Пристрій для визначення параметрів механічної коливальної системи

Корисна модель відноситься до галузі випробувальної техніки і може бути застосована в машинобудуванні, авіаційній і космічній техніці. Відомий пристрій для вібровипробувань, що містить вимірювальний перетворювач швидкості, установлений на випробуваному об'єкті, два ключі, два регістра і генератор імпульсів [див. ав.св. СРСР №1352321, МПК G01M7/00, 1987]. Недолік відомого пристрою - обмежені функціональні можливості, що пояснюється неможливістю визначення інерційно-жорсткісних параметрів механічної коливальної системи. За прототип вибрано пристрій для визначення параметра розсіяння енергії і власної частоти механічної коливальної системи, що містить вимірювальний віброперетворювач швидкості, установлений на випробуваному об'єкті, два ключі, два регістра, генератор імпульсів, інтегратор, два знакочутливих елемента, елемент І, два елемента диференціювання, чотири діода, два інвертора, два тригера, два лічильника імпульсів, два цифроаналогових перетворювачі, елемент затримки, блок ділення, три блоки множення, два тригонометричних перетворювачі, джерело напруги величиною p, входи першого знакочутливого елемента і інтегратора об'єднані, вихід інтегратора з'єднаний з входом другого знакочутливого елемента, вихід якого з'єднаний з другим входом першого елемента І, перший вхід якого з'єднаний з виходом першого знакочутливого елемента, вихід першого елемента І з'єднаний з входом першого елемента диференціювання, вихід якого через перший діод в прямому напрямку з'єднаний з S-входом першого тригера, R-вхід якого з'єднаний через послідовно з'єднані третій діод в зворотному напрямку і перший інвертор в виходом першого елемента дирефенціювання, вихід другого знакочутливого елемента з'єднаний з входом другого елемента диференціювання, вихід якого через другий діод в прямому напрямку з'єднаний з S-входом другого тригера, R-вхід якого через послідовно з'єднані четвертий діод в зворотному напрямку і другий інвертор з'єднаний з виходом другого елемента диференціювання, вихід другого інвертора з'єднаний з установочними входами першого, другого регістрів і першого елемента затримки, вихід якого з'єднаний з установочними входами першого і другого лічильників імпульсів, лічильні входи яких з'єднані з виходами першого і другого ключів, інформаційні входи яких об'єднані і з'єднані з виходом генератора імпульсів, а керувальні входи першого і другого ключів з'єднані з прямими виходами першого і другого тригерів відповідно, прямі виходи розрядів першого і другого лічильників імпульсів з'єднані з входами розрядів першого і другого регістрів відповідно, виходи розрядів першого і другого регістрів з'єднані з входами першого і другого цифроаналогових перетворювачів відповідно, вихід першого цифроаналогового перетворювача з'єднаний з першим входом першого блока множення, другий вхід якого з'єднаний з виходом першого блока ділення, вхід "Подільник" якого з'єднаний з виходом другого цифроаналового перетворювача, а вхід "Ділене" з'єднаний з виходом джерела напруги величиною p, вихід першого блока множення з'єднаний з об'єднаними входами першого і другого тригонометричних перетворювачів, виходи яких з'єднані з першими входами другого і третього блоків множення відповідно, другі входи яких об'єднані і з'єднані з виходом першого блока ділення [див. ав.св. СРСР №1583778, МПК G01М7/00, 1990]. Недолік відомого пристрою - обмежені функціональні можливості, що пояснюються неможливістю визначення інерційно-жорсткісних параметрів випробування механічних коливальних систем. В основу корисної моделі поставлене завдання розширення функціональних можливостей пристрою шляхом удосконалення пристрою за рахунок введення до його складу додаткових елементів, блоків і функціональних зв'язків, застосування яких забезпечує формування нового алгоритму, який заснований на нових аналітичних співвідношеннях і реалізація якого базується на розширенні інформаційного масиву даних, що дають можливість провести визначення інерційно-жорсткістних параметрів. Поставлене завдання вирішується тим, що у відомому пристрої для визначення параметрів механічної коливальної системи, що містить вимірювальний віброперетворювач швидкості, установлений на випробуваному об'єкті, два ключі, два регістра, генератор імпульсів, інтегратор, два знакочутливих елемента, елемент І, два елемента диференціювання, чотири діода, два інвертора, два тригера, два лічильника імпульсів, два цифроаналогових перетворювачі, елемент затримки, блок ділення, три блоки множення, два тригонометричних перетворювачі, джерело напруги величиною p, входи першого знакочутливого елемента і інтегратора об'єднані, вихід інтегратора з'єднаний з входом другого знакочутливого елемента, вихід якого з'єднаний з другим входом першого елемента І, перший вхід якого з'єднаний з виходом першого знакочутливого елемента, вихід першого елемента І з'єднаний з входом першого елемента диференціювання, вихід якого через перший діод в прямому напрямку з'єднаний з S-входом першого тригера, R-вхід якого з'єднаний через послідовно з'єднані третій діод в зворотному напрямку і перший інвертор з виходом першого елемента диференціювання, вихід другого знакочутливого елемента з'єднаний з входом другого елемента диференціювання, вихід якого через другий діод в прямому напрямку з'єднаний з S-входом другого тригера, R-вхід якого через послідовно з'єднані четвертий діод в зворотному напрямку і другий інвертор з'єднаний з виходом другого елемента диференціювання, вихід другого інвертора з'єднаний з установочними входами першого, другого регістрів і входом першого елемента затримки, вихід якого з'єднаний з установочними входами першого і другого лічильників імпульсів, лічильні входи яких з'єднані з виходами першого і другого ключів, інформаційні входи яких об'єднані і з'єднані з виходом генератора імпульсів, а керувальні входи першого і другого ключів з'єднані з прямими виходами першого і другого тригерів відповідно, прямі виходи розрядів першого і другого лічильників імпульсів з'єднані з входами розрядів першого і другого регістрів відповідно, виходи розрядів першого і другого регістрів з'єднані з входами першого і другого цифроаналогових перетворювачів відповідно, вихід першого цифроаналогового перетворювача з'єднаний з першим входом першого блока множення, другий вхід якого з'єднаний з виходом першого блока ділення, вхід "Подільник" якого з'єднаний з виходом другого цифроаналового перетворювача, а вхід "Ділене" з'єднаний з виходом джерела напруги величиною p, вихід першого блока множення з'єднаний з об'єднаними входами першого і другого тригонометричних перетворювачів, виходи яких з'єднані з першими входами другого і третього блоків множення відповідно, другі входи яких об'єднані і з'єднані з виходом першого блока ділення, згідно з корисною моделлю, пристрій додатково містить третій тригер, третій і четвертий ключі, перший і другий елементи АБО, третій лічильник імпульсів, дешифратор, перший і другий комутатори, блок пам'яті, другий і третій блоки ділення, четвертий, п'ятий і шостий блоки множення, суматор, перший і другий формувачі імпульсів, другий елемент І, реєстратор, другий і третій елементи затримки, джерело напруги величиною 1, джерело напруги величиною Dm, входи "Попередня установка", "Пуск", "Читання", причому прямий вихід третього тригера з'єднаний з керувальним входом третього ключа, а інформаційний вхід третього ключа з'єднаний з виходом вимірювального віброперетворювача швидкості, S-вхід третього тригера з'єднаний з виходом першого елемента АБО, другий вхід якого з'єднаний з входом "Пуск", R-вхід третього тригера з'єднаний з виходом другого елемента АБО, перший вхід якого з'єднаний з виходом другого інвертора, а другий - з входом "Попередня установка", вихід другого інвертора з'єднаний з лічильним входом третього лічильника імпульсів, установочний вхід якого з'єднаний з входом "Попередня установка", прямі виходи розрядів третього лічильника імпульсів з'єднані з входами дешифратора, виходи якого з'єднані з групами входів першого, другого комутаторів і другого елемента І, вихід якого з'єднаний з керувальним входом четвертого ключа, інформаційний вхід якого з'єднаний з виходом першого елемента затримки через послідовно з'єднані другий елемент затримки і перший формувач імпульсів, а вихід четвертого ключа через послідовно з'єднані третій елемент затримки і другий формувач імпульсів з'єднаний з входом "Читання" блока пам'яті, вхід "Запис" якого з'єднаний з виходом першого формувача імпульсів, перший і другий інформаційні входи блока пам'яті з'єднані з першим і другим виходами другого комутатора, інформаційний вхід якого з'єднаний з виходом третього блока множення, перший і другий виходи блока пам'яті з'єднані з входами "Ділене" і "Подільник" відповідно другого блока ділення, вихід якого з'єднаний з об'єднаними першим і другим входами четвертого блока множення, вихід якого з'єднаний з підсумовувальним входом суматора, віднімальний вхід якого з'єднаний з виходом джерела напруги величиною 1, а вихід суматора з'єднаний з входом "Подільник" третього блока ділення, вхід "Ділене" якого з'єднаний з виходом джерела напруги величиною Dm, вихід третього блока ділення з'єднаний з об'єднаними третім входом реєстратора і другим входом шостого блока множення, перший вхід якого з'єднаний з виходом п'ятого блока множення, а вихід шостого блока множення з'єднаний з четвертим інформаційним входом реєстратора, об'єднані перший і другий входи п'ятого блока множення з'єднані з першим виходом блока пам'яті, перший і другий керувальні входи "Запис" реєстратора з'єднані з першим і другим виходами першого комутатора відповідно, перший вихід якого з'єднаний також з другим входом першого елемента АБО, вхід "Попередня установка" з'єднаний також з установочними входами третього лічильника імпульсів і реєстратора , вхід "Читання" з'єднаний з керувальним входом "Читання" реєстратора. Застосування запропонованого пристрою разом з усіма суттєвими ознаками, включаючи відмінні, забезпечує розширення функціональних можливостей за рахунок можливості додаткового визначення інерційно-жорсткісних параметрів випробуваних механічних коливальних систем. Алгоритм для визначення інерційно-жорсткісних параметрів базується на наступних міркуваннях. Математична модель, що відповідає механічній коливальній системі при реалізації режиму вільних коливань, відповідає однорідному диференціальному рівнянню другого порядку з постійними коефіцієнтами (1) && & mx + b x + cx = 0 або && & (2) x + 2hx + w2x = 0 , 0 & && де x(t), x (t), x (t) - переміщення, швидкість переміщення і прискорення відповідно; m - маса механічної коливальної системи; b - коефіцієнт опору; h – коефіцієнт демпфування; с - коефіцієнт жорсткості; w 0 - частота вільних коливань відповідної консервативної коливальної системи. Загальний інтеграл рівняння (2) має вигляд (3) х=Aexp(-ht)cosw 1t-j), де Aexp(-ht) - обвідна напіврозмахів затухаючих коливань, яка дотична процесу cos(w 1t-j) в точках, де cos(w 1tj)=±1; w1 = w2 - h2 , 0 & x 0h + x 0 (4) tg j = x 0 w1 & х(0)=х0, x (0)= x 0 . & Із виразу для демпфованої частоти w 1 отримаємо співвідношення 2 2 æ w1 ö æ h ö (5) ç ÷ +ç ÷ =1. çw ÷ çw ÷ è 0ø è 0ø w h При введенні кута d витрат такого, що sin d = , cos d = 1 із (5) отримаємо співвідношення w0 w0 (6) tgd = hw- 1. 1 Значення text, що відповідають максимумам затухаючих коливань, визначається 1 é (2n + 1) p - b - d ù, n=0,1,2… (7) t ext = ú w1 ê 2 ë û Величини проміжків tc часу між послідовними проходженнями x(t) через нульові значення дорівнюють 1 é p ù tc = ê(2n + 1) 2 - b ú. (8) w1 ë û Таким чином, різниця між tc і text дорівнює (9) Dtext=tc-Dtext=dw 1-1. Застосовуючи визначення часового інтервалу D2, що дорівнює условному або демпфованому періоду D2=pw 11 , і співвідношення (6), отримаємо таке співвідношення (10) tgd=hD2(p)-1. Визначимо різницю 2D1 часових інтервалів D2 і D3=2dw 1-1 (11) 2D1=D2-D3=pw 1-1-2dw 1-1. Приймаючи до уваги (10), (11), отримаємо співвідношення для визначення параметра h (12) h=(p/D2)tg[pD32D2)-1] Або (13) h=(p/D2)ctg(pD1D2-1). 2 w = w0 - h2 Приймаючи до уваги (13) і вираз 1 , отримаємо співвідношення для визначення параметра w 0. (14) w 0=p[D2sin(pD1D2-1)]-1 Для визначення інерційно-жорсткісних параметрів m і С після визначення w 0 по співвідношенню (14) необхідно застосовувати метод додаткових мас. Відповідно такому методу необхідно з масою m жорстко з'єднати додаткову масу Dm при виконанні умови Dm