Вибростенд: принцип действия. Испытательные вибрационные системы Sentek Dynamics

Материал подготовил Олег Туркалов, руководитель сервисной службы испытательного оборудования turkalov@dipaul.ru

Если вы впервые приобретаете испытательную вибрационную систему и решили изучить оборудование производителя Sentek Dynamics, вас может ошеломить большой объем информации. Ассортимент вибрационных систем компании действительно чрезвычайно широк, и в этой статье мы хотим рассказать о них подробней.

Прежде всего отметим, что все наши вибростенды — электродинамические. Принцип их действия такой же, как у громкоговорителя. В проводнике с протекающим по нему током, который находится в магнитном поле, возникает сила, направленная перпендикулярно проводнику и магнитному потоку. По модулю эта сила пропорциональна силе тока, магнитному потоку и длине участка проводника, находящегося в магнитном поле. В нашем случае проводник наматывается на цилиндрическую основу (арматуру), которая входит в состав подвижной системы вибростенда, и упруго подвешиваем всю конструкцию в радиальном магнитном поле.

Рис. 1. Круглый проводник с протекающим постоянным током создает постоянное магнитное поле.

В результате на подвижную систему действует продольная сила, пропорциональная протекающему через проводник току. Система подвеса удерживает катушку в магнитном поле таким образом, что подвижная система может перемещаться на ограниченное расстояние в продольном направлении соосно корпусу вибростенда. Это расстояние называется номинальным ходом подвижной системы (виброперемещение).

В самых малогабаритных вибростендах Sentek Dynamics серий VT и MS магнитное поле создается постоянными магнитами, а в качестве системы подвеса используются упругие изогнутые пластины.

Рис. 2. Элементы магнитной цепи. Справа - подвижная система (можно видеть вертикальное расстояние между упругими пластинами) и подвижная катушка.

По конструкции эти машины напоминают громкоговоритель, только гораздо прочнее. Обычно такие вибростенды используются для модального анализа — они вырабатывают вынуждающие колебания для воздействия на конструкцию, которая держится на собственном фундаменте. То есть, как правило, они не несут на себе вес испытуемого изделия. Нередко вынуждающая сила передается на испытуемое изделие через тонкий стержень — шток, а измеряется с помощью динамометрического датчика, закрепленного между штоком и испытуемым изделием.

Если масса изделия достаточно мала, то оно может крепиться непосредственно к подвижной системе вибростенда, и тогда вибрационному воздействию подвергается все изделие в целом. В этом случае амплитуда виброперемещения ограничивается возможной деформацией упругих элементов с учетом статической деформации под весом объекта испытаний.

Рис. 3. Схематическое представление вибростенда на базе постоянного магнита. Выделены магнитная цепь и подвес подвижной системы. Редкоземельные магниты с радиальной намагниченностью, образующие кольцо между двумя полюсами из мягкого железа, создают радиальный магнитный поток через катушку подвижной системы. Два набора упругих пластин, расположенных на расстоянии друг от друга по оси подвижной системы, удерживают последнюю в центре зазора, обеспечивая при этом подпружиненный осевой ход. Такая конструкция жестко сопротивляется поперечному поступательному перемещению и любым вращениям.

Рис. 4. Типичные вибростенды на базе постоянных магнитов: MS (слева) и VT (справа).

Компания Sentek Dynamics предлагает две серии вибростендов на базе постоянных магнитов. Вибростенды серии MS оптимизированы в расчете на крепление испытуемого изделия к штоку и в основном предназначены для выполнения модального анализа. Вибростенды серии MS выдерживают длительный постоянный ток подмагничивания и могут дополнительно оснащаться функцией автоматического центрирования подвижной системы (AAC), которая поддерживает натяжение штока, прикрепленного к датчику на испытуемом изделии, с помощью постоянного подмагничивания. Вибростенды серии VT допускают использование штока, но также оснащены небольшим круглым столом, предназначенным для мелких тестируемых образцов. Эти вибростенды рекомендуются для учебного и лабораторного применения (калибровка/поверка датчиков и т. д.). Компактная серия VT характеризуется более высокой максимальной рабочей частотой в сравнении с серией MS. Вибростенды Sentek Dynamics на базе постоянных магнитов обеспечивают амплитуду вынуждающей силы на гармоническом сигнале от 20 до 1000 Н при номинальном ходе подвижной системы (амплитудное значение виброперемещения) от ±4 до ±12,5 мм. Масса этих вибростендов составляет от 2 до 62 кг.

Все вибростенды серий MS и VT жестко монтируются на цапфе, которая представляет собой простую опорную конструкцию, позволяющую ориентировать вибростенд вертикально, горизонтально или под промежуточным углом. При желании вибростенд можно отсоединить от цапфы, если требуется более низкая вертикальная установка или предполагается смонтировать вибростенд серии MS на амортизаторах либо подвесе другого типа. Для этих вибростендов предлагаются разнообразные варианты комплектации, включая вентилятор для охлаждения в непрерывном режиме работы на больших мощностях.

Вибростенды серий VT и MS — основополагающие элементы оборудования любой лаборатории шумовых и вибрационных испытаний. Эти малогабаритные системы поставляются в комплекте с соответствующим линейным усилителем серии LA производства компании Sentek Dynamics. Как правило, они используются в сочетании с цифровым анализатором сигналов для модального анализа и определения других вибрационных характеристик или с системой управления вибрацией и контрольным акселерометром для проверки продукции на соответствие техническим условиям по схеме с обратной связью. Система управления вибрацией или цифровой анализатор сигналов вырабатывают требуемый сигнал возбуждения, который подается на вход усилителя. Сильноточный сигнал с выхода усилителя, подаваемый на катушку подвижной системы вибростенда, вызывает ее перемещение и, соответственно, вибрационное воздействие на испытуемое изделие. Усилители серии LA представляют собой истинные усилители мощности, предназначенные для высокоточного возбуждения низкоомных катушек вибростендов серии MS и VT. Они характеризуются большим выходным током, низким уровнем искажений, высоким отношением сигнал/шум и широкой полосой пропускания. Всего в серии LA предлагается пять моделей усилителей с выходной мощностью 100, 200, 500, 800 и 1500 Вт. Усилитель LA-100 оборудован встроенным генератором синусоидальных колебаний.

Остальную часть ассортимента Sentek Dynamics составляют более крупные и мощные виброустановки, специально предназначенные для испытаний на воздействие внешних факторов. В таких установках тестируемое изделие крепится непосредственно к столу подвижной системы вибростенда и полностью подвергается вибрационному воздействию целиком под управлением многоканальной системы управления вибрацией, например Crystal Instruments серии Spider80X. Системы этого типа способны надежно испытывать образцы методом случайной вибрации, гармонической вибрации с качанием частоты или импульсным динамическим воздействиям согласно требованиям любой нормативной документации для испытаний изделий военного и/или гражданского назначения.

Рис. 5. Схематическое представление электромагнитного вибростенда, в котором выделены магнитная цепь и система пневморазгрузки (ILS). Два магнитных потока складываются в месте расположения подвижной катушки, за счет чего уменьшается рассеяние магнитного потока вблизи испытуемого изделия. Система пневморазгрузки обеспечивает малую жесткость с нулевым статическим отклонением. Направляющая система, расположенная под подвижной катушкой, предотвращает раскачку подвижной системы в случае, если испытуемое изделие смещено от центра.

Чем больше размеры вибростенда, тем труднее на практике получить необходимое значение постоянной индукции подмагничивания с помощью постоянных магнитов. В вибростендах, предназначенных для испытаний на воздействие внешних механических факторов, она вырабатывается электромагнитными катушками, возбуждаемыми стабилизированным постоянным током. Как и в конструкциях на базе постоянных магнитов, эти катушки с аксиальной намоткой в совокупности с полюсами из мягкого железа сосредоточивают радиальное магнитное поле в подвижной катушке, чье вибрационное перемещение возбуждается переменным током. Чтобы свести к минимуму рассеяние магнитного потока вблизи стола вибростенда (в верхней части подвижной системы), используются две аксиальные катушки. За счет сложения двух магнитных потоков мощное вынуждающее радиальное магнитное поле (и воздушный зазор, в котором перемещается подвижная катушка) располагаются ниже в железном корпусе вибростенда. Тем самым значительно снижается магнитный поток рассеяния через испытуемое изделие и контрольно-измерительную аппаратуру, в случае необходимости так же устанавливают катушку размагничивания для полной компенсации магнитного поля в зоне установки испытуемого изделия.

Вибростенды предназначены для испытания изделий различных размеров — от небольших до крупных и тяжелых. Поэтому в их систему подвеса встроена система пневморазгрузки (ILS) на базе пневмопружины, удерживающей вес испытуемого изделия пока подвижная система находится в среднем положении. Эти манжетоподобные пневмопружины наполняются сжатым воздухом. Давлением в диапазоне от 0,2 до 0,6 МПа подвижная система удерживается в середине диапазона хода, если масса испытуемого изделия не превышает номинально допустимую статическую нагрузку системы. В любом вибростенде Sentek Dynamics сжатый воздух может закачиваться вручную через клапан с контролем положения подвижной системы по индикатору среднего положения. Дополнительно предлагаемый модуль автоматического центрирования подвижной системы (AAC) обеспечивает автоматическую установку подвижной системы в середину диапазона хода (среднее положение). Блокировка сверхперемещения предотвращает перемещение подвижной системы за пределы расчетного диапазона хода, прерывая поступающий с усилителя сигнал возбуждения до тех пор, пока не будут внесены необходимые коррективы.

В вибростендах с вынуждающей силой более 3 кН дополнительный модуль автоматического центрирования выполняет центрирование в двух режимах: Статическое центрирование — автоматическое регулирование давления в системе пневморазгрузки. При изменении статической нагрузки на стол клапаны пневморазгрузки закачивают или откачивают воздух из камеры, соединенной с пневмопружиной, меняя внутреннее давление для удержания подвижной системы в среднем положении по вертикали. Динамическое центрирование — точная настройка среднего положения подвижной системы (например, в ответ на изменение температуры) в ходе испытания. Динамическое центрирование осуществляется путем добавления постоянного тока подмагничивания в сигнал подвижной катушки. Модуль автоматического центрирования особенно желателен там, где приходится часто испытывать изделия с существенными различиями по массе.

Система пневморазгрузки работает как мягкая механическая пружина с преднагружением на незакрепленном конце, компенсируя вес испытуемого изделия. Необходимое рабочее давление пропорционально массе испытуемого изделия (вместе с крепежом). Жесткость пневмопружины также прямо пропорциональна внутреннему давлению в ней и обратно пропорциональна ее внутреннему объему. Следовательно, собственная частота нагруженной подвижной системы на подвесе является константой и не зависит от приложенной нагрузки. Дополнительный объем воздушной камеры, соединенной с пневмопружиной, снижает результирующий коэффициент жесткости пружины, тем самым расширяя полезный диапазон частот вибростенда.

Рис. 6. Верхний подвес типа «роликовая ферма», применяемый в вибростендах с номинальным ходом до 51 мм, имеет четыре упругих элемента.

Рис. 7. Звено качения типа «восьмерка», применяемое в вибростендах с большим номинальным ходом — полностью металлическое.

Упругие пластины, удерживающие вес ненагруженной подвижной системы, больше не нужны, но необходима структура, способная обеспечивать соосность подвижной системы полюсам, в зазоре между которыми перемещается подвижная катушка. Это делается с помощью подвесов, расположенных над подвижной катушкой и под ней. В зависимости от номинального хода вибростенда подвижная система центрируется посредством упругих элементов или металлических направляющих качения. Нижний подвес обрамляет квадратный направляющий штырь, контактирующий с подвижной системой через четыре подвижных ролика. Все элементы этих подвесов регулируются по мере износа и легко заменяются.

Рис. 8. Квадратный направляющий штырь нижнего подвеса, пневмопружина, воздушная камера и круглая пластина для крепления к основанию. Штырь крепится к подвижной системе винтом.

Рис. 9. Нижние направляющие ролики, которые обрамляют направляющий штырь, удерживаются кольцом, прикрепленным к внутреннему полюсу.

Крупные и мощные вибростенды выделяют больше тепла. В этих условиях первоочередное значение приобретает охлаждение вибростенда, особенно для длительной работы при больших вынуждающих силах. Вибростенды Sentek Dynamics с вынуждающей силой менее 65 кН имеют принудительное дистанционное охлаждение вентилятором. Воздух комнатной температуры всасывается в вибростенд через кожух, в который заключен стол вибростенда. Поток воздуха через рабочий зазор охлаждает подвижную катушку и катушки подмагничивания, а также отводит тепло от железных элементов конструкции. Воздух всасывается в промежуточную камеру в нижней части вибростенда и затем подается по гибкому шлангу на вентилятор. Вентилятор может монтироваться за пределами рабочего пространства, чтобы минимизировать шум и циркуляцию нагретого воздуха. Система блокировки отключает вибростенд, если вентилятор нагнетает недостаточно воздуха в вибростенд.

Рис. 10. Типичный вибростенд с малой вынуждающей силой.

Вибростенды серий H, P и E — самые мощные установки Sentek Dynamics с пиковой вынуждающей силой от 65 до 400 кН. Эти крупногабаритные вибростенды оборудуются системой водяного охлаждения. Подвижную систему опоясывает плоская охлаждающая трубка, а в цилиндрическом корпусе имеются отлитые каналы водяного охлаждения. Каждый вибростенд оснащен системой охлаждения, в которой в качестве теплоносителя используется дистиллированная вода, отводящая тепло из вибростенда наружу. Размер системы охлаждения выбирают в соответствии с габаритами вибростенда. Система содержит два теплообменника, два насоса и один двухсекционный бак для дистиллированной воды. По двум внутренним замкнутым контурам охлаждения дистиллированная вода поступает в подвижную систему и на катушки подмагничивания.

Одна пара теплообменник/насос обеспечивает подачу воды в контур подвижной системы, а другая — в контур подмагничивания. По наружному контуру тепло, отведенное из внутренних контуров, поступает во входной источник необработанной воды (обычно из расположенной на удалении холодильной установки). Давление воды в контурах подвижной системы и подмагничивания контролируется датчиками, как и давление необработанной воды на входе. Если значение какого-либо из этих параметров превышает установленные пределы, срабатывает звуковая сигнализация и усилитель отключается.

Рис. 11. Типичная виброиспытательная система с большой вынуждающей силой, оснащенная системой водяного охлаждения. В состав системы входят вибростенд и скользящий стол на едином основании, установленные на пневмоопоры.

Усилитель для электродинамического вибростенда в действительности выполняет целый ряд функций:

• усиливает сигнал возбуждения от внешней системы управления вибрацией и подает усиленный сигнал на подвижную катушку;

• вырабатывает стабилизированный постоянный ток для питания катушек подмагничивания;

• обеспечивает трехфазное питание вентилятора;

• поддерживает безопасные и упорядоченные включение и выключение виброиспытательной системы;

• контролирует защитные блокировки и мгновенно реагирует надлежащим образом на их срабатывание;

• отображает состояние системы;

• обеспечивает удержание подвижной системы в среднем положении в статическом и динамическом режимах (при использовании дополнительного модуля автоматического центрирования).

Усилители Sentek Dynamics серии PA имеют модульную конструкцию и охлаждаются воздухом. Возбуждение подвижной катушки обеспечивается цифровым импульсным усилителем (класса D), который состоит из нескольких параллельно соединенных модулей мощностью по 12 кВ·А, питающихся от отдельного источника постоянного тока. Каждый такой модуль, в свою очередь, состоит из двух независимых подмодулей мощностью по 6 кВ·А. Данная модульная конструкция обеспечивает высокоэффективное распределение нагрузки между всеми импульсными полевыми МОП-транзисторами с T-образным каналом, а также упрощает обслуживание в процессе эксплуатации и наращивание мощности. Полевые МОП-транзисторы, работающие на частоте 100 кГц, поддерживают высокую разрешающую способность, линейность и точность воспроизведения сигнала. Усилители серии PA предлагаются в модификациях с номинальной мощностью до 480 кВ·А и имеют КПД выше 90%, за счет чего минимизируется тепловыделение. Sentek Dynamics также поставляет усилители к более старым системам других производителей.

Рис. 12. SCU-200 — центр управления виброиспытательной системы.

Рис. 13. Функциональная схема импульсного усилителя класса D. Низковольтный аналоговый сигнал возбуждения от системы управления вибрацией (СУВ) усиливается до высокой мощности и подается на подвижную катушку, вызывая ее перемещение.

Усилитель серии PA служит центральным коммутационным узлом. Он питается трехфазным напряжением (обычно 360 В переменного тока) и обеспечивает питание всех остальных элементов виброиспытательной системы. В нем также располагается главная панель управления SCU-200, которая обеспечивает централизованное управление системой и отображение ее состояния. Датчики блокировки следят за тем, чтобы положение подвижной системы, а также значения всех напряжений, токов, температур и расхода воздуха от вентилятора (или параметров охлаждающей воды) находились в установленных пределах. Если в ходе испытания какой-либо из параметров выходит за установленные рамки, срабатывает соответствующая блокировка и происходит аварийное выключение вибростенда. Предусмотрена также кнопка аварийного останова. Дополнительно предлагается пульт дистанционного управления SA-100, который обеспечивает полное дистанционное управление системой и отображение ее параметров.

Каждый вибростенд Sentek Dynamics комплектуется основанием в виде цапфы. Цапфа (в западной литературе используется термин trunnion от старофранцузского trognon, что означает «ствол») — цилиндрический выступ, служащий точкой крепления и/или поворота пушки. Такое основание позволяет ориентировать вибростенд вертикально или горизонтально (для использования со столом скольжения). Цапфа обеспечивает крепление вибростенда в двух точках подобно пушке. Она снабжена зажимными болтами, с помощью которых можно закрепить вибростенд в одном из двух положений. Сочленение вибростенда и цапфы оснащено пневмоизоляторами, чтобы свести к минимуму вибрацию пола. Предлагаются и другие способы изоляции, такие как пневмоизоляционные ножки, прокладки и опоры. Вибростенды с вынуждающей силой 6 кН и выше могут быть оборудованы автоматической коробкой передач для поворота вибростенда.

Рис. 14. Автоматическая коробка передач для поворота вибростенда (предлагается дополнительно.

Вибрационные испытания в вертикальной ориентации широко распространены. Обычно для них не требуется ничего, кроме виброиспытательной системы соответствующего размера. Если нормативная документация требует испытывать изделие на воздействие вибрации в двух или трех взаимно перпендикулярных направлениях, это можно делать последовательно, каждый раз поворачивая испытуемое изделие. Вместо этого можно использовать специальные оснастки для одновременного испытания трех (или кратного трем количества) образцов, один из которых ориентирован по оси X, второй по оси Y, а третий — по оси Z. В некоторых случаях оснастка может быть слишком велика для размещения на вибростенде. Эту проблему можно решить (ценой увеличения избыточной массы) с помощью расширительного стола — платформы увеличенного размера, которая крепится болтами к столу. Sentek Dynamics может поставить нестандартные оснастки (кубическую, L-и T-образную) и расширительные головки для новых или ранее приобретенных систем.

Рис. 15-1,2. Расширительный стол и его модель, рассчитанная по методу конечных элементов.

Для испытаний в горизонтальном положении лучше всего использовать скользящий стол. Он приводится в движение вибростендом, повернутым на цапфе в горизонтальное положение, и соединяется с последним посредством штока (drive bar). Мы предлагаем скользящие столы квадратной формы в широком ассортименте размеров — со стороной от 300 до 1500 мм. Возможно также изготовление столов нестандартных размеров. Компания Sentek Dynamics предлагает два семейства скользящих столов. Бюджетные столы серии LST: магниевую пластину скольжения, которая скользит по тонкой масляной пленке на гранитной плите прецизионной шлифовки, направляемая V-образными подшипниками. Это компактные столы со встроенным гидронасосом, маслобаком и фильтром. Скользящие столы серии LST хорошо подходят для испытания изделий небольшой массы с центром тяжести, близким к поверхности стола, — например, кожуха газонокосилки.

Рис. 16. Основание LST-стола с V-образными подшипниками.

В скользящих столах серии HST, отличающихся более широкими возможностями и более высокой ценой, применяются T-образные направляющие и масло высокого давления, подаваемое из внешнего гидравлического источника питания с масляным охладителем. Они гораздо устойчивее к перевороту и потому подходят для испытания более массивных изделий, центр масс которых находится значительно выше поверхности стола — например, стоек для телекоммуникационного оборудования.

Рис. 17. Основание стола HST с T-образными направляющими.

Рис. 18. Скользящий стол, который приводится в движение горизонтальным вибростендом через шток.

Скользящие столы серий LST и HST могут поставляться как самостоятельные компоненты, совместимые с любым вертикальным вибростендом в вашей лаборатории. Юстировочные ножки на стальной платформе упрощают выверку на горизонтальность. Такое конструктивное решение обеспечивает высокий уровень гибкости и позволяет использовать ранее приобретенный вибростенд любого производителя. Более удобный вариант — заказать вибростенд и скользящий стол на едином основании. В такой конфигурации вибростенд и скользящий стол имеют общее стальное основание, позволяющее легко менять ориентацию вибростенда с горизонтальной на вертикальную и наоборот. Точное выравнивание вибростенда со скользящим столом гарантировано: достаточно повернуть вибростенд на 90° и вся конструкция плавно сместится в новое рабочее положение. Это оптимальный вариант на случай приобретения новой виброиспытательной установки.

Осталось решить один вопрос: какой из вибростендов Sentek Dynamics лучше всего подходит вам? На этот вопрос ответить всегда непросто, но хорошую службу вам сослужит одно простое правило: чем больше, тем лучше! Оно справедливо всегда, идет ли речь о номинальной вынуждающей силе, максимальном ускорении, номинальном ходе, диаметре стола (подвижной системы), максимальной нагрузке, полезном диапазоне частот или бюджете на установку. Завтра требования к испытаниям будут выше, чем вчера. Ничего нет хуже, чем получить ответственное задание — и при всей своей квалификации и исполнительности не справиться с ним из-за слабого оборудования.

В Sentek Dynamics создано 24 стандартных электромагнитных вибростенда в шести сериях. Чтобы подобрать систему подходящих размеров в соответствии со своими потребностями, можно обратиться к каталогу компании, в котором указаны основные технические характеристики продукции.

Впервые выбирать вибростенд для конкретного испытания или набора испытаний может быть нелегким делом. Вероятно, вам придется потратиться на переоборудование системы электроснабжения, воздушное кондиционирование, подъемно-транспортное оборудование, улучшенное освещение или очистку воздуха. Планирование новой лаборатории — задача не новая. Компания «Диполь» готова помочь вам в этом.

Официальный сайт Группы компаний "Диполь": https://www.dipaul.ru

Понравилась статья? Поставьте лайк 19

Электроника Контроль, испытания, исследования Испытания на воздействие вибрации Вибростенд Sentek Dynamics