний. Методика расчёта представлена в виде программы NTST, написанной на алгоритмическом языке «FORTRAN» . Проверка правильности расчётной методики осуществлена сравнением результатов счёта с результатами, полученными на экспериментальном стенде. Результаты сравнения представлены в графическом виде. Предложенный алгоритм может быть использован с достаточной точностью, применительно к разработанному типу стенда, для решения практических задач виброиспытаний, а также взят за основу для написания драйверов в системе автоматического управления испытаниями.

4. На основании полученной динамической модели стенда решена задача выбора возбудителей колебаний в зависимости от инерционных характеристик подвижных частей стенда и заданного пространственно-вибрационного состояния (параметров пространственного колебательного движения) объекта, а также разработана методика определения законов управления возбудителями колебаний на примере электродинамических вибраторов. Для электрогидравлических возбудителей колебаний дана схема расчёта законов управления. Задача выбора возбудителей колебаний реализована в программе NTST2, написанной на алгоритмическом языке «FORTRAN». Программа позволяет получить законы изменения возмущающих сил, законы движения штоков возбудителей колебаний, а при вводе в программу параметров выбранных исполнительных механизмов^ законы их управления.

5. На основании проведенных теоретических исследований разработан экспериментальный трёхкоординатный стенд с параллельным способом возбуждения колебаний, что дало возможность проверить математическую модель стенда и оценить возможности разработанных кинематических схем.

Экспериментальные измерения, сделанные для двух режимов испытаний (гармонических колебаний и «скользящим синусом») удовлетворительно подтвердили теоретические исследования. Результаты экспериментов представлены в графическом виде. Анализ результатов показал, что для различных режимов работы возбудителей колебаний;реализусмых простыми аппаратными средствами^ возможно получение сложных пространственных движений испытуемых объектов.

6. В порядке обобщения проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложены рекомендации по выбору схемы и расчётов параметров стенда с параллельным способом возбуждения колебаний на стадии технического проекта, что позволяет разрабатывать кинематические схемы стендов с любым количеством степеней свободы и рассчитывать их кинематические и динамические характеристики для воспроизведения пространственной вибрации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы:

1. Власенков В.М., Матвеев O.A., Тишакова П.В. Структурные схемы динамических стендов. - Дсп. рук. ВИНИТИ, 1982г.

2. Власенков В.М., Тишакова Н.В. Многокомпонентный динамический стенд. - Тезисы докладов Ш-ей Всесоюзной научно-технической конференции «Инерционно-импульсные системы», г.Челябинск, 1982г.,

3. Тишакова Н. В., Казанцев A.A., Тишаков В.В. Трёхкоординатный вибростенд. -ЦНТИ, г.Хабаровск, 1986г.

4. Власенков В.М., Тишакова Н.В. Динамические испытательные стенды. -Тезисы докладов Всесоюзного научного совещания по проблемам виброизоляции машин и приборов, г.Москва, 1986г.

5. Тишакова Н.В., Казанцев A.A., Тишаков В.В. Трёхкоординатный вибростенд. - Тезисы докладов Всесоюзного семинара «Повышение эффективности

испытаний приборных устройств», г.Владимир, 1987г.

6. Тишакова Н.В., Власенков В.М. Трёхкоординатный динамический не пытательный стенд. - сб. «Вибрационная техника», МДНТП, г.Москва, 1988г.

7. Тишакова Н.В., Коганов Г.А. Динамика многокомпонентных испытательных стендов. - сб. «Вибрационная техника», МДНТП, г.Москва, 1989г.

8. Тишакова Н.В. Шестикомпонентный вибрационный стенд. Тезисы докладов Всесоюзного семинара «Повышение эффективности механических испытаний», г.Москва, 1990г.

9. Власенков В.М., Тишакова Н.В. Научно-технические основы создания динамических испытательных стендов. Монография, ДВГУ, г.Владивосток, 1994г., в 2-х частях.

10. Авторское свидетельство СССР № 1114479. Автоколебательный вибровозбудитель. / A.A. Казанцев, В.В. Тишаков и Н.В. Тишакова -Опубл. 23.09.84г., Бюл. №35.

11. Авторское свидетельство СССР № 1397772. Стенд для испытаний изделий на трёхкомпонентную угловую вибрацию. / Н.В. Тишакова, В.И. Шар-лаимов и А.Л. Зенькович. - Опубл. 23.05.88г., Бюл. № 19.

12. Авторское свидетельство СССР № 1517513. Стенд для виброиспытаний транспортных средств. / Б.И. Березин, Н.В. Тишакова, A.A. Казанцев и В.В. Тишаков. Не публикуется.

13. Авторское свидетельство СССР № 1523935. Многокоординатный вибростенд. / Н.В. Тишакова, В.В. Тишаков, A.A. Казанцев и Г.К. Зайцев. -Опубл. 23.11.89г., Бюл. №43.

ПЛД№ 58-49 от 15.10.97 г.

Подписано в печать 20.04.98 г. Формат 60 х 84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Усл. печ. л. 1,25. Уч. изд.л. 1. Заказ 53. Тираж 100.

Тип. ОмЦНТИ, 644099, ул. Интернациональная, 14