ВИБРОСТЕНД Российский патент 1998 года по МПК G01M7/06 

Изобретение относится к вибрационной технике, а именно к испытательным вибростендам, позволяющим моделировать процессы, происходящие в различных средах, например упругих, сыпучих и т.д., под влиянием вибрации (по двум и/или трем координатам), и их исследования.

Известен электродинамический вибрационный стенд, обеспечивающий возбуждение объекта по трем ортогональным осям и содержащий платформу, выполненную в виде куба или в виде трех жестко скрепленных взаимно перпендикулярных стенок, которые своими внешними поверхностями через передаточные узлы присоединяются к трем столам электровозбудителей, создающих вибрацию вдоль осей X, Y, Z (Дзенкевич В.И., Степанов В.И. Вибрационные стенды. - Сборник "Вибрационная техника". - М., Московский дом научно-технической пропаганды, 1976, 100 с.).

Однако это устройство обладает сложностью и громоздкостью конструкции, имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. число степеней свободы его равно трем.

Известен двух (трех) координатный вибростенд, содержащий вибровозбудители, установленные по взаимно перпендикулярным направлениям, платформу для установки испытуемого изделия, выполненную в виде параллелепипеда, и узлы соединения платформы со столом вибровозбудителя, каждый из узлов соединения включает два установленных соосно соответствующему вибровозбудителю упорных кольца, одно из которых закреплено на платформе, а другое - на столе вибровозбудителя, обойму с шариками, размещенную между упорными кольцами, и установленные внутри упорных колец электромагнитный и ферромагнитный диск, которые прикреплены соответственно к столу вибровозбудителя и платформе через магнитоизолирующие прокладки (А.с. СССР N 1035445, кл. G 01 M 7/00).

Данный вибростенд имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. осуществляет колебания по трем степеням свободы.

Известен трехкоординатный динамический испытательный стенд, кинематическая схема которого включает три вибровозбудителя, два из которых переходными штангами с шаровыми шарнирами соединены с платформой и универсальным шарниром Гука, связанным с третьим возбудителем (Власенков В.М., Тишакова Н.В. Трехкоординатный динамический испытательный стенд. - Вибрационная техника. Материалы семинаров - М., Московский дом научно - технического просвещения, 1988, c. 10 - 11). Этот вибростенд имеет шесть степеней свободы, но он неточен в передаче гармонических колебаний, так как связь линейных перемещений штоков вибраторов с движениями платформы носит нелинейный характер.

Наиболее близким из аналогов является трехкоординатный вибростенд, содержащий три электродинамических вибратора, установленные по взаимно перпендикулярным направлениям, платформу для установки испытуемого объекта, выполненную в виде параллелограмма, и узлы соединения платформы со столами вибраторов, включающие каждый расположенные в корпусе упругие элементы, обладающие высокой жесткостью в направлении передаваемой вибрации и малой жесткостью в перпендикулярных направлениях. Каждый из узлов соединения снабжен расположенным в корпусе диском, который жестко связан со столом вибратора посредством штока и размещен между упругими элементами, а последние выполнены в виде тонкослойных резинометаллических шайб, зажатых между диском и противоположными поверхностями корпуса, прикрепленного к платформе (А.с. СССР N 849030, кл. G 01 M 7/00).

Функциональные возможности вибростенда ограничены тремя степенями свободы.

Все известные вибростенды имеют предельно малые допустимые перемещения в узлах соединения платформы с вибровозбудителями, а, следовательно, малый диапазон виброперемещений, громоздки, дорогостоящи, сложны в изготовлении.

Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей вибростенда, повышение точности воспроизведения вибраций.

Это достигается тем, что вибростенд имеет по четыре электродинамических вибратора, расположенных у каждого вертикального ребра платформы, выполненной в виде прямоугольного параллелепипеда. Оси вибраторов перпендикулярны соответствующим граням платформы. Каждому вибратору с противоположной грани платформы установлен соответствующий вибратор так, что оси вибраторов находятся на одной прямой, а их подвижные части направлены навстречу друг другу. Эти вибраторы подключаются в противофазе. Подключение может быть выполнено последовательно или параллельно. Упругий элемент, выполненный в виде стержня, соединяет платформу с подвижной частью вибратора, с которой связан жестко, и обладает высокой жесткостью в направлении передаваемых вибраций и малой жесткостью в перпендикулярных направлениях.

Попарное расположение вибраторов с противоположных граней платформы так, что их подвижные части направлены навстречу друг к другу, а оси находятся на одной прямой и их возбуждение в противофазе позволяет вибраторам поочередно толкать платформу и тянуть ее на себя. Соответственно упругий элемент толкающего вибратора работает на сжатие, а тянущего вибратора на растяжение. Жесткость упругого элемента в продольном направлении при его растяжении на несколько порядков превышает жесткость этого элемента в поперечном направлении, что позволяет исключить влияние вибраторов, находящихся во взаимно перпендикулярных направлениях друг на друга. Высокая жесткость упругого элемента на растяжение позволяет повысить точность передачи колебаний от вибратора к платформе.

На фиг. 1 схематично изображен один из углов платформы стенда, на фиг. 2 схематично представлен вид вибростенда сверху, на фиг. 3 схематично представлен вид вибростенда спереди, на фиг. 4 изображена электрическая принципиальная схема последовательного соединения восьми пар вибраторов, каждый из которых в паре установлен с противоположной грани платформы так, что его подвижная часть и подвижная часть противоположного ему парного вибратора направлены навстречу друг другу, а оси вибраторов расположены на одной прямой, на фиг. 5 - электрическая принципиальная схема параллельного соединения этих же вибраторов.

Вибростенд содержит платформу 1 в виде прямоугольного параллелепипеда, шестнадцать электромагнитных вибраторов 2, которые расположены по четыре у каждого вертикального ребра платформы 1 (фиг. 1). Каждому вибратору 2 соответствует расположенный с противоположной грани платформы 1 другой такой же вибратор 2 (фиг. 2, 3), подвижные части 3 этих вибраторов 2 направлены навстречу друг другу, а оси расположены на одной прямой, эти вибраторы 2 возбуждаются в противофазе (фиг. 5). Каждый вибратор 2 соединен с платформой 1 упругим элементом 4 (фиг. 1), у которого высокая жесткость в направлении передаваемых вибраций и малая в перпендикулярном направлении.

Вибростенд работает следующим образом. Электродинамические вибраторы 2 управляются электрическими сигналами , где a - соответствует оси координат, параллельно которой расположены оси вибраторов (фиг. 1), i = 1,2,3,4 - номер вертикального ребра, возле которого находятся вибраторы (нумерация по часовой стрелке начиная с левого верхнего угла), j = 1,2 - номера противоположных вибраторов, работающих в паре. Так пара электродинамических вибраторов 2, с управляющими напряжениями и (фиг. 2,3), при их последовательном (фиг. 4а) или параллельном (фиг. 5а) противофазном включении управляется напряжением . Пара электродинамических вибраторов 2, с управляющими напряжениями (фиг. 2,3), при их последовательном (фиг. 4б) или параллельном (фиг. 5б) противофазном включении управляется напряжением . Аналогично, для пары электродинамических вибраторов 2 с напряжениями (фиг. 2,3) управляющее напряжение (фиг. 4в, 5в); пара электродинамических вибраторов 2, с управляющими напряжениями (фиг. 2,3) управляется напряжением (фиг. 4г, 5г); пара электродинамических вибраторов 2, с управляющими напряжениями (фиг. 2,3) управляется напряжением (фиг. 4д,5д); пара электродинамических вибраторов 2, с управляющими напряжениями (фиг. 2,3) управляется напряжением (фиг. 4е,5е); пара электродинамических вибраторов 2, с управляющими напряжениями (фиг. 2,3) управляется напряжением (фиг. 4ж,5ж); пара электродинамических вибраторов 2, с управляющими напряжениями (фиг. 2,3) управляется напряжением (фиг. 4з,5з).

Вибраторы 2, оси которых лежат в плоскости координат X, Y, управляют движением платформы в горизонтальной плоскости.

Управление осуществляют посредством электрических сигналов (фиг. 4,5). В случае если сигналы , поступающие на вибратор 2 синфазны, то платформа 1 совершает поступательные колебания вдоль оси X. Если сигналы подаются в противофазе, то платформа 1 совершает крутильные колебания вокруг оси Z.

Вышеуказанное равнозначно и для работы электродинамических вибраторов 2, на которые поступают сигналы , только в том случае, если эти сигналы синфазны, платформа совершает поступательные колебания вдоль оси Y.

При одновременном поступлении управляющих сигналов платформа совершает сложные движения в плоскости XOY, то есть каждая точка платформы при таком включении вибростенда описывает фигуры Лиссажу.

Вибраторы 2, оси которых лежат в плоскости Z, управляют движением платформы 1 в вертикальном направлении. Управление осуществляется посредством электрических сигналов . В случае, если сигналы , поступающие на вибраторы 2 синфазны, то платформа 1 совершает поступательные колебания вдоль оси Z. Если сигналы находятся в противофазе сигналам , то платформа совершает крутильные колебания вокруг оси Y.

При одновременном поступлении управляющих сигналов на все электродинамические вибраторы 2 платформа совершает сложное трехмерное движение.

Рассмотрим работу заявляемого вибростенда на примере конкретного выполнения.

Для возбуждения электродинамических вибраторов 2 вибростенда использован усилитель (на фиг. не показан), содержащий три одинаковых канала усиления (X, Y, Z), обеспечивающие по триста ватт выходной мощности на нагрузке 4 Ом. Полоса рабочих частот усилителя 0 - 150 Гц. Каждый канал усилителя позволяет регулировать коэффициент усиления каждого канала независимо от других каналов. В качестве задающих генераторов (на фиг. не показаны) используются низкочастотные генераторы Г3-118, а регистрирующего устройства (на фиг. не показано) измеритель шума и вибраций ВШВ - 003 М2 с двумя пьезокерамическими датчиками ДН - 3 - М1.

Вибростенд содержит шестнадцать вибраторов 2, в качестве которых используется электродинамическая система головки динамической 75 ГДН - 4С, у которой удален диффузор и его опора. К подвижной части 3 вибратора 2 жестко прикреплен упругий элемент 4 в виде стального стержня диаметром 1,5 миллиметра длиной 250 миллиметров. Платформа представляет собой параллелепипед размером 1х1х0,01 метра, весом 7,5 килограмма. Вибраторы 2 расположены по четыре у каждого из четырех вертикальных ребер платформы 1, их оси параллельны осям координат X, Y, Z, или иначе их оси перпендикулярны граням платформы. Платформа 1 на упругих подвесах (на фиг. не показаны) подвешена к жесткой силовой раме, изготовленной из стального уголка 50х50 миллиметров.

Описанный вибростенд позволяет сообщать исследуемому объекту весом 3 килограмма, находящемуся на платформе 1, виброускорение по каждой координате до 10 м/с² в диапазоне частот до 100 Гц. При этом, возбуждая колебания в одной из трех координатных плоскостей, в два других взаимно перпендикулярных направления передается не более 5% энергии возбуждения на каждое направление, что меньше коэффициента поперечного преобразования широко применяемых при вибрационных измерениях пьезокерамических датчиков виброускорения ДН - 3 - М1.

Заявляемый вибростенд обладает шестью степенями свободы, более точным воспроизведением вибраций, а следовательно более широкими функциональными возможностями.

Вибростенд предназначен для воспроизведения пространственной вибрации при виброиспытаниях. Вибростенд содержит платформу для установки испытуемого объекта, выполненную в виде параллелепипеда, и шестнадцать электродинамических вибраторов. Подвижная часть каждого вибратора соединена с платформой стержнем, имещим высокую жесткость в направлении передаваемой вибрации и малую жесткость в перпендикулярном направлении. У каждого вертикального ребра платформы установлено по четыре вибратора, оси которых перпендикулярны соответствующим граням платформы. Вибраторы расположены попарно с противоположных граней платформы и их подвижные части направлены навстречу друг другу. Соосно установленные вибраторы каждой пары включены в противофазе, последовательно или параллельно. Вибростенд по изобретению обеспечивает воспроизведение вибрации по всем линейным и угловым координатам. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Вибростенд, содержащий электродинамические вибраторы, установленные по взаимно перпендикулярным направлениям, платформу для установки испытуемого объекта, выполненную в виде параллелепипеда, и упругие элементы, соединяющие каждый платформу с подвижной частью вибратора и имеющие высокую жесткость в направлении передаваемой вибрации и малую жесткость в перпендикулярном направлении, отличающийся тем, что у каждого вертикального ребра платформы расположено по четыре вибратора, оси которых перпендикулярны соответствующим граням платформы, при этом вибраторы каждый пары, расположенные с противоположных граней платформы, включены в противофазе, установлены соосно, их подвижные части направлены навстречу одна к другой, а каждый упругий элемент выполнен в виде стержня. 2. Вибростенд по п.1, отличающийся тем, что упомянутые вибраторы каждой пары включены параллельно. 3. Вибростенд по п.1, отличающийся тем, что упомянутые вибраторы каждой пары включены последовательно. 4. Вибростенд по п. 1, отличающийся тем, что стержни изготовлены из стали.