Вибровозбудитель НТЦМ 2101 Инструкция пользователя и техническое описание

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР «МОНИТОРИНГ»

Вибровозбудитель

НТЦМ 2101

Инструкция пользователя

И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ

НижниЙ Новгород 2005

1. Основные характеристики и особенности

Особенности:		Вибровозбудитель НТЦМ2101
·  Безопорная установка с произвольной ориентацией приложения динамической силы
Основные характеристики:
·  Номинальная сила (синусоидальная, эффективное значение)	350 Н
·  Частотный диапазон	5…300 Гц
·  Габариты
диаметр	345 мм
высота	255 мм
·  Масса	48 кг
Применение:
·  Виброиспытания конструкций, анализ форм колебаний, резонансные испытания

Вибровозбудитель (тип НТЦМ 2101) предназначен как для работы в составе многоканальной системы с управлением фазовыми и амплитудными характеристиками сил отдельных вибровозбудителей, так и для работы в варианте единичного изделия.

Основное отличие и преимущество изделия перед аналогами – возможность его установки в произвольной ориентации и, как следствие, возможность приложения переменной силы к конструкции в произвольном направлении. Данная возможность обеспечивается за счет использования скольжения подвижной массы вибровозбудителя относительно основания, закрепленного на конструкции.

Конструкция вибратора обеспечивает номинальную переменную силу в диапазоне частот от 5 до 300 Гц. Нижняя граница рабочего диапазона определяется максимально допустимым ходом подвижной части – 17 мм. Увеличение массы подвижной части (в Приложении дано описание процедуры) уменьшает нижнюю границу частотного диапазона с номинальной действующей силой. Ограничение рабочего диапазона сверху по частоте формально и определяется снижением действующей силы ниже номинальной.

Все детали изделия выполнены из материалов, обладающих высокими прочностными и антикоррозионными характеристиками, что обеспечивает изделию высокий запас надежности и долговечности. В комплект многоканальной системы вибровозбуждения входят усилители-формирователи сигналов, однако вибровозбудитель может быть использован со стандартными усилителями мощности.

2. Техническое описание

2.1. Назначение и принцип действия

Назначение

Вибровозбудитель предназначен для безопорного возбуждения вибраций крупногабаритных конструкций с целью изучения их динамических характеристик. Действующая сила прилагается в точке крепления и определяется величиной с инерционной силой подвижной части вибровозбудителя. Нижняя граница частотного рабочего диапазона для данного уровня действующей силы определяется ходом подвижной части и для номинальной силы составляет 5 Герц.

Для многоточечного возбуждения конструкции используются несколько вибровозбудителей одновременно с заданными величинами амплитуд и фаз сигналов возбуждения.

Основные конструктивные особенности вибровозбудителя: низкие рабочие частоты и возможность безопорной установки на испытуемую конструкцию.

Принцип действия

Вибровозбудитель использует электродинамический принцип создания динамической силы. Создаваемая динамическая сила является результатом взаимодействия протекающего через катушку электрического тока и магнитного поля, в котором эта катушка находится. Магнитное поле создается постоянным магнитом в подвижной части вибровозбудителя. Значение действующей на катушку силы F определяется по формуле:

F[Н] = B[Т] ∙ I[А] ∙ L[м] ,

где B – магнитная индукция, I – протекающий через катушку ток, L – длина находящегося в магнитном поле провода катушки. Такая же по величине, но противоположная по направлению сила действует на магнитную систему (магнит и магнитопровод) вибратора и приводит к колебаниям подвижной части. Направление действия сил совпадает с осью аксиальной симметрии катушки и магнитной системы, в дальнейшем для определенности будем называть это направление продольным. Под силой, развиваемой вибратором, будем иметь в виду силу при большом импедансе испытуемой конструкции, т. е. в случае неподвижной катушки.

Контроль развиваемой силы

Контроль амплитуды и фазы действующей инерционной силы осуществляется с помощью датчика ускорения, устанавливаемого в продольном направлении на подвижной части вибровозбудителя. Действующая на подвижную часть вибратора в продольном направлении сила равна произведению массы подвижной части на ее продольное ускорение, измеряемое датчиком ускорения. Масса подвижной части приведена в формуляре. На подвижной части предусмотрены места для установки датчиков ускорения.

2.2. Конструкция

Конструкция вибратора НТЦМ 2101 показана на рис.1.

Рис.1

Основными элементами конструкции вибратора являются:

·  магнитная система

·  катушка

·  система подвеса подвижной части вибратора (магнитной системы)

·  узел крепления вибратора к конструкции

·  узел защиты воздушного зазора магнитной системы от пыли

2.2.1. Магнитная система

Магнитная система (рис.2) состоит из постоянного магнита и массивного магнитопровода с кольцевым воздушным зазором. Магнитная система создает магнитное поле в воздушном зазоре, в котором находятся витки катушки с током. Ширина зазора 4 мм, магнитная индукция в зазоре составляет величину 1.2 Тесла. Магнит выполнен из сплава с использованием редкоземельных металлов.

Магнитная система является основным инерционным элементом подвижной части вибратора, обеспечивающим достижение номинальной развиваемой силы.

Рис.2

2.2.2. Катушка

Катушка с током размещается в кольцевом воздушном зазоре магнитной системы. Она предназначена для создания динамической силы и для передачи этой силы на испытуемую конструкцию. Внешний вид катушки приведен на рис.3. Катушка крепится непосредственно к узлу крепления вибратора к испытуемой конструкции. Она представляет собой многокомпонентную конструкцию из комбинации материалов. Составляющие катушки подобранны так, чтобы обеспечить ее высокую прочность, теплоотвод, теплостойкость, жесткость и долговечность.

Рис. 3

Механическая прочность катушки обеспечивается каркасом толщиной 1 мм, переходящим в массивное коническое основание. Каркас выполнен из алюминиевого сплава АМг6 с высоким запасом пластичности. Это позволяет катушке, не разрушаясь, выдерживать большие нагрузки импульсного характера. Витки катушки намотаны на каркас с внешней его стороны в два слоя медным проводом с диаметром 1 мм, число витков 96, общая длина провода 43 м.

Каркас катушки служит одновременно для отвода тепла, выделяющегося при протекании электрического тока. Намотка пропитана теплопроводящим заполнителем.

Изготовление каркаса катушки из проводящего электрический ток материала приводит к возникновению индукционных токов в каркасе. Индукционные токи приводят к увеличению активной части электрического сопротивления и дополнительному нагреву катушки. Для минимизации индуцированных токов в каркасе катушки выполнены 18 продольных разрезов, которые захватывают основание катушки. Данный вариант конструкции реализован на основе проведенных сравнительных измерений частотных зависимостей электрического импеданса и теплоотводящей способности катушек из непроводящего материала (капролона) и из дюраля с разным числом продольных разрезов (без разрезов, с 4-мя и с 12-ю разрезами). Конструкция оптимально сочетает необходимые прочностные, электро - и теплопроводящие свойства.

Разрезы закрыты вставками из стеклотекстолита. Под обмоткой каркас катушки представляет собой композитный цилиндр, обладающий высокой жесткостью и отсутствием резонансов на частотах рабочего диапазона. Прорези в основании катушки обеспечивают свободное перемещение воздуха при колебаниях подвижной системы, что способствует воздушному охлаждению. В конце прорезей выполнены отверстия, создающие преграду для роста трещин. Посадочная поверхность основания катушки выполнена с высокой точностью для обеспечения соосности катушки, деталей системы подвеса и подвижной части вибратора. Все детали катушки склеены клеем «Анатерм-206», который способен выдержать температуру 150˚С.

2.2.3. Система подвеса подвижной части

Система подвеса подвижной части призвана обеспечить нормальную работу вибровозбудителя как при опорной, так и при безопорной его установке на испытуемую конструкцию. Опорная работа вибровозбудителя (крепление подвижной части к жесткой подставке) является одним из вариантов увеличения действующей силы в низкочастотном диапазоне, также как и использование дополнительного груза, навешиваемого на подвижную часть. Однако при опорном варианте постановки, при отсутствии колебаний и протока воздуха, ухудшается вентиляция катушки и, следовательно, тепловой режим работы становится более напряженным.

Назначение системы подвеса:

·  обеспечение соосности силовой катушки и магнитной системы

·  обеспечение продольных колебаний подвижной части вибратора относительно катушки (максимальная амплитуда 8.5 мм)

·  установка подвижной части в рабочее положение в продольном направлении при установке вибратора на испытуемую конструкцию под произвольным углом ориентации продольной оси вибратора относительно вертикали (компенсация статического перемещения подвижной части за счет силы тяжести)

Состав системы подвеса

В систему подвеса входит:

·  направляющая

·  втулка скольжения

·  пружина компенсации статического продольного смещения подвижной части

·  регулируемый узел крепления пружины к направляющей

·  узел крепления пружины к подвижной части вибратора

·  ограничитель продольного перемещения подвижной части

·  ограничитель радиального перемещения подвижной части

·  ограничитель кручения подвижной части

Направляющая

Направляющая выполнена как одно целое вместе с узлом крепления и посадочным местом для крепления силовой катушки (рис.4 – направляющая и фото с моментом крепления вибровозбудителя). Внешняя поверхность направляющей служит опорной поверхностью для подвижной части вибратора в радиальном направлении, а также является поверхностью скольжения подвижной части в продольном направлении.

Рис.4

Втулка

Скольжение подвижной части вибратора по направляющей обеспечивается при помощи втулки (рис.5).

Рис.5

Втулка закреплена внутри центрального отверстия магнитной системы (рис.1,2). Втулка выполнена из фторопласта Ф4 и имеет на внутренней поверхности два рабочих участка, соприкасающихся с поверхностью направляющей. Для компенсации возникающих температурных деформаций втулка имеет продольный разрез. Это позволяет паре втулка-направляющая стабильно работать в широком диапазоне температуры окружающей среды от 0˚ до 40˚С.

Втулка обеспечивает фиксированное положение силовой катушки в воздушном зазоре в радиальном направлении (соосность катушки и магнитной системы).

Пружина

Пружина (рис.6) предназначена для компенсации статического продольного смещения подвижной части вибратора за счет силы тяжести.

Рис.6

Пружина выполнена из высококачественной пружинной стали 60С2А. Оригинальный способ крепления пружины с сопрягаемыми деталями существенно уменьшает габариты системы подвеса и вибратора в целом. Максимальная деформация пружины при колебаниях подвижной части с учетом статической деформации составляет 17 мм. Максимальная амплитуда колебаний подвижной части равна 8,5 мм.

Регулируемый узел крепления пружины к направляющей

Узел крепления пружины к направляющей состоит из ползуна (рис.7) и стержня (рис.4). На один конец ползуна навинчена пружина, другой его конец соединен с осью ползуна резьбовым соединением. Это резьбовое соединение позволяет регулировать продольное положение магнитной системы относительно катушки и выставлять ее в необходимое рабочее положение.

Рис.7

Узел крепления пружины к подвижной части вибратора

Узел крепления пружины к подвижной части вибратора состоит из корпуса и крепящегося к нему винта (рис.7). Винт завинчен в один из концов пружины. Корпус крепится к магнитной системе. Детали узла крепления выполнены из дюраля.

Ограничитель продольного перемещения

Ограничитель продольного перемещения представляет собой резиновое кольцо (рис.7), приклеенное к корпусу узла крепления пружины. Ограничитель предохраняет катушку от возможных ударов при большой амплитуде колебаний магнита.

Ограничитель радиального перемещения

Ограничитель радиального перемещения подвижной части вибратора представляет собой бронзовое предохранительное кольцо (рис.2), вклеенное в центральное отверстие магнитной системы. Это кольцо предохраняет катушку от возможных повреждений при истирании втулки.

Ограничитель кручения

Ограничитель кручения установлен на узле крепления пружины к подвижной части и представляет собой латунную пластину с отверстием специальной формы (рис.7) для предотвращения закручивания пружины и вращения подвижной системы при продольных колебаниях. На ограничителе выполнены два резьбовых отверстия для крепления датчика ускорения.

2.2.4. Узел крепления к испытуемой конструкции

Узел крепления вибратора к испытуемой конструкции выполнен как единое целое с направляющей (рис.4). Он представляет собой четырехгранную гайку 48x48 с внутренней резьбой М36х2.

2.2.5.Узел пылевой защиты воздушного зазора магнитной системы

Рис.9

Узел пылевой защиты воздушного зазора магнитной системы (рис.9) состоит из гибкого фильтра и колец крепления. Кольцами большого диаметра фильтр крепится к магнитной системе (рис.1), а подвижными кольцами малого диаметра – к катушке. Фильтр предотвращает загрязнение кольцевого воздушного зазора магнитной системы. Изготовлен он из эластичной резины. В резине имеются шесть отверстий, закрытых тонкой капроновой тканью, через которые воздух практически беспрепятственно проникает из зазора наружу. Подвижные кольца обеспечивают свободное вращение фильтра (и всей подвижной части вибратора) относительно катушки при регулировке продольного положения подвижной части вибратора.

3.  Инструкция по эксплуатации

3.1 Монтаж

Изделие крепится к конструкции при помощи резьбы М36×2 (рис.10).

Рис.10

Для облегчения монтажа изделия в случае частой его перестановки с места на место рекомендуется использовать «переходник» с накидной гайкой. Один из вариантов конструкции переходника изображен на рис.11.

Рис.11

На рис.3 обозначено: 1 – накидная гайка, 2 – винт, 3 – вибратор НТЦМ 2101. Конструкция, изображенная на рис.3, по усмотрению заказчика может быть изменена, поскольку сам переходник не входит в комплект поставки.

Для монтажа вибратора нужно выполнить следующие операции:

-  открутить контргайку 2 (рис.12);

-  установить вибратор на болт М36×2, или с помощью переходника на болт M48. Надежно затянуть соединение (рис.4);

-  вращать магнитную систему до тех пор, пока расстояние от лицевой стороны ограничительной планки 1 (рис. 5) до конца стержня 3 не станет равным 46 мм. Это расстояние измеряется гаечным ключом 4, который входит в комплект поставки (рис. 12);

-  затянуть контргайку 2, придерживая за ручку подвижную часть магнита.

Примечание:

1. Во время затяжки контргайки 2 запрещается фиксировать магнит ключом за деталь 5.

2. Во время монтажа не подносить к магнитной системе часы и предметы, которые могут быть повреждены действием магнитного поля.

Рис. 12

3.2  Подключение.

Для подключения силового провода в ближней к опоре части вибратора имеется разъем СНЦ-23 с десятью контактами. Контакты с 1 по 5 соответствуют началу катушки, с 6 по 10 концу катушки (рис.13).

Рис.13

Перед эксплуатацией изделия необходимо установить на него датчик ускорения и подключить к усилителю заряда. Для датчиков ускорения на лицевой стороне изделия имеется два отверстия с резьбой М5 (рис.14).

Рис.14

4. Эксплуатационные характеристики

4.1. Частотная характеристика удельной силы (Н/А).

При работе вибровозбудителя помимо силы электромагнитного взаимодействия на катушку и магнитную систему при их относительном перемещении действуют механические силы, которые возникают в системе подвеса магнитной системы и катушки. Эти силы обусловлены конструкцией системы подвеса и определяются конечной продольной жесткостью подвеса и внутренним трением в нем. Суммарная сила, действующая на катушку и испытуемую конструкцию, зависит не только от протекающего в катушке электрического тока, но и от механических характеристик вибратора (инерции подвижной части, упругости подвеса, конструктивных потерь в подвесе) и испытуемой конструкции. На рис.15 для иллюстрации приведена расчетная частотная зависимость развиваемой удельной силы (Ньютон/Ампер) при неподвижной катушке (сплошная кривая) для эквивалентной схемы вибровозбудителя состоящей из упруго-массовых элементов.

Возрастание удельной силы на частотах ниже 20 Гц связано с основным механическим резонансом системы подвеса, частота которого определяется жесткостью пружины и массой подвижной части вибратора и составляет величину ≈ 5,6 Гц. В области частот ниже резонанса при уменьшении частоты значение удельной силы стремится к нулю: в этом диапазоне частот действующая на катушку сила электромагнитного взаимодействия компенсируется механической силой растяжения пружины.

В диапазоне частот выше 20 Гц влияние основного механического резонанса не существенно. Значение удельной силы в этом диапазоне неизменно и равно статическому, т. е. значению при постоянном токе. Измеренное значение статической удельной силы составляет величину 37,5 Н/А.

На рис.15 приведены также экспериментальные значения удельной силы, измеренные для закрепленного на бетонной стене (точка опоры с бесконечно большим механическим импедансом) вибровозбудителя. Отличие расчетной зависимости от экспериментальных значений объясняется тем, что в расчетной модели не учтены:

- силы трения скольжения и трение покоя пары втулка-направляющая;

- индукционные токи в каркасе катушки.

По данным рис.15 следует, что для обеспечения номинального уровня силы вибровозбудителя необходим ток порядка 10 А. Ниже 20 Гц вибровозбудитель при номинальном токе развивает большую силу, которая ограничена допустимым смещением подвижной части.

Рис.15. Рис.16.

Рис.15. Зависимость удельной силы (Ньютон/Ампер) от частоты. Сплошная кривая – расчет при статической удельной силе 37.5 Н, неподвижной катушке и с учетом основного резонанса системы подвеса. Кружочки - измеренные значения для закрепленного на бетонной стене макета вибратора при токе в катушке ~5 А.

Рис.16. Зависимость реальной части электрического импеданса вибратора от частоты: кружки - эксперимент, сплошная линия – линейная аппроксимация экспериментальных данных на высоких частотах.

4.2. Тепловой режим работы вибратора

Максимально допустимое значение силы тока через катушку определяется тепловым режимом работы вибровозбудителя. Тепловой режим вибровозбудителя определяется теплом, выделяемым при протекании тока в катушке, а также индукционными токами в каркасе катушки, в направляющей и магнитной системе. Ограничивающим максимальную силу тока фактором является нагрев катушки.

Переходящая в тепло электрическая мощность, потребляемая вибровозбудителем от усилителя-формирователя сигналов, пропорциональна квадрату протекающего через катушку тока и активной части электрического импеданса вибратора. Активная часть импеданса складывается из омического сопротивления провода катушки и вносимого сопротивления, обусловленного индукционными токами, которое увеличивается с частотой. На рис.16 приведена измеренная частотная зависимость (кружочки) активной части электрического импеданса макета вибратора и аппроксимация этой зависимости (сплошная кривая) на высоких частотах.

На рис.17 приведены измеренные зависимости (кружочки) установившейся температуры катушки от силы тока в ней для двух значений частоты 50 Гц и 300 Гц. Установившаяся температура катушки пропорциональна квадрату силы протекающего в ней тока. Коэффициент пропорциональности линейно зависит от активной части импеданса вибратора. Таким образом, температура катушки T пропорциональна рассеиваемой в тепло электрической мощности T ~ I2 ∙ Ra, где I – ток в катушке, Ra - активная часть электрического входного импеданса. На основе измеренной частотной зависимости Ra(f), приведенной на рис.16, построены частотные зависимости тока в катушке при постоянной температуре катушки - 90°С и при разных значениях температуры окружающей среды - рис.18.

Рис.17. Рис.18.

Рис.17. Измеренные зависимости температуры катушки от тока (эффективного) при температуре окружающей среды 20°С для двух частот: 50Гц (белые круги) и 300Гц (черные круги), и их аппроксимации степенными функциями. Разность температур катушки и окружающей среды с достаточной точностью пропорциональна переходящей в тепло электрической мощности, равной произведению квадрата тока (эффективного) на реальную часть электрического импеданса катушки (рис.16). Это позволяет построить частотную зависимость тока, при котором температура катушки постоянна и равна заданной величине (см. рис.17).

Рис.18. Частотная зависимость тока, при котором температура катушки достигает 90°С, для трех значений температуры окружающей среды: 0, 20 и 40°С. Построена по результатам измерения зависимостей температуры катушки от тока (рис.17) и реальной части электрического импеданса катушки от частоты (рис.16).

4.3. Эксплуатационная характеристика

Максимальная развиваемая вибровозбудителем сила, во всем рабочем диапазоне частот, кроме области собственного резонанса ниже 20 Гц, определяется температурным режимом работы катушки. На рис.19 приведена эксплуатационная характеристика вибратора: зависимость максимальной развиваемой силы от частоты при установившейся температуре катушки 90°С для разных значений температуры окружающей среды. Характеристика построена по результатам анализа теплового режима работы вибровозбудителя (раздел 4.2) и анализа удельной силы (раздел 4.1). На низких частотах максимальная развиваемая сила ограничена максимально возможной амплитудой колебаний подвижной части. Эксплуатационная характеристика для низких частот приведена на рис.20.

Рис.19. Рис.20.

Рис.19. Частотная зависимость развиваемой вибровозбудителем силы (эффективной), при которой температура катушки равна 90°С. Построена по аппроксимации допустимого тока (рис.18) при величине удельной силы 37.5Н/А (рис.15).

Рис.20. То же, что и на рис.19 для низких частот. На низких частотах сила ограничена максимально возможной амплитудой колебаний X (эффективной) подвижной части вибровозбудителя и ее массой M: F=M∙ (2∙p∙f)2∙X.

5. ПРИЛОЖЕНИЕ

5.1. Снижение нижней границы рабочего частотного диапазона.

Нижняя граница частотного диапазона вибратора может быть снижена увеличением массы подвижной части. Величина дополнительной навесной массы ограничена несущей способностью пружины и должна рассчитываться из условия прочности материала пружины.

5.1.1 Расчет дополнительной массы.

Величина дополнительной массы ограничена прочностью материала пружины. Для стали 60С2А предел текучести sт=1375МПа. Значения касательных напряжений текучести по гипотезе Треска:

Допускаемые касательные напряжения при коэффициенте запаса nт=1,4, который рекомендуется для пружин вибровозбудителя:

Допускаемое значение силы растягивающей пружину (D=30мм – средний диаметр витков, d=6мм – диаметр проволоки, Kc=1,3 – коэффициент концентрации напряжений в месте зацепления пружины) определяется так:

Жесткость пружины (n=9 – число рабочих витков, G=8·1010Па - модуль сдвига):

Максимальная циклическая сила, действующая на пружину (x=8,5мм – максимальная амплитуда):

Допускаемая статическая масса магнита с грузом:

Допускаемая навесная масса:

При этом система будет иметь продольный резонанс на частоте:

5.1.2. Вариант конструкции дополнительной массы.

На (рис. 21) представлен вариант конструкции дополнительного груза для утяжеления подвижной части вибровозбудителя. Данный вариант не является обязательным, то есть пользователь может изменить его при условии не нарушения критических параметров указанных в п.5.1.

Рис. 21

Дополнительный груз состоит из обечайки и двух вставок. Груз размещается на алюминиевой части магнитопровода, и может быть использован как опорная поверхность при хранении вибровозбудителя.

5.2 Замена втулки скольжения.

При длительной работе вибровозбудителя в горизонтальном состоянии фторопластовая втулка (рис.5) может подвергаться истиранию. Расчет ресурса и ресурсные испытания данной проблемы не выявили, однако при периодической поверке (раз в два года) необходимо визуально проверять исправность системы скольжения путем разборки и при необходимости заменять деталь из ЗИП, что связано с возможным попаданием грязи на рабочие поверхности.

В конструкции предусмотрен элемент, предохраняющий вибровозбудитель от возможного повреждения при истирании втулки. Для оценки качества работы системы скольжения в процессе эксплуатации следует выполнять контроль уровня нелинейных искажений на низких частотах. Для успешной работы рекомендуется выполнить следующие операции:

1.  Выполнять проверку через каждые 100 часов работы на максимальных ходах подвижной части (что для 7 Гц составит расстояние, пройденное подвижной частью, порядка 70 км);

2.  При проверке закрепить вибровозбудитель в горизонтальном положении на жесткую конструкцию;

3.  Измерить уровень нелинейных искажений ускорения при амплитуде колебаний подвижной части порядка 5 мм на частоте 7 Гц;

4.  Если отношение уровня гармоники на частоте 14 Гц к уровню гармоники на частоте 7 Гц превысит величину -20 дБ выполнить следующие операции:

- с закрепленного в горизонтальном состоянии вибровозбудителя снять механизм регулировки рис. 7;

- отсоединить воздушный фильтр (рис. 9) от магнитопровода, вывернув 5 винтов М6;

- снять магнит с направляющей;

- заменить втулку (предварительно хорошо очистить втулку и полированную поверхность направляющей);

- осторожно установить магнит на направляющую, не повредив рабочую часть втулки;

- собрать систему;

- проверить нелинейные искажения.