Modaalisen täristimen jännitteen sisällä: moottori tarkan rakenteellisen tärinän testauksen takana

Kuinka Modal Shaker Exciter toimii

Modaalinen täristinherätin toimii ytimessä samalla periaatteella kuin kaiutinelementti, joka on skaalattu rakenteellisia kuormia varten. Tehovahvistin syöttää vaihtovirtaa magneettikentän sisällä olevaan kelaan. Virtaa kuljettavan kelan ja magneettikentän välinen vuorovaikutus synnyttää voiman ravistimen käyttöakselia pitkin Lorentzin voimasuhteen mukaisesti: voima on verrannollinen magneettivuon tiheyteen, kelan pituuteen kentässä ja syötettyyn virtaan. Koska virtaa voidaan ohjata suurella tarkkuudella, tuloksena oleva voima voidaan muotoilla puhtaaksi siniääneksi, pyyhkäisyksi, satunnaiseksi laajakaistakohinaksi tai muotoilluksi transientiksi – kumpaa tahansa viritysprofiilia testisuunnitelma vaatii.

Ankkuria, joka kantaa kelaa ja kytkeytyy testirakenteeseen käyttötangon kautta, tukee joustava ripustusjärjestelmä. Tämä jousitus pitää ankkurin keskitetysti ja estää sitä liikkumasta mihinkään muuhun suuntaan kuin aiottuun käyttöakseliin, mikä vaikuttaa suoraan siihen, kuinka "puhtaat" voimansyöttö on. Kaikki sivuttaisliikkeet tai keinuvat liikkeet aiheuttavat poikkiakselin voimakomponentteja, jotka turmelevat mitattavan taajuusvasteen funktion, joten jousituksen laatu on yksi aliarvioituimmista tehotekijöistä viritinsuunnittelussa.

Suorituskyvyn määräävät ydinkomponentit

Jokainen modaalinen ravistin-herätin , koosta riippumatta, on rakennettu samojen toimintalohkojen ympärille. Niiden yhdistämisen ymmärtäminen auttaa epäjohdonmukaisten testitietojen vianmäärityksessä tai järjestelmän määrittämisessä uudelle sovellukselle.

Kuva 1 – Modaalisen täristimen toiminnallinen ketju signaalin generoinnista testituotteen mekaaniseen ulostuloon.

Signaaligeneraattori tai ohjain tuottaa referenssiaaltomuodon ja suljetun silmukan järjestelmissä vertaa takaisinkytkentäsignaalia (tyypillisesti käyttöpisteeseen asennetusta kiihtyvyysmittarista tai voimaanturista) tavoiteprofiiliin säätämällä ohjaussignaalia reaaliajassa tarkkuuden ylläpitämiseksi. Tehovahvistin nostaa virran kelan vaatimalle tasolle – isommille ravistelijoille tämä voi tarkoittaa satoja ampeereja matalalla jännitteellä. Jäähdytysjärjestelmä, olipa kyseessä paineilmalla tai nesteellä, estää käämin ylikuumenemisen jatkuvan korkean voiman tai korkeataajuisen käytön aikana; lämpörajat ovat usein syy, miksi ravistin ei pysty ylläpitämään nimellishuippuvoimaansa jatkuvasti.

Viritystekniikoiden vertailu

Rakennetestausta hallitsee kolme viritystekniikkaa, ja jokainen vaihtoi voimakapasiteetin, taajuusalueen ja siirtymän eri tavalla.

Elektrodynaamiset yksiköt ovat edelleen yleisin valinta modaalianalyysiin, koska ne yhdistävät laajan taajuusalueen lineaariseen, ennustettavaan voiman ulostuloon ja suhteellisen yksinkertaiseen ylläpitoon. Pietsosähköiset herättimet vaihtavat voimakapasiteetin erittäin suureen kaistanleveyteen, mikä tekee niistä hyödyllisiä pienille, jäykille komponenteille, joissa resonanssit esiintyvät reilusti yli 5000 Hz. Hydrauliset virittimet uhraavat taajuusalueen kokonaan vastineeksi voimatasoista, joita elektrodynaamiset ja pietsosähköiset järjestelmät eivät voi lähestyä, minkä vuoksi ne hallitsevat rakenteellisia väsymis- ja kestävyyslaitteita modaalisen tunnistustyön sijaan.

Testin laatuun vaikuttavat keskeiset tekniset tiedot

Ravistimen virittimen valinta tai arviointi edellyttää neljän erittelyn sovittamista testikohteeseen: huippuvoima, käytettävä taajuusalue, maksimiisku ja ankkurin liikkuva massa. Minkä tahansa näistä alimittaus tuo mitattavia virheitä poimittuihin moodimuotoihin.

Kuva 2 – Edustavat huippusinivoiman vaihtelut yleisissä sähködynaamisissa ravistimen kokoluokissa.

Voiman mitoituksen on otettava huomioon enemmän kuin rakenteen staattinen massa. Resonanssissa tehollinen dynaaminen voima, joka tarvitaan ajamaan kevyesti vaimentunut rakenne mitattavissa olevaan vasteeseen, voi olla pieni murto-osa siitä, mitä tarvittaisiin vastaavan staattisen massan siirtämiseen, koska rakenne itse vahvistaa sisääntuloa lähellä luonnollisia taajuuksiaan. Kuitenkin, kun taajuus putoaa kohti pyyhkäisyn alhaista päätä, saman siirtymäamplitudin saavuttamiseen tarvittava voima kasvaa jyrkästi – siirtymä, nopeus ja kiihtyvyys liittyvät taajuustekijöihin, joten keskikaistalla sopivan kokoiselta täristimeltä voi loppua isku tai voima 5 Hz:llä. Käytännön testausinsinöörien käyttämä sääntö on mitoittaa ravistin vähintään 20 prosenttia yli lasketun pahimman tapauksen voimavaatimuksen koko taajuusalueella, ei vain odotetulla resonanssilla.

Asennus- ja kytkentämenetelmät

Se, miten viritin kytkeytyy rakenteeseen, vaikuttaa tiedon laatuun yhtä paljon kuin ravistimen omat spesifikaatiot. Käytännössä käytetään kolmea kytkentätapaa:

Stinger sauvan liitäntä — ohut, aksiaalisesti jäykkä, mutta sivusuunnassa joustava tanko yhdistää ankkurin rakenteeseen. Tämä on standardimenetelmä modaalitestaukseen, koska sauva siirtää voimaa pitkin käyttöakselia, kun taas sen taipuisuus taivuttamisessa eristää rakenteen täristimen oman jousituksen aiheuttamilta ei-toivotuilta sivuttaiskuormituksilta. Liian lyhyt tai liian jäykkä taivutettu piste saa takaisin poikkiakselin voiman; liian pitkä tai ohut voi itse resonoida testikaistanleveydellä ja vääristää mitattua voimaa.

Suora kiinnitys — käytetään, kun viritin on rakenteeseen nähden pieni tai kun erittäin korkean taajuuden työ tekee stingerin noudattamisesta mahdotonta hyväksyä; vaatii huolellista kohdistusta, koska kaikki kohdistusvirheet liittyvät suoraan rakenteeseen.

Reaktiomassa tai vapaasti vapaa suspensio - Kevyissä rakenteissa ravistin tarvitsee vakaan reaktiopisteen, joka usein saavutetaan asentamalla testituote pehmeille benji-naruille vapaasti vapaan rajatilanteen arvioimiseksi, kun taas täristin on maadoitettu itsenäiseen tärinäeristettyyn alustaan, jotta sen oma liike ei kytkeydy takaisin mittaukseen.

Tyypillisiä sovelluksia eri toimialoilla

Modaalisia täristinten herättimiä käytetään aina, kun insinöörien on määriteltävä, kuinka rakenne reagoi dynaamisesti ennen kuin se tulee käyttöön tai suunnittelumuutoksen jälkeen.

• Ilmailu- ja avaruusrakenteet: siipi- ja runkopaneelien modaalikartoitukset, satelliittikomponenttien pätevyys ja maan tärinän testaus täydessä lentokoneessa.
• Autotekniikka: valkoisen rungon jäykkyyden tarkastus, voimansiirron kiinnityksen viritys ja NVH (melu, tärinä, kovuus) vianetsintä.
• Maa- ja rakennesuunnittelu: siltojen ja rakennusten modaalitunnistus seismiseen arviointiin ja rakenteiden kunnon seurantaan.
• Elektroniikka ja kuluttajatuotteet: piirilevyn ja kotelon resonanssitestaus estämään käyttövärähtelyn aiheuttamat väsymishäiriöt.
• Pyörivä koneisto: laakeripesän ja turbiinin siiven modaalinen karakterisointi resonanssin päällekkäisyyden välttämiseksi käyttönopeuksien kanssa.

Kaikilla näillä kentillä taustalla oleva tavoite on johdonmukainen: tunnistaa resonanssitaajuudet riittävän aikaisin, jotta suunnittelumuutos on edelleen halpa, sen sijaan, että löydettäisiin resonanssiongelma sen jälkeen, kun prototyyppi epäonnistuu.

Signaaliketjun integrointi tiedonkeruun kanssa

Shaker-herätin tuottaa hyödyllistä testitietoa vain, kun se on oikein integroitu anturien ja hankintalaitteiston kanssa. Tyypillinen kokoonpano sijoittaa voima-anturin stingerin ja rakenteen väliin todellisen syöttövoiman mittaamiseksi, kun taas yksi tai useampi kiihtyvyysanturi tallentaa rakenteellisen vasteen useissa kohdissa. Molemmat signaalit syötetään tiedonkeruujärjestelmään, joka laskee taajuusvasteen funktion – vasteen ja syöttövoiman suhteen taajuudella – josta luonnolliset taajuudet, moodimuodot ja modaalivaimennussuhteet erotetaan käyränsovitusalgoritmeilla.

Suljetun silmukan ohjaus erottaa perusravistinjärjestelmän tarkkuusjärjestelmästä. Sen sijaan, että ohjain ohjaisi täristintä kiinteällä jännitesignaalilla, ohjain tarkkailee saavutettua todellista voimaa tai kiihtyvyyttä ja korjaa jatkuvasti käyttösignaalia, jotta tulo seuraa aiottua profiilia, vaikka rakenteen dynaaminen impedanssi muuttuu pyyhkäisyn yli. Ilman tätä takaisinkytkentäsilmukkaa testirakenteen resonanssit voivat aiheuttaa hallitsemattomia voimapiikkejä tai pudotuksia juuri siellä, missä tarkalla tiedolla on eniten merkitystä.

Yleiset testausvirheet ja niiden välttäminen

Useat toistuvat virheet ovat syynä useimpiin huonolaatuisiin modaalitestitietoihin:

Massalataus — raskaan kiihtyvyysanturin tai voima-anturin asentaminen kevyeen rakenteeseen siirtää sen luonnollisia taajuuksia alaspäin. Käyttämällä antureita, joiden massa on alle noin 1 prosentti paikallisesta rakenteellisesta massasta kiinnityskohdassa, tämä virhe pysyy merkityksettömänä.

Stingerin resonanssi — Testitaajuusalueella resonoiva stinger-sauva aiheuttaa väärän piikin mitattuun voimaan. Tämä vältetään pitämällä stinger lyhyenä ja varmistamalla, että sen ensimmäinen taivutustila on selvästi testikaistanleveyden yläpuolella.

Riittämättömät rajaolosuhteet — vapaasti vapaa jousitus, joka ei ole tarpeeksi pehmeä suhteessa rakenteen ensimmäiseen joustavaan muotoon, saastuttaa matalataajuiset muodot jäykällä rungon liikkeellä. Yleinen ohje on pitää jousituksen jäykän rungon taajuudet alle kymmenesosan rakenteen ensimmäisestä elastisesta tilasta.

Yliajo resonanssilla - Koska kevyesti vaimennetut rakenteet vahvistavat vastetta jyrkästi lähellä resonanssia, vakiovoimainen pyyhkäisy voi ajaa siirtymän lineaaristen rajojen yli, mikä aiheuttaa epälineaarista vääristymistä taajuusvastefunktioon. Kontrolloidun vasteen testaus, jossa säädin vähentää voimaa resonanssia lähestyttäessä, välttää tämän.

Ravistimen rungon huono maadoitus — jos ravistimen omaa kehoa ei ole eristetty tai maadoitettu riittävästi, reaktiovoimat kytkeytyvät takaisin mittausjärjestelyyn, mikä heikentää toistettavuutta testiajojen välillä.

Käyttöikää pidentävät huoltokäytännöt

Elektrodynaamiset virittimet ovat tarkkuusinstrumentteja, ja niiden pitkäaikainen tarkkuus riippuu rutiininomaisesta huollosta. Patterin lämpötilaa tulee tarkkailla pitkien testikampanjoiden aikana, koska toistuva lämpökierto nopeuttaa eristeen hajoamista. Jousituksen osat – tyypillisesti taivutus- tai rullalaakerit – kuluvat vähitellen, ja ne on tarkastettava välyksen tai epäsymmetrisen jäykkyyden varalta, koska heikentynyt jousitus on yleinen selittämättömän poikkiakselivoiman lähde, joka ilmenee kuukausia järjestelmän viimeisimmän kalibroinnin jälkeen. Stingerit ovat kulutustavaroita, ja ne tulisi vaihtaa aina, kun ne ovat taipuneet tai väsyneet, sen sijaan, että niitä käytetään uudelleen loputtomiin. Vahvistimen ja jäähdytysjärjestelmän suodattimet tarvitsevat myös säännöllistä puhdistusta, erityisesti pölyisissä teollisissa testiympäristöissä, jotta estetään ilmavirran rajoitukset, jotka johtavat lämpökatkoihin kesken testin.

Viitteet

• Ewins, D.J., "Modal Testing: Theory, Practice and Application", Research Studies Press, 2. painos.
• ISO 7626: Mekaaninen tärinä ja isku – Mekaanisen liikkuvuuden kokeellinen määritys.
• ASTM E756: Standardi testimenetelmä materiaalien tärinänvaimennusominaisuuksien mittaamiseksi.
• Rao, S.S., "Mechanical Vibrations", Pearson Education.
• McConnell, K.G. ja Varoto, P.S., "Vibration Testing: Theory and Practice", Wiley.