CZ34689U1 - Mechatronický testovací rám pro vibrační zkoušky - Google Patents

Description

Technické řešení se týká mechatronického testovacího rámu pro vibrační zkoušky, zvláště rozměrných a poddajných dílů na jejich odolnost vibracím, obsahujícím upínací zkušební rám, který je spojen přes zdroje síly se základnou a k němuž je připojen testovaný díl opatřený senzory vibrací, přičemž zdroje síly a senzory vibrací jsou propojeny s řídicím systémem.

Dosavadní stav techniky

Vibrační zkoušky jsou nedílnou součástí vývoje většiny produktů z oblasti strojírenství nebo elektroniky. Pro vibrační testování se v průmyslové praxi nejčastěji používá konstrukce, kdy generátor vibrací (shaker) přenáší sílu přes vibrační stůl na upnutý testovaný díl. V závislosti na hmotnosti testovaného dílu a celé konstrukce, zvoleném frekvenčním rozsahu a dalších parametrech je možné zvolit shaker ve formě elektrodynamického, hydraulického, pneumatického zařízení nebo zařízení s rotujícím nevývažkem. Existují též průmyslová řešení umožňující produkt vystavit změně teploty nebo vlhkosti. Charakter budicího signálu může být harmonický (sweep, chirp), náhodný se zastoupením požadovaných frekvencí (bílý šum), neboje možné použít krátký impulz síly. Vyhodnocování pohybu testovaného vzorku se provádí zpravidla měřením akcelerometry na jednom či více místech.

Při výše popsaném vibračním testování ovlivňují zatížení testovaného vzorku modální vlastnosti vibračního stolu, upínacího zkušebního rámu a samotného testovaného dílu. Skutečná vibrační expozice testovaného dílu se tedy mění v závislosti na budicí frekvenci a modálních vlastnostech sestavy. Zvýšení mechanické tuhosti stolu a upínacího zkušebního rámu, což v běžných konstrukcích vede ke zvýšení hmotnosti, je jedna z možností, jak vliv jejich modálních vlastností minimalizovat. Tento postup má však za následek nutnost použití shakeru s vyšším výkonem i pro testovací vzorek menších rozměrů.

Jinou nevýhodou popsaného principu je způsob vyhodnocení pohybu testované součásti. Měřením jednoho místa na vzorku či vibračním stolu nezískáme kompletní přehled o pohybu testovaného vzorku. To má za následek, že některé části vzorku nepodstupují požadované zatížení. Existují postupy využívající měření zrychlení ve více bodech. Pro potřeby řízení primární budicí síly je využita průměrná hodnota z provedených měření, popř. je vybrán bod s nejvyšší hodnotou zrychlení. Tyto postupy nefungují požadovaným způsobem, protože zpravidla jeden nebo více z měřených bodů prochází zatížením mimo specifikovaný interval.

Patent US 5979242 A (Gregg K. Hobbs) popisuje systém pro vibrační testování, ve kterém kombinace budicích a propojovacích modulů umožňuje nastavení modálních vlastností celého systému podle požadavků vibrační zkoušky. Propojené moduly mohou obsahovat různé typy pasivních a aktivních prvků umožňujících tvarování frekvenční charakteristiky systému. Tento systém využívá konceptu, kdy každý použitý budicí modul má za úkol generovat pouze část specifikovaného frekvenčního spektra. Takový postup je však nepraktický, neboť zkušební zařízení je určeno pro testování různorodých dílů a navrhované moduly je nutné navrhnout a sestavit pro každé nové uspořádání znovu.

Patent WO 1998029723 Al (Gregg K. Hobbs) prezentuje modulární systém pro vibrační testování, jehož základními komponentami jsou tři moduly. Budicí, propojovací a upínací modul. K budicímu moduluje možné připojit aktuátory pro generování vibrací ve více směrech. Upínací modul slouží k upnutí testovaných komponent. Propojovací modul slouží k propojení zbylých dvou modulů. Propojení modulů může být realizováno různými způsoby: vytvořením vakua mezi styčnými plochami, šrouby, pružnými či tlumicími prvky. Pomocí výše zmíněných prostředků je tedy možné

-1 CZ 34689 UI naladit systém pro testování konkrétních vzorků v požadovaných podmínkách. Také tento přístup je nepraktický, neboť naladění mechanických parametrů jednotlivých modulů pro konkrétní sestavu je zdlouhavé, a navíc v průběhu zkoušky dochází k modálnímu přeladění mechanické sestavy.

V patentu DE 102016002188 AI je popsána konstrukce pro vibrační testování zejména lehčích komponent, jejímž hlavním atributem je nízká hmotnost vibračního stolu vyrobeného např. z kompozitních materiálů. Uprostřed stolu je umístěn rám pro uchycení testované komponenty. Rám je pohyblivý ve svislém směru a pomocí smýkadla je propojen s primárním generátorem vibrací. Díky nízké hmotnosti celé konstrukce jsou redukovány požadavky na vstupní síly generátoru vibrací a zároveň zatížení součásti je méně ovlivněno hmotností konstrukce. Navržené řešení však nevyhoví pro rozměrné a vysoce poddajné testované díly, a navíc není flexibilní.

Podstata technického řešení

Podstata technického řešení týkající se mechatronického testovacího rámu pro vibrační zkoušky zvláště rozměrných a poddajných dílů na jejich odolnost vibracím, obsahujícího upínací zkušební rám, který je spojen přes primární zdroj síly se základnou a k němuž je připojen testovaný díl opatřený senzory vibrací, přičemž primární zdroj síly a senzory vibrací jsou propojeny s řídicím systémem, spočívá v tom, že obsahuje alespoň jeden sekundární zdroj síly uspořádaný na testovaném dílu nebo spojený s upínacím zkušebním rámem a s nosným rámem upevněným k základně. Sekundárním zdrojem síly je případně aktivní hltič uložený na testovaném dílu nebo elektromagnetický budič spojený s upínacím zkušebním rámem a s nosným rámem.

Výhodou tohoto technického řešení je kompenzace dynamické poddajnosti upínacího zkušebního rámu a testovaného dílu pomocí aktivních sekundárních zdrojů nebo pro jednotlivé frekvenční složky zkušebního spektra. Aktivní sekundární zdroj síly může být s výhodou uspořádán jako řízený dynamický hltič. Je tedy možné provést vibrační zkoušku poddajného testovaného dílu, aniž by došlo k přetěžování testovaného dílu v kmitnách jednotlivých tvarů kmitu při nebo blízko rezonanční frekvence. Další výhodou je ad-hoc optimalizace napojení sekundárních zdrojů síly pomocí zařízení pro měření vlastních tvarů kmitu sestavy na základě skenovacího vibrometru. Tato data jsou použita pro řízení primárního zdroje síly ve formě inverzního matematického modelu soustavy a původního modelu soustavy pro řízení sekundárních zdrojů síly. Další výhodou je, že vibrační expozici jsou testované díly podrobeny stejnoměrně v celém objemu a v celém zkušebním spektru.

Objasnění výkresů

Na přiložených obrázcích je znázorněno zařízení pro provádění vibračních zkoušek rozměrných a/nebo poddajných dílů podle technického řešení, kde znázorňuje:

obr. 1 schéma zařízení s primárním zdrojem síly a sekundárními zdroji síly upevněnými spojovací tyčí mezi upínací zkušební rám a nosný rám;

obr. 2 schéma zařízení s primárním zdrojem síly a sekundárními zdroji síly upevněnými spojovacím vláknem mezi upínací zkušební rám a nosný rám;

obr. 3 schéma zařízení, kde sekundární zdroje síly jsou tvořeny aktivními hltiči;

obr. 4 schéma zařízení, kde sekundární zdroje síly jsou tvořeny odpruženými elektromechanickými budiči upevněnými spojovacím vláknem mezi upínací zkušební rám a nosný rám;

- 2 CZ 34689 UI obr. 5 schéma zařízení, kde sekundární zdroje síly jsou tvořeny odpruženými elektromechanickými budiči upevněnými spojovací tyčí mezi upínací zkušební rám a nosný rám;

obr. 6 schéma zařízení se zabudovaným skenovacím vibrometrem před zabudováním sekundárních zdrojů síly; a obr. 7 toleranční pole podle požadovaného pohybu testovaného dílu ve frekvenční oblasti.

Příklady uskutečnění technického řešení

Na obr. 1 je znázorněno zařízení v podobě mechatronického testovacího rámu pro vibrační zkoušky např. rozměrných a poddajných dílů pomocí více zdrojů silového působení, kde na základně 18 je prostřednictvím vibroizolátorů 2 uspořádán primární zdroj 1 síly. K primárnímu zdroji 1 síly je připevněn vibrační stůl 3, na kterém je upevněn upínací zkušební rám 4. Zkušební rám 4 je ve spojení s testovaným dílem 5 prostřednictvím upínacích úchytů 7. Mimo upínací zkušební rám 4 je k základně 18 připevněn nosný rám 15 sekundárních zdrojů 11 síly. Sekundární zdroje 11 síly jsou spojeny s upínacím zkušebním rámem 4 a s nosným rámem 15 prostřednictvím spojovacích tyčí 12.

Místa připojení sekundárních zdrojů 11 síly k upínacímu zkušebnímu rámu 4 jsou určena pomocí analýzy vlastních tvarů kmitu, které jsou získány laserovým skenovacím vibrometrem 14. znázorněným na obr. 6. Na testovaném dílu 5 nebo na upínacím zkušebním rámu 4 j sou uspořádány senzory 8 vibrací, které jsou propojeny s řídicím systémem 6. Místa umístění senzorů 8 vibrací jsou rovněž určena pomocí analýzy vlastních tvarů kmitu, které jsou získány laserovým skenovacím vibrometrem 14. znázorněným na obr. 6. S řídicím systémem 6 jsou dále propojeny primární zdroj 1 síly a sekundární zdroje 11 síly.

Na obr. 2 je patrné obdobné zařízení jako na obr. 1 s tím, že sekundární zdroje 11 síly jsou spojeny s upínacím zkušebním rámem 4 a s nosným rámem 15 prostřednictvím spojovacích vláken 13.

Na obr. 3 je znázorněno alternativní uspořádání zařízení pro vibrační zkoušení rozměrných a poddajných dílů pomocí více zdrojů silového působení, kde sekundární zdroje síly jsou tvořeny aktivními hltiči 9 propojenými s řídicím systémem 6. Hltiče 9 obsahují seismickou hmotu připojenou tlumičem nebo jiným silovým prvkem s řízenou tuhostí k upínacímu zkušebnímu rámu 4. Řídicím systémem 6 jsou v koordinaci s řízením primárního zdroje 1 síly řízeny silové členy v jednotlivých aktivních hltičich 9, ve zpětné vazbě se signály ze senzorů 8 vibrací.

Na obr. 4 a 5 je znázorněno zařízení obdobné jako na obr. 1 s tím, že sekundárním zdrojem síly jsou elektromechanické budiče 10 spojené s nosným rámem 15 a s upínacím zkušebním rámem 4 prostřednictvím spojovacích tyčí 12 - obr. 5 nebo spojovacích vláken 13 - obr. 4.

Obrázek 6 znázorňuje schéma zařízení pro vibrační zkoušení v okamžiku před instalováním sekundárních zdrojů 11 síly, kdy k nosnému rámu 15 je připevněn skenovací vibrometr 14, určený pro zjištění vlastních tvarů kmitu a ostatních modálních vlastností pro aktuální sestavu celého upínacího rámu 4 včetně upevněného testovaného dílu 5 a primárního zdroje síly 1, zejména pro stanovení polohy připojovacích míst sekundárních zdrojů síly 11 a senzorů 8 vibrací.

Na obr. 7 je znázorněna požadovaná frekvenční charakteristika zatěžování testovaného dílu, tedy jakou amplitudu zrychlení testovaného dílu musí řídicí systém 6 prostřednictvím působení primárního zdroje 1 síly a sekundárních zdrojů 11 síly zajistit pro každou frekvenční složku testovaného frekvenčního rozsahu.

Před samotným vibračním zkoušením testovaných dílů 5 se definují meze požadovaného předepsaného zkušebního frekvenčního spektra 17 pohybu testovaného dílu 5, provede se

-3CZ 34689 UI prostřednictvím laserového skenovacího vibrometru 14 experimentální modální analýza soustavy primárního zdroje 1 síly, vibračního stolu 3, upínacího zkušebního rámu 4 a testovaného dílu 5, stanoví se připojovací místa minimálně dvou senzorů 8 vibrací na upínacím zkušebním rámu 4 tak, aby amplitudy vlastních tvarů kmitu sestavy ve vybraných místech a v celém předepsaném zkušebním frekvenčním spektru zatěžování byly maximalizovány a do připojovacích míst jsou pomocí spojovacích tyčí 12 nebo vláken 13 připojeny sekundární zdroje 11 síly.

Pohyb primárního zdroje 1 síly je ovládán řídicím systémem 6 na základě inverze modelu soustavy skládající se z primárního zdroje 1 síly, vibračního stolu 3, upínacího zkušebního rámu 4 a testovaného dílu 5. Model soustavy je získán pomocí experimentální modální analýzy provedené bezkontaktně laserovým skenovacím vibrometrem 14. Primárním zdrojem j. síly se působí proti středisku hmotnosti testovaného dílu 5 spolu s upínacím zkušebním rámem 4 a sekundárním zdrojem 11 síly. Sekundárním zdrojem 11 síly se působí na testovaný díl 5 a upínací zkušební rám 4 ve směru působení primárního zdroje 1 síly v místech s největší amplitudou většiny vlastních tvarů kmitu soustavy primárního zdroje 1 síly, vibračního stolu 3, upínacího zkušebního rámu 4 a testovaného dílu 5, v definovaném frekvenčním spektru 17 zatěžování pro všechny body povrchu testovaného dílu 5.

Pohyb sekundárních zdrojů 11 síly je koordinován řídicím systémem 6 tak, aby byl minimalizován relativní pohyb působiště primárního zdroje 1 síly a sekundárních zdrojů 11 síly. Sekundární zdroje 11 síly jsou napojeny do připojovacích bodů 16, jejichž poloha je určena podle kmiten vlastních tvarů kmitu v požadovaném frekvenčním spektru 17 zatěžování. Vlastní tvary kmitu soustavy primárního zdroje 1 síly, vibračního stolu 3, upínacího zkušebního rámu 4 a testovaného dílu 5 jsou získány pomocí experimentální modální analýzy skenovacím vibrometrem 14, pro každou sestavu testovaného dílu 5, upínacího zkušebního rámu 4, vibračního stolu 3 a primárního zdroje 1 síly ad-hoc, jak je znázorněno na obrázku 6.

Zdroje 1 a 11 silového působení jsou koordinovaně ovládány řídicím systémem 6 pracujícím ve zpětné vazbě se senzory 8 vibrací upevněnými na povrchu testovaného dílu 5. Senzory vibrací 8 mohou být s výhodou kolokovány s připojovacími body 16 sekundárních zdrojů síly 11. Zásahy řídicího systému 6 jsou nastaveny podle modelu celé sestavy, získaného pomocí experimentální modální analýzy skenovacím vibrometrem 14 a aktualizovány podle změn odezvy celé sestavy a průběhu dlouhotrvající zkoušky, která probíhá v cyklech.

Sekundární zdroj 11 síly může být tvořen elektromechanickým budičem 10 připevněným k pevnému rámu 15 a připojeným k připojovacím bodům 16 na upínacím zkušebním rámu 4 pomocí spojovací tyče 12 nebo spojovacího vlákna 13 o vysoké tuhosti, s výhodou uhlíkového vlákna.

Trajektorie pohybu testovaného dílu 5, stanovená podle předepsaného zkušebního spektra, je řídicím systémem 6 prováděna cyklicky a průběhy akčních zásahů primárního zdroje 1 i sekundárních zdrojů 11 síly jsou po každém cyklu modifikovány řídicím systémem 6 tak, aby bylo předepsané zkušební spektrum 17 dodrženo s rostoucí přesností.

Hmota a tuhost sekundárních zdrojů 11 síly ve formě hltičů 9 se nastaví pro přiblížení jejich výsledné pasivní vlastní frekvence vlastní frekvenci celé soustavy primárního zdroje 1 síly, vibračního stolu 3, upínacího zkušebního rámu 4 a testovaného dílu 5, získané pomocí experimentální modální analýzy.

Při spojení sekundárních zdrojů 11 síly s připojovacím místem vlákny 13 je pohyb sekundárních zdrojů 11 síly je řízen tak, aby vlákna 13 byla trvale namáhána výhradně tahovou silou.

Claims (3)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Mechatronický testovací rám pro vibrační zkoušky zvláště rozměrných a poddajných dílů na jejich odolnost vibracím, obsahující upínací zkušební rám (4), který je spojen přes primární zdroj (1) síly se základnou (18) akněmužje připojen testovaný díl (5) opatřený senzory (8) vibrací, přičemž primární zdroj (1) síly a senzory (8) vibrací jsou propojeny s řídicím systémem (6), vyznačený tím, že obsahuje alespoň jeden sekundární zdroj (11) síly uspořádaný na testovaném dílu (5) nebo spojený s upínacím zkušebním rámem (4) a s nosným rámem (15) upevněným k základně (18).

2. Mechatronický testovací rám pro vibrační zkoušky podle nároku 1, vyznačený tím, že sekundárním zdrojem síly je aktivní hltič (9) uložený na testovaném dílu (5).

3. Mechatronický testovací rám pro vibrační zkoušky podle nároku 1, vyznačený tím, že sekundárním zdrojem síly je elektromagnetický budič (10) spojený s upínacím zkušebním rámem (4) a s nosným rámem (15).