Способ экспериментально-теоретического определения собственных сил демпфирования в упругом элементе

Авторы патента:

Александров Игорь Константинович (RU)

G01H1/08 - Измерение механических колебаний или ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых колебаний (генерирование механических колебаний без измерений B06B,G10K; определение местоположения, направления или измерение скорости объекта G01C,G01S; измерение медленно меняющегося давления жидкости G01L 7/00; измерение дисбаланса G01M 1/14; определение свойств материалов с помощью звуковых или ультразвуковых колебаний, пропускаемых через эти материалы G01N; системы с использованием отражения или переизлучения акустических волн, например формирование акустических изображений G01S 15/00; сейсмология, сейсмическая разведка, акустическая разведка G01V 1/00; акустооптические устройства как таковые G02F; получение

Владельцы патента RU 2530474:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный университет" (ВоГУ) (RU)

Изобретение относится к области динамических испытаний упругих систем и может быть использовано для определения демпфирующей способности упругого элемента механической колебательной системы. При реализации способа предварительно определяют коэффициент жесткости пружины, т.е. величину усилия, необходимого для растяжения пружины на единицу длины. После чего на закрепленный упругий элемент устанавливают груз известной массы и сообщают данной системе импульс силы. Измеряют время затухания колебаний системы. На основании установленных коэффициента жесткости и величины дополнительного растяжения пружины под действием внешней силы вычисляют сообщенную системе энергию. По вычисленной величине энергии и определенного экспериментально времени затухания колебаний системы определяют усредненное значение мощности диссипативных сил за период затухания колебаний. Вычисленный параметр принимают в качестве критерия оценки демпфирующей способности упругого элемента. Технический результат заключается в возможности оперативного определения и анализа характеристик упругих элементов. 4 ил.

Изобретение относится к области динамических испытаний упругих систем, конкретно к экспериментально-теоретическому определению демпфирующей способности сил упругого элемента системы, совершающей колебательные движения, в частности, при передаче энергетического потока в кинематических цепях. Может быть использован в машиностроении и строительстве.

Известен способ исследования демпфирующих свойств материалов [1], основанный на нагружении образца испытуемого материала циклами затухающих колебаний. Недостаток: для реализации данного способа требуется изготовить из испытуемого материала образец и использовать специальную систему нагружения этого образца циклами затухающих колебаний механической нагрузки, таким образом, данный способ не обеспечивает проведение исследований на реальных упругих элементах механизмов, частей машин, готовых изделий и т.п.

Известен способ определения динамических характеристик испытуемого образца методом свободных продольных колебаний, используемый в работе устройства [2]. Данный способ является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению. Суть способа заключается в следующем: упругий продольный элемент (нить) нагружают вертикальной нагрузкой с помощью тарировочных грузов, затем данную систему выводят из равновесия, сообщая ей импульс силы, и с помощью подключенных к системе приборов определяют динамические характеристики испытуемого упругого элемента: изменение частотных и силовых показателей во времени.

Целью изобретения является определение величины собственных сил демпфирования (диссипативных сил) упругого элемента, а не его динамических характеристик. При всей схожести с методикой проведения испытаний, используемой в прототипе, оцениваются иные свойства упругого элемента. Последнее условие соответствует понятию «новизны». К тому же, в отличие от прототипа для получения результата, помимо измерительных процедур, требуется выполнить некоторые (представленные ниже) теоретические исследования, что является основанием для квалификации способа как экспериментально-теоретического.

Исследуемый упругий элемент представляем как часть колебательной системы (пружинного маятника) (фиг.1), где I - упругий элемент, II - тарировочный груз с переменной массой M_i. Величина M_i определяет степень нагрузки на упругий элемент 1.

Длина упругого элемента при нагрузке M_i составляет l_i. Воздействие на систему в вертикальном направлении внешней силой F_i вызывает дополнительное удлинение упругого элемента на величину X_i. Используя понятие k - жесткость упругого элемента (усилие, необходимое для растяжения упругого элемента на единицу длины), имеем F_i=kX_i, H. При этом система получает дополнительно запас энергии, определяемый зависимостью $W_{i} = \int_{x_{0}}^{x_{i}} k x d x = \frac{k X_{i}^{2}}{2}, Д ж . (1)$

Резкое снятие усилия F_i выводит систему (пружинный маятник) из равновесия, и она начинает совершать затухающие колебания.

Время t_i затухания колебаний системы в основном определяется наличием диссипативных сил, возникающих в самом упругом элементе при циклическом изменении его формы (удлинение-сжатие). Располагая значениями t_i и W_i, можно определить демпфирующие свойства упругого элемента при заданной величине M_i загрузки системы. Очевидно, что чем больше времени требуется для затухания системы при заданных нагрузке и величине сообщенной ей энергии внешним источником, тем меньше величина диссипативных сил, возникающих в упругом элементе системы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является определение величины демпфирующей способности упругого элемента для различных параметров пружинного маятника, которая позволит оперативно провести сопоставительный анализ однотипных видов упругих элементов, изготовленных по разным технологиям, из различных материалов и других их отличительных особенностей. Предлагается новый оценочный критерий, который представляется как усредненная величина мощности диссипативных сил упругого элемента за период затухания колебаний

$N_{D i} = W_{i} / t_{i} . (2)$

Технический результат достигается тем, что испытуемый упругий элемент подвергают серии испытаний в пределах его рабочих нагрузок, в каждом опыте измеряют усредненное значение мощности диссипативных сил упругого элемента.

Последовательность выполнения операций для реализации способа

Подготовительная операция - определение жесткости упругого элемента (фиг.1).

С помощью измерительной линейки определяют начальную длину а жестко укрепленного одним концом упругого элемента I в ненагруженном состоянии. Затем на другом конце упругого элемента I укрепляют груз II известной массы m (в кг) и фиксируют величину b (в см) удлинения упругого элемента I. После этого определяют длину I элемента в нагруженном состоянии и вычисляют k - жесткость упругого элемента. При этом используют выражения

$l = a + b, с м; (3)$

$k = m g / b = 9,81 m / b, H / с м . (4)$

Испытания проводят в два этапа:

Первый этап (фиг.2)

При стабилизированном (неизменном) значении W_i=const, определяющем величину потенциальной энергии системы, ступенчато увеличивают величину M_i нагрузки на систему. При каждом значении нагрузки сообщают системе импульс внешней силы F_i, который остается неизменным в данной серии испытаний (соответственно, неизменной остается и величина b₁ удлинения упругого элемента под действием внешней силы F₁). Определяют при каждом испытании время t_i затухания колебаний системы и вычисляют по формуле (2) соответствующее усредненное значение мощности N_Di диссипативных сил. Графически (или в форме таблицы) представляют функциональную зависимость N_Di=f(M_i).

Последовательность операций первого этапа представлена на фиг.2.

Второй этап (фиг.3)

При стабилизированном (неизменном) значении M_i=const, определяемом массой тарировочных грузов, изменяют W_i путем увеличения внешней силы F_i, действующей на систему. Ступенчато увеличивают внешнюю силу F_i, определяют величину X_i удлинения упругого элемента, возникающего под действием данной силы, и вычисляют по формуле (1) величину W_i. Определяют при каждом испытании время t_i затухания колебаний системы и вычисляют по формуле (2) соответствующее усредненное значение мощности N_Di диссипативных сил. Графически (или в форме таблицы) представляют функциональную зависимость N_Di=ƒ(W_i).

Последовательность операций второго этапа представлена на фиг.3.

На фиг.4 показано устройство для реализации указанного способа.

Устройство состоит из рамы 1, на которой в верхней части закрепляется испытуемый упругий элемент 2, в крепежный элемент 3 вмонтирован тензодатчик 4, соединенный через интерфейсный блок 5 с регистрирующим прибором 6; на нижний конец упругого элемента 2 закрепляются тарировочные грузы 7; нижний груз притянут электромагнитом 8, жестко закрепленным на натяжном устройстве 9; управление электромагнитом производится с помощью блока питания 10; начало отключения электромагнита 8 через интерфейсный блок 5 фиксируется регистрирующим прибором 6; вдоль всей системы установлена измерительная линейка 11.

Работа устройства заключается в следующем. Во всех опытах (как первого, так и второго этапов) порядок проведения исследований остается неизменным:

• с помощью измерительной линейки 11 определяют длину а упругого элемента 2, неподвижно укрепленного одним концом к раме 1 без нагрузки;

• на втором конце упругого элемента 2 устанавливают тарировочные грузы 7 массой M и измеряют величину b удлинения упругого элемента, а также общую длину упругого элемента по формуле (3);

• используя электромагнит 8, с помощью натяжного устройства 9 дополнительно натягивают упругий элемент 2 и с помощью измерительной линейки 11 фиксируют величину X=X_i-Х₀ его растяжения под действием внешней силы F, где X₀ - начальное положение тарировочных грузов (до начала воздействия внешней силы F); X_i - положение тарировочных грузов (после воздействия внешней силы F);

• резко отключают электромагнит 8 натяжного устройства 9, при этом на регистрирующий прибор 6 поступает сигнал приведения системы в колебательное состояние; одновременно возникающий в тензодатчике 3 электрический сигнал, который передается через интерфейсный блок 5 на регистрирующий прибор 6; с момента поступления сигнала от электромагнита в регистрирующем приборе 6 включается таймер;

• система «упругий элемент 2 - тарировочные грузы 7» приходит в колебательное состояние;

• за счет диссипативных сил, возникающих в упругом элементе 2, система совершает затухающие колебания;

• время t_i затуханий колебаний системы фиксируется таймером регистрирующего прибора 6.

Затем, используя зависимости (1) и (2), вычисляют усредненное значение мощности N_Di диссипативных сил упругого элемента 2 при заданных значениях: массы грузов M_i и дополнительного воздействия на систему внешним усилием F_i. Показатель N_Di принимают в качестве критерия, определяющего диссипативные свойства упругого элемента.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент RU 2425351. Способ исследования демпфирующих свойств материалов и устройство для его осуществления / Лодус Е.В., Таланов Д.Ю., Зуев Б.Ю., Ромашкевич А.А. - Опубл. 27.07.2011. Бюл. №21.

2. Патент RU 2249195. Устройство для определения динамических характеристик полимерных нитей методом свободных продольных колебаний/ Сталевич A.M., Горшков А.С., Романова А.А., Рымкевич П.Л. - Опубл. 27.03.2005. Бюл. №9.

Способ экспериментально-теоретического определения демпфирующей способности упругого элемента механической колебательной системы путем сообщения ей импульса силы и регистрации показателей системы при совершении продольных колебаний, отличающийся тем, что регистрируют время t_i затухания свободных продольных колебаний системы, начало фиксации которого производится с момента сообщения системе импульса внешней силой F_i; вычисляют величину сообщенной системе энергии по выражению , где k - жесткость упругого элемента; X_i - растяжение упругого элемента под действием внешней силы F_i; вычисляют усредненное значение мощности N_Di=W_i/t_i диссипативных сил, которая принимается в качестве оценочного показателя, характеризующего величину диссипативных сил испытуемого упругого элемента.

Изобретение относится к области измерительной техники и решает задачу поиска источников общего акустического поля в условиях нелинейности механического тракта распространения колебательных процессов.

Установка для мониторинга вибрации обмотки статора // 2513176

Изобретение относится к вращающимся механизмам, а более конкретно к установкам для мониторинга вибраций обмотки статора. Установка для мониторинга вибрации обмотки статора вращающегося электрического механизма (100) содержит по меньшей мере один датчик (102), содержащий по меньшей мере одну токопроводящую сенсорную антенну (122), нанесенную на лицевую сторону по меньшей мере одного слоя подложки печатной платы и обращенную к обмотке статора, а также непроводящий экран (126), установленный на обратной стороне указанной подложки (124) и обращенный в сторону от обмотки статора.

Способ контроля состояния грузов при перевозках // 2512699

Изобретение относится к способам, предназначенным для контроля и фиксации параметров колебаний. Техническим результатом заявленного изобретения является возможность контроля и записи на запоминающее устройство параметров колебаний во всех координатах.

Устройство для измерения вибраций подшипников для турбомашины // 2509987

Изобретение касается устройства для измерения вибраций подшипников для турбомашины и турбомашины, которая снабжена устройством для измерения вибрации подшипников.

Способ контроля добротности пьезорезонаторов и устройство для его осуществления // 2499234

Использование: для контроля добротности пьезорезонагоров. Сущность: возбуждают колебания пьезорезонатора в области резонанса путем воздействия на него электрическим синусоидальным напряжением с переменной частотой, одновременно выделяют активную составляющую проводимости и выполняют ее дифференцирование, на частотной характеристике производной от активной составляющей проводимости измеряют значение производной на частоте максимума, измеряют частоту максимума производной от активной составляющей проводимости и значение активной составляющей проводимости на частоте максимума производной, после чего вычисляют величину добротности в соответствии с определенным математическим выражением.

Способ определения положения центра масс // 2495386

Изобретение относится к области измерений и может быть использовано для определения положения центра масс статически неопределимых многоопорных объектов энерго-, тяжелого и транспортного машиностроения, например крупногабаритных энергоблоков атомных электростанций.

Способ для определения параметров газожидкостного потока в трубопроводе и устройство для его осуществления // 2485453

Изобретение относится к способу и устройству для определения параметров газожидкостного потока в трубопроводе и может быть использовано в нефтедобывающей и других отраслях промышленности, где требуется высокая точность определения параметров.

Устройство тестирования спортивных покрытий // 2475711

Изобретение относится к виброизмерительной технике. .

Вибродозиметр для определения вибрационной нагрузки // 2473057

Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию // 2452060

Изобретение относится к атомной и полупроводниковой технике, в частности к изготовлению маломощных источников электроэнергии с использованием радиоактивных изотопов и полупроводниковых преобразователей.

Способ определения форм и частот собственных колебаний рабочих лопаток газотурбинных двигателей // 2531203

Использование: для определения форм и частот собственных колебаний рабочих лопаток газотурбинных двигателей. Сущность изобретения заключается в том, что каждую окончательно изготовленную лопатку (поставляемую на двигатель) закрепляют в зажиме за хвостовик в горизонтальном положении, наносят на ее поверхность тонким слоем песок и возбуждают колебания лопатки возмущающей силой, приложенной к свободному концу лопатки, до возникновения резонансных колебаний, когда песок будет сброшен со всех вибрирующих мест, кроме неподвижных линий-узлов, что свидетельствует о совпадении частоты возбуждения с частотой собственных колебаний лопатки (fвоз=fсоб) при соответствующей форме колебаний лопатки, зафиксированной по виду песочных фигур, значение которой (fсоб) и записывают в дело двигателя, при этом для лопаток, имеющих на своей поверхности перфорационные охлаждающие отверстия, определяют экспериментальным путем формы и частоты собственных колебаний 15-20 лопаток до и после изготовления перфорационных отверстий (репрезентативная выборка), определяют для этих выборок средние и среднеквадратические отклонения частот и вычисляют поправку Δf, которую прибавляют к частоте собственных колебаний каждой лопатки, (поставляемой на двигатель), полученной до изготовления перфораций на поверхности лопатки, и записывают суммарную величину частоты в дело двигателя. Технический результат: обеспечение возможности достоверного определения форм и частот собственных колебаний рабочих лопаток газотурбинных двигателей.

Способ измерения поперечной вибрации и угловой вибрации, способ измерения крутильной вибрации и ротодинамическая машина // 2539719

В примерных вариантах выполнения поверхность вращающегося элемента снабжена опорной фазовой меткой и несколькими дополнительными метками. Бесконтактный датчик приближения обнаруживает прохождение как опорной фазовой метки, так и дополнительных меток по мере их прохождения через зону обнаружения. Генерируется как опорный фазовый сигнал, так и опорный сигнал вибрации, и эти сигналы используются для расчета поперечной и угловой (и при необходимости крутильной) вибрации вращающихся элементов. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

Способ и устройство для анализа колебаний, а также база данных образов для них и применение базы данных образов // 2545501

Изобретение относится к способу и устройству для анализа акустической эмиссии. Способ анализа колебаний или акустического анализа детали, заготовки и/или инструмента для определения надежности работы и/или качества обработки, при котором регистрируют и обрабатывают колебания, возникающие во время использования и/или при контроле детали, заготовки и/или инструмента. При этом регистрируют и анализируют колебания или звуки, сохраняют колебательный спектр, включающий упомянутые колебания или звуки, для формирования многомерных данных, по меньшей мере, в трехмерном пространстве с координатами, выбранными из группы: время, частота колебаний или звука, амплитуда колебаний или звука. При этом данные подвергают многомерному, в частности трехмерному, анализу, включающему в себя сравнение упомянутых многомерных данных с эталонными данными для определения отклонения между ними, а колебательный спектр регистрируют и/или анализируют высокочастотно, в частности в диапазоне частот от 200 кГц до по меньшей мере 100 МГц. Технический результат заключается в возможности анализа акустической эмиссии непрерывно и в реальном времени. 3 н. 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

Способ и устройство для мониторинга крутильных колебаний вращающегося вала турбинного двигателя // 2559131

Группа изобретений относится к измерительной технике, в частности к средствам измерений крутильных колебаний. Способ содержит этапы, на которых получают колебательный сигнал ускорения от акселерометра, расположенного на неподвижной детали турбинного двигателя, оценивают частотный спектр колебательного сигнала, ищут пару спектральных линий с амплитудами, превышающими, по меньшей мере, первый порог. Причем линии распределены в спектре с обеих сторон от несущей частоты колебательного сигнала и отстоят от нее на частоту крутильных колебаний вала. Затем выполняется этап, на котором оценивают сигнал огибающей колебательного сигнала, этап на котором оценивают частотный спектр сигнала огибающей, этап поиска, на котором осуществляют поиск, по меньшей мере, одной спектральной линии в спектре сигнала огибающей, амплитуда которого превышает второй порог, и который существует на величине, кратной частоте крутильных колебаний вала; и этап, на котором оценивают уровень достоверности, связанный с предупреждающим сообщением, как функцию результата этапа поиска. В случае необходимости выдают предупреждающее сообщение. Устройство содержит акселерометр, средство приема колебательного сигнала от акселерометра, средство оценивания частотного спектра, средство поиска спектральных линий, средство оценивания сигнала огибающей, средство оценивания частотного спектра, средство оценивания уровня достоверности, средство выдачи предупреждения. Технический результат - устранение риска разрушения вала. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

Способ проверки адресности стыковки трубопроводов системы наддува баков жидкостных ракет шахтного базирования // 2561798

Изобретение относится к метрологии, в частности в способам измерений амплитуды колебаний в твердых телах путем непосредственного контакта с детектором. Способ проверки адресности стыковки трубопроводов системы наддува баков жидкостных ракет шахтного базирования включает создание колебательного сигнала в части трубопровода, находящейся в аппаратурном отсеке, прием его в части трубопровода, находящейся в шахтной пусковой установке. После приема сигнала на части трубопровода, находящейся в шахтной пусковой установке, определяют правильность адресности стыковки по максимальной величине амплитуды колебаний на трубопроводах. Установка для диагностики правильности стыковки трубопроводов содержит исследуемые трубопроводы, электромеханический возбудитель колебаний, портативный виброметр, гермопереход между аппаратурным отсеком и шахтной пусковой установкой. Технический результат - повышение безопасности при проведении диагностики. 1 ил.

Способ вибродиагностики печатных узлов // 2566611

Изобретение относится к вибрационной метрологии, в частности к средствам вибродиагностики печатных узлов. Способ вибродиагностики предполагает жесткое крепление печатного узла в месте его размещения, встраивание вибродатчика и излучателя гармонических синусоидальных колебаний (виброэмулятора) непосредственно в печатный узел на стадии его разработки, вибровоздействие на печатный узел подачей гармонических синусоидальных колебаний на виброэмулятор, снятие амплитудно-частотных характеристик (АХЧ) с вибродатчика, определение резонансных частот и соответствующих им дефектов. При этом диагностика осуществляется в процессе эксплуатации печатного узла. При выполнении измерений в блоке предварительной обработки программного комплекса цифровой обработки сигналов (ЦОС) полученные значения АХЧ интерполируют и приводят к единой частотной сетке. Технический результат - сокращение времени диагностики. 2 ил.

Способ формирования последовательности импульсных сигналов // 2574358

Изобретение относится к способу формирования последовательности импульсных сигналов, используя процессор, в частности, для системы калибровки системы измерения синхронизации венцов в турбомашине или другом вращающемся оборудовании. Техническим результатом является обеспечение возможности калибровки системы измерения синхронизации венцов в турбомашине. Способ содержит этапы, на которых: сохраняют множество элементов времени ожидания в блоке памяти, создают импульсный сигнал в блоке вывода сигнала во время по меньшей мере одного цикла процессора, считывают элемент времени ожидания из упомянутого блока памяти, создают нулевой сигнал в упомянутом блоке вывода сигнала для множества циклов процессора, полученных из упомянутого считанного элемента времени ожидания, подают сигналы, созданные в упомянутом блоке выходного сигнала для каждого цикла, в цифроаналоговый преобразователь и повторяют этапы создания импульсного сигнала, считывания элемента времени ожидания и создания нулевого сигнала для каждого импульсного сигнала в последовательности импульсных сигналов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Устройство и способ контроля ротора // 2586395

Изобретение относится к области контрольных устройств для контроля роторов турбин. Заявлены контрольное устройство для контроля ротора турбины, способ контроля ротора турбины, ступень турбины, турбинный двигатель. Заявленное контрольное устройство содержит акустический датчик и звуковой волновод для связи упомянутого акустического датчика с точкой считывания, близкой к упомянутому ротору турбины; акустический датчик выполнен с возможностью обнаружения, в качестве звуковых волн, колебаний давления, обусловленных разницами давления между сторонами низкого и высокого давления лопаток ротора, по мере того как они перемещаются мимо, вблизи от упомянутой точки считывания. Техническим результатом является обеспечение контроля роторов турбины, которые имеют большое число лопаток. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

Устройство и способ измерения времени прохождения вершин лопаток в турбомашине // 2593427

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам контроля лопаток турбин компрессора. Устройство содержит емкостный датчик, установленный на корпусе перпендикулярно к траектории прохождения вершин лопаток подвижного рабочего колеса. Датчик представляет собой продолговатый электрод, закрепленный на внутренней стороне корпуса и ориентированный по диагонали относительно траектории вершин лопаток таким образом, чтобы проходить вдоль оси вращения рабочего колеса поперек траекториям кромок лопаток. При этом расположенный ниже по потоку конец электрода смещен по окружности относительно его расположенного выше по потоку конца в том же направлении, что и задние кромки лопаток относительно передних кромок лопаток. На основе изменения электрической емкости во времени и соответствующего сигнала определяют время прохождения лопаток. Технический результат - повышение точности контроля. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

Способ обнаружения предшествующего признака и устройство обнаружения предшествующего признака скачкообразного движения и способ волочения в холодном состоянии трубы или трубки с применением способа обнаружения предшествующего признака // 2603398

Изобретение относится к области волочения трубы в холодном состоянии. Технический результат - повышение качества трубы. Способ включает: этап измерения усилия, прилагаемого к стержню для удерживания оправки в направлении волочения и этап обнаружения предшествующего признака скачкообразного движения на этапе перед возникновением скачкообразного движения на основе величин измерения усилия, полученных на этапе измерения усилия. Причем этап обнаружения предшествующего признака включает этап частотного анализа величин измерения усилия, полученных на этапе изменения усилия в заданной полосе частот, и этап оценки возникновения предшествующего признака скачкообразного движения, когда пиковая интенсивность частотного спектра, полученного посредством частотного анализа, превышает заданное опорное значение. 3 н.п. ф-лы, 6 ил.