ETS Solutions – законы измерения вибрации

С технической точки зрения, вибрации — это механические колебания, которые реагируют на силы, толкающие объекты за пределы их точки равновесия или покоя. Эти максимумы и минимумы, или колебания назад и вперед, измеримы. Они связаны с такими терминами, как частота, формы волны и спектры. Вибрации реагируют непосредственно на интервалы времени, которые можно измерить с помощью подходящего оборудования для тестирования вибрации продукта.

Вибрации могут быть периодическими с определенными волновыми интервалами, подобно маятникам в механических часах, или случайными - подвески транспортных средств, реагирующие на неровную гравийную дорогу. Вибрации могут также возникнуть со статическими устройствами, такими как электронное оборудование, расположенное на полке, где внешние силы вызывают их дрожание. В мобильном оборудовании - двигатели и вентиляторы, которые создают внутренние силы, заставляющие их вибрировать. Современные испытательные вибростенды способны воспроизвести все эти виды колебаний.

Изделия проходят вибрационные испытания для определения пределов и допусков. Каждое уязвимо к вибрационным нагрузкам и потенциальным поломкам или отказам. Тому подвержено все начиная от крошечных объектов, типа микропроцессоров и печатных платы до гигантских структур, таких как мосты и небоскребы.

Вибрационные испытания позволяют проектировщикам, инженерам и производителям понять, какие нагрузки может выдержать их изделие. Испытание на вибрацию гарантирует, что оно соответствует назначению, стандартам безопасности и нормативным требованиям, а также соответствует требованиям Международной организации по стандартизации (ISO). Часть должной осмотрительности в вибрационных испытаниях определяет усталостные испытания, пределы отказов и проверку целостности конструкции.

Многие отрасли промышленности регулярно используют вибрационные испытания как часть своей программы контроля качества. Этот процесс называется «диагностика на вибростенде». Выяснить, какие вибрации выдерживает изделие перед выпуском. Известные ограничения позволяют конечному пользователю безопасно использовать его. Испытание на виброустойчивость предотвращает отзыв изделия, поддерживает условия гарантии и обеспечивает длительный срок его эксплуатации. Для проведения таких виброиспытаний существует несколько видов вибростендов.

• Механические. Механические вибростенды используют двигатель с эксцентриком на валу для создания вибрации.
• Электродинамические. Вибростенды электродинамические используют электромагнит для создания силы и вибрации.
• Гидравлические. Гидравлические устройства полезны, когда требуются большие амплитуды силы, например, при испытаниях больших аэрокосмических или морских конструкций или когда магнитные поля электродинамических генераторов не могут быть допущены.
• Пневматические. Пневматические аппараты, известные как «столы с пневматическим ударом», используют сжатый воздух для управления столом.
• Пьезоэлектрические. Такие вибрационные стенды работают, прикладывая электрический заряд и напряжение к чувствительному пьезоэлектрическому кристаллу или керамическому элементу, чтобы вызвать деформацию и движение.

Электродинамические вибростенды, являются наиболее используемыми, так как они обеспечивают несколько преимуществ: они позволяют выполнять вибрации на более высоких частотах, а также воспроизводить различные типы движений вместе с вибрацией.

Компания НПП «Универсал Прибор» более 10 лет сотрудничает и является официальным дилером компании ETS Solutions (рис.1), поставляя электродинамические вибростенды в Россию и страны СНГ.

Электродинамический вибростенд представляет собой конструкцию, состоящую из усилителя мощности, системы охлаждения и виброгенератора, который в свою очередь оснащается системой управления и расширительным столом. Управления рабочим процессом контролируется компьютерной системой. Электродинамическая вибрационная система преобразует электрическую энергию от усилителя тока в механические колебания, используя принципы электромагнетизма (рис. 2).

Принцип 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, вся конструкция упруго подвешивается в радиальном магнитном поле (рис. 3).

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).

Наверняка каждый, кто впервые сталкивается с подбором подобного оборудования задается вопросом, как подобрать подходящий вибростенд так, что бы он мог выполнять все необходимые требования, работал не на пределе своих мощностей и при этом не пришлось переплачивать.

Разберемся как подобрать вибростенд для эффективного решения задачи при минимальных затратах на оборудование.

Например, необходимо выбрать вибростенд для проведения испытаний изделий массой m=1,5 кг c максимальным виброускорением a_max=50 м/с² в частотном диапазоне от 10 до 2000 Гц.
Одним из основных параметров любого электродинамического вибростенда является толкающая сила F, поэтому выбор вибростенда следует начинать с соблюдения условий ее достаточности.
Проверка выполнения условий достаточности толкающей силы выполняется по формуле:

F>k × m_max × a_max,

где k коэффициент запаса (рекомендуется принять равным 2);
m_max – максимальная масса, которая включает в себя помимо массы изделия также массу оснастки (стол расширения элементы крепления и т.п.) и массу подвижной части вибростенда.

В связи с тем, что на этапе выбора вибростенда еще не известны присоединительные размеры монтажной площадки подвижной части вибростенда и, следовательно, точное значение массы оснастки также не известно, то целесообразно принять в этом случае значение массы оснастки равной массе изделия.

Масса подвижной части вибростенда до момента определения конкретной модели также не известна, поэтому при выполнении предварительного расчета ею можно пренебречь, с учетом проведения последующего проверочного расчета.
Для примера получим:

F>2 × (1,5 + 1,5) × 50=300 Н

Таким образом, для выполнения условий необходимо выбрать вибростенд с толкающей силой не менее 300 Н.

Выберем, удовлетворяющий данному условию, вибростенд с выталкивающим усилием 400 Н.

Сначала проверим, что максимальная статическая нагрузка больше суммы массы испытываемого изделия и массы оснастки для крепления изделия на вибростенде:

6 > 1,5 + 1,5

Условие выполняется, поэтому переходим к следующему шагу и выполняем проверочный расчет на толкающую силу уже с учетом массы подвижной части вибростенда.

F_расч= k × m_max × a_max=2 × (1,5 + 1,5 + 0,4) × 50 = 340 Н

Толкающая сила вибростенда (400 Н) больше расчетной толкающей силы (340 Н), что указывает на положительные результаты проверочного расчета.

Линейка электродинамических вибростендов ETS Solutions имеет несколько вариаций, каждая из которых направлена на решение определенных задач в сфере виброиспытаний.

Электродинамические вибростенды ETS Solutions серии MS