способ определения передаточных характеристик элементов конструкции многоканальной виброзащитной системы

Формула изобретения

Способ определения передаточных характеристик элементов конструкции многоканальной виброзащитной системы, заключающийся в том, что многоканальную виброзащитную систему, состоящую из защищаемого объекта и присоединенных к нему упругодемпфирующих элементов, устанавливают на платформы вибровозбудителей, причем каждый упругодемпфирующий элемент закрепляют на отдельном вибровозбудителе, в узлах крепления упругодемпфирующих элементов к платформам вибровозбудителей формируют случайные вибровоздействия в диапазоне рабочих частот, измеряют значения собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений в узлах крепления упругодемпфирующих элементов к платформам вибровозбудителей, а также значения взаимных спектральных плотностей реакции многоканальной виброзащитной системы и вибровоздействий, по которым определяют передаточные характеристики многоканальной виброзащитной системы, отличающийся тем, что измерение значений взаимных спектральных плотностей реакции многоканальной виброзащитной системы и вибровоздействий состоит в том, что измеряют значения взаимных спектральных плотностей ускорений в узлах соединения упругодемпфирующих элементов и защищаемого объекта и ускорений в узлах крепления упругодемпфирующих элементов к платформам вибровозбудителей, определение передаточных характеристик многоканальной виброзащитной системы состоит в том, что по всем измеренным значениям собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений определяют значения комплексных передаточных функций упругодемпфирующих элементов, а также значения комплексных передаточных функций элементов конструкции защищаемого объекта, расположенных между узлами их соединения с упругодемпфирующими элементами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытательной технике и к технике виброзащиты, а именно к способам определения передаточных характеристик многоканальных виброзащитных систем.

Известен способ определения характеристик виброизоляции многоканальных систем (а.с. СССР N 1067383, кл. G 01 М 7/00, G 01 H 1/00, 1984, бюл. N 2), заключающийся в том, что возбуждают систему абсолютно попарно коррелированными вибровоздействиями, одновременно измеряют входные параметры вибрации и реакцию системы, определяют максимальное значение функции когерентности входных вибровоздействий с параметрами реакции системы как отношение реакции системы к энергетическому спектру входного воздействия с учетом значения функции когерентности, которое является верхним значением характеристики виброизоляции, затем возбуждают систему независимыми случайными вибровоздействиями, определяют средний энергетический спектр входных вибровоздействий и определяют нижнее граничное значение характеристики виброизоляции как отношение спектра реакции к среднему энергетическому спектру входных вибровоздействий.

Известный способ позволяет получить оценки нижнего и верхнего значений характеристики виброизоляции. Однако поскольку эти оценки носят интегральный характер и отражают свойства многоканальной системы в целом, способ не позволяет определить передаточные характеристики упругодемпфирующих элементов и элементов конструкции защищаемого объекта, расположенных между узлами их соединения с упругодемпфирующими элементами, вследствие чего не удается определить вклад элементов конструкции системы в формирование общих передаточных характеристик системы. Кроме того, способ предусматривает поэтапное проведение исследований характеристик системы, что требует значительных затрат времени.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ исследования характеристик виброизоляции многоканальных систем (а.с. СССР N 1583777, кл. G 01 М 7/00, 1990, бюл. N 29), заключающийся в том, что многоканальную систему возбуждают по каждому входу вибровоздействиями, представляющими собой многомерный случайный стационарный процесс, спектральную плотность которого задают равной среднему значению элементов матрицы спектральных плотностей различных однородных эксплуатационных вибровоздействий, измеряют спектральную плотность входных воздействий и реакции системы, а также взаимные спектральные плотности реакции системы и входных вибровоздействий, по которым определяют передаточные характеристики системы по каждому входу.

Указанный способ обеспечивает определение комплексных (амплитудных и фазовых) передаточных функций системы по каждому входу, однако не позволяет определить комплексные передаточные функции ее составных частей: упругодемпфирующих элементов и элементов конструкции защищаемого объекта, расположенных между узлами их соединения с упругодемпфирующими элементами, что снижает информативность исследований и не дает возможность выработать по их результатам важные практические рекомендации по изменению свойств конструкции.

Решаемой технической задачей является повышение информативности исследований передаточных характеристик многоканальных виброзащитных систем за счет определения комплексных передаточных характеристик элементов ее конструкции: упругодемпфирующих элементов и элементов конструкции защищаемого объекта, расположенных между узлами их соединения с упругодемпфирующими элементами.

Решение технической задачи в способе определения передаточных характеристик элементов конструкции многоканальной виброзащитной системы, заключающемся в том, что многоканальную виброзащитную систему, состоящую из защищаемого объекта и присоединенных к нему упругодемпфирующих элементов, устанавливают на платформы вибровозбудителей, причем каждый упругодемпфирующий элемент закрепляют на отдельном вибровозбудителе, в узлах крепления упругодемпфирующих элементов к платформам вибровозбудителей формируют случайные вибровоздействия в диапазоне рабочих частот, измеряют значения собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений в узлах крепления упругодемпфирующих элементов к платформам вибровозбудителей, а также значения взаимных спектральных плотностей реакции многоканальной виброзащитной системы и вибровоздействий, по которым определяют передаточные характеристики многоканальной виброзащитной системы, достигают тем, что измерение значений взаимных спектральных плотностей реакции многоканальной виброзащитной системы и вибровоздействий состоит в том, что измеряют значения взаимных спектральных плотностей ускорений в узлах соединения упругодемпфирующих элементов и защищаемого объекта и ускорений в узлах крепления упругодемпфирующих элементов к платформам вибровозбудителей, определение передаточных характеристик многоканальной виброзащитной системы состоит в том, что по всем измеренным значениям собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений определяют значения комплексных передаточных функций упругодемпфирующих элементов, а также значения комплексных передаточных функций элементов конструкции защищаемого объекта, расположенных между узлами их соединения с упругодемпфирующими элементами.

Предлагаемое техническое решение удовлетворяет критериям "новизны" и "изобретательского уровня", так как предложенные отличительные признаки позволяют повысить информативность исследований передаточных характеристик многоканальных виброзащитных систем.

Термины "собственная спектральная плотность" и "спектральная плотность" являются общепринятыми и рассматриваются как эквивалентные. Однако для того чтобы избежать неоднозначного толкования терминов "спектральная плотность" и "взаимная спектральная плотность", в данной заявке вместо наиболее распространенного термина "спектральная плотность" применяется термин "собственная спектральная плотность". (См., например, Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т./ Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.).-М.: Машиностроение, 1981 - Т. 5. Измерения и испытания. -Под ред. М. Д. Генкина. 1981, с. 325.)

Сущность способа заключается в следующем.

Рассмотрим многоканальную виброзащитную систему, состоящую из защищаемого объекта и присоединенных к нему упругодемпфирующих элементов, которую устанавливают на платформы вибровозбудителей, причем каждый упругодемпфирующий элемент закрепляют на отдельном вибровозбудителе. Узлы крепления упругодемпфирующих элементов к платформам вибровозбудителей будем называть входами системы, а узлы соединения упругодемпфирующих элементов и защищаемого объекта - выходами. С помощью вибровозбудителей к входам многоканальной виброзащитной системы прикладывают случайные вибровоздействия в диапазоне рабочих частот, реакции системы измеряют на ее выходах.

Измеряемыми параметрами вибровоздействий и реакций системы являются ускорения, совершаемые точками конструкции многоканальной виброзащитной системы в узлах крепления упругодемпфирующих элементов к платформам вибровозбудителей и в узлах соединения упругодемпфирующих элементов и защищаемого объекта соответственно. Измерения значений собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений осуществляют в полосах частот рабочего диапазона, число которых равно М.

Рассмотрим систему, имеющую L входов и N выходов, тогда, поскольку каждый вход связан упругодемпфирующим элементом с одним выходом, L = N. Пусть C_mnl - значение комплексной передаточной функции упругодемпфирующего элемента, соединяющего l-й вход системы с n-м выходом, полученное в результате усреднения этой функции по m-й полосе частот, (Далее, для краткости значение усредненной по полосе частот какой-либо функции будем называть значением этой функции в этой полосе частот.) Применяя известные соотношения (см., например, Дж. Бендат, А. Пирсол. Применение корреляционного и спектрального анализа. - М.: Мир, 1983), определим C_mnl как отношение значения взаимной спектральной плотности ускорения в n-м выходе и в l-м входе в m-й полосе частот к значению собственной спектральной плотности ускорения в l-м входе в m-й полосе частот при нулевых значениях собственной спектральной плотности ускорений во всех остальных -х выходах системы, Пусть C_mn - значение комплексной передаточной функции элемента конструкции защищаемого объекта, расположенного между n-м и -м выходами системы в m-й полосе частот, аналогично C_mn определим как отношение значения взаимной спектральной плотности ускорений в n-м и -м выходах в m-й полосе частот к значению собственной спектральной плотности ускорений в -м выходе в m-й полосе частот при нулевых значениях спектральной плотности ускорений во всех остальных -х выходах системы и -х входах при l = , Таким образом,





где



_m среднее значение частоты m-й полосы;

_m - ширина m-й полосы частот;







L = N - целые положительные числа;

где

значение собственной (при l = ) или взаимной (при l ) спектральной плотности ускорения в l-м и -м входах системы в m-й полосе частот;



- значение взаимной спектральной плотности ускорения в l-м входе и n-м выходе системы в m-й полосе частот;



- значение собственной (n = ) или взаимной (n ) спектральной плотности ускорения в n-м и -м выходах системы в m-й полосе частот;



Тогда справедливо выражение:



Выражение (1) представляют в виде:



Выражение (1a), представленное в компактной форме, имеет вид:

C"_[LN] G_xy[NL] = G _xx[LL]. (2)

Матрицу C" определяют по формуле:

C"_]LN]=G_xx[LL] G_xy[NL]^-1, (3)

где

матрица G_xy[NL]^-1 является обратной к матрице G_xy[NL].

Индексами в квадратных скобках обозначены размерности матриц, однако поскольку L= N, все матрицы выражений (2) и (3) и выражений (1), (1a) соответственно являются квадратными. Матрица G_xy[NL]^-1 существует, если матрица G_xy[NL] не является вырожденной. Можно показать, что уравнение (2) имеет решение, если матрицы C"_[LN] и G_xx[LL] не являются вырожденными.

Значения передаточных функций C_mn и C_mnl определяют по формулам





Таким образом, для определения комплексных передаточных функций упругодемпфирующих элементов и элементов конструкции защищаемого объекта, расположенных между узлами их соединения с упругодемпфирующими элементами, в узлах крепления упругодемпфирующих элементов к платформам вибровозбудителей формируют случайные вибровоздействия в диапазоне рабочих частот, измеряют значения собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений и формируют матрицы G_xx и G_xy, по формулам (3) - (5) вычисляют значения комплексных передаточных функций упругодемпфирующих элементов C_mnl и элементов конструкции защищаемого объекта C_mn в каждой m-й полосе частот.

Способ может быть осуществлен с помощью устройства, представленного на чертеже.

Устройство содержит генераторы 1 случайных широкополосных сигналов со встроенными усилителями мощности. Количество генераторов равно количеству входов многоканальной виброзащитной системы (на чертеже в качестве примера изображена система, содержащая 4 входа). Выходы генераторов 1 случайных широкополосных сигналов подключены к входам вибровозбудителей 2, на платформах которых установлена многоканальная виброзащитная система 3, в состав которой входят упругодемпфирующие элементы 4 и защищаемый объект 5. В узлах крепления упругодемпфирующих элементов 4 к платформам вибровозбудителей 2 и узлах соединения упругодемпфирующих элементов 4 и защищаемого объекта 5 установлены вибродатчики 6, которые служат для преобразования механических колебаний в электрические сигналы. Вибродатчики 6 подключены к входам коммутатора 7, который служит для поочередного подключения вибродатчиков 6 к входам АЦП 8. Выходы АЦП 8 подключены к входам микроконтроллера 9, выходы которого подключены к индикатору 10, который служит для отображения результатов вычислений. Синхронизирующие входы коммутатора 7, АЦП 8 и микроконтроллера 9 подключены к генератору 11 тактовых импульсов, который служит для синхронизации работы этих блоков.

Рассмотрим осуществление способа с помощью устройства, представленного на чертеже.

Микроконтроллер 9 приводит устройство в режим "Измерение". Вибровозбудители 2 по сигналам, которые вырабатывают генераторы 1 случайных широкополосных сигналов, формируют в узлах крепления упругодемпфирующих элементов 4 к платформам вибровозбудителей 2 случайные вибровоздействия в диапазоне рабочих частот. Вибродатчики 6, установленные в узлах крепления упругодемпфирующих элементов 4 к платформам вибровозбудителей 2 и узлах соединения упругодемпфирующих элементов 4 и защищаемого объекта 5, формируют сигналы, мгновенные значения напряжения которых пропорциональны мгновенным значениям ускорения. Сигналы вибродатчиков 6 поступают на входы коммутатора 7, который по сигналам, формируемым генератором 11 тактовых импульсов, подключает выходы вибродатчиков 6 к АЦП 8. Цифровой код, вырабатываемый АЦП 8, поступает в микроконтроллер 9. Микроконтроллер 9 определяет значения , собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений в узлах крепления упругодемпфирующих элементов 4 к платформам вибровозбудителей 2, а также значения взаимных спектральных плотностей ускорений в узлах соединения упругодемпфирующих элементов 4 и защищаемого объекта 5 и ускорений в узлах крепления упругодемпфирующих элементов 4 к платформам вибровозбудителей 2, формирует матрицы G_xx и G_xy и определяет по формулам (3) - (5) значения комплексных передаточных функций упругодемпфирующих элементов 4 C_mnl и элементов конструкции защищаемого объекта 5 C_mn расположенных между узлами их соединения с упругодемпфирующими элементами 4. Результаты этих вычислений в качестве сигналов, которые вырабатывает микроконтроллер 9, поступают на индикатор 10 для отображения. (Вычисление значений собственных и взаимных спектральных плотностей в полосах частот в микроконтроллере 9 осуществляется известными способами. См. , например, Дж. Бендат, А. Пирсол. Применение корреляционного и спектрального анализа. - М.: Мир, 1983, с. 81-87. Решение системы уравнений в микроконтроллере 9 также осуществляется известными способами. См. , например, Н. С. Бахвалов. Численные методы. - М.: Наука, 1973. С. 323-400.)

Способ позволяет определить комплексные передаточные функции упругодемпфирующих элементов и элементов конструкции защищаемого объекта, расположенных между узлами их соединения с упругодемпфирующими элементами, что обеспечивает более высокую информативность исследований передаточных характеристик системы и позволяет по их результатам выработать рекомендации по целенаправленному изменению свойств элементов конструкции многоканальной виброзащитной системы.