Способ определения динамических характеристик механической системы
Владельцы патента RU 2292026:
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии (Росатом) (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. акад. Е.И. Забабахина" (ФГУП РФЯЦ - ВНИИТФ) (RU)
Изобретение относится к испытательной технике, а именно к определению динамических характеристик механических систем. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения собственных частот механической системы и их логарифмических декрементов колебаний. Способ определения динамических характеристик механической системы заключается в том, что в системе возбуждают свободные затухающие колебания, регистрируют отклик системы, строят амплитудно-временную зависимость отклика системы, по которой определяют собственные частоты системы. Выделяют полосовым фильтром с выбранными частотами среза частотные составляющие, по которым определяют их логарифмические декременты колебаний. Собственные частоты системы определяют по пикам построенного амплитудного спектра Фурье отклика системы, а частоты среза принимают равными значениям ближайших частот, отстоящих слева и справа от собственных частот системы, на которых амплитудный спектр Фурье принимает минимальные значения. 6 ил.
Изобретение относится к испытательной технике, а именно к определению динамических характеристик механических систем, в частности собственных частот системы и их логарифмических декрементов колебаний.
Знание основных динамических характеристик механической системы, а именно собственных частот колебаний системы и их логарифмических декрементов колебаний, позволяет оценить реакцию исследуемой системы при действии на нее эксплуатационных динамических нагрузок, что становится необходимым условием рационального конструирования. В связи с этим появилась необходимость в разработке способа, позволяющего повысить точность определения собственных частот и их логарифмических декрементов колебаний.
Наиболее распространенным способом определения динамических характеристик механической системы является метод затухающих колебаний [Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. / Вибропоглощающие свойства конструкционных материалов. Справочник. - Киев.: "Наукова думка", 1971 г., стр.52-60].
Данный способ заключается в том, что в системе возбуждают свободные затухающие колебания, записывают амплитудно-временную зависимость отклика системы, по которой определяют собственную частоту системы и вычисляют логарифмический декремент колебаний.
Данный способ прост в реализации.
Однако недостатком данного способа является то, что достоверный результат может быть получен только при наличии в системе одной собственной частоты. Наличие в системе дополнительной собственной частоты снижает точность определения ее динамических характеристик.
Известен также способ определения динамических характеристик механической системы, имеющей несколько собственных частот [ГОСТ 30630.1.1-99. Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам, машин, приборов и других технических изделий. Определение динамических характеристик конструкции. Минск. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Метод 100-3, стр.6-7, Приложение Б, стр.10].
Данный способ, наиболее близкий по технической сущности и принятый за прототип, заключается в том, что в системе возбуждают затухающие колебания, записывают амплитудно-временную зависимость отклика системы, по которой определяют собственные частоты системы, выделяют полосовым фильтром с выбранными частотами среза частотные составляющие, по которым определяют их логарифмические декременты колебаний.
При этом нижнюю частоту среза полосового фильтра принимают равной половине значения собственной частоты системы, а верхнюю частоту среза принимают равной удвоенному значению собственной частоты системы (fн=0,5fk и fв=2fk, где fk - k-я собственная частота системы).
Данный способ возможно использовать в механических системах с несколькими собственными частотами.
Однако в данном способе определение собственных частот системы и частот среза фильтра относительно приближенное, поэтому существует вероятность получения недостоверных результатов при определении динамических характеристик механической системы, имеющей несколько собственных частот, особенно близких по своим значениям. Использование полосового фильтра с вышеуказанными частотами среза для выделения частотных составляющих из отклика системы, при наличии в системе нескольких собственных частот, искажает форму каждой выделенной частотной составляющей, что приводит к существенным ошибкам при определении их логарифмических декрементов колебаний, а иногда вообще к невозможности проведения их оценки.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание способа определения динамических характеристик механической системы, обеспечивающего повышение точности определения собственных частот механической системы и их логарифмических декрементов колебаний.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения динамических характеристик механической системы, заключающемся в том, что в системе возбуждают свободные затухающие колебания, регистрируют отклик системы, строят амплитудно-временную зависимость отклика, по которой определяют собственные частоты системы, выделяют полосовым фильтром с выбранными частотами среза частотные составляющие, по которым определяют их логарифмические декременты колебаний, согласно изобретению, собственные частоты системы определяют по пикам построенного амплитудного спектра Фурье отклика системы, а частоты среза полосового фильтра принимают равными значениям ближайших частот, отстоящих слева и справа от собственных частот системы, на которых амплитудный спектр Фурье отклика системы принимает минимальные значения.
Использование для определения динамических характеристик механической системы в расчетах амплитудного спектра Фурье отклика системы приводит к увеличению точности определения собственных частот механической системы, а выбор частот среза полосового фильтра равными значениям ближайших частот, отстоящих слева и справа от собственных частот системы, на которых амплитудный спектр Фурье принимает минимальные значения, приводит к более точному выделению частотных составляющих и последующему определению их логарифмических декрементов колебаний.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию "новизна".
Новые признаки (определение собственных частот системы по пикам рассчитываемого амплитудного спектра Фурье отклика системы и принятие частот среза полосового фильтра равными значениям частот, отстоящих слева и справа от собственных частот системы, на которых амплитудный спектр Фурье отклика системы принимает минимальные значения) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию "изобретательский уровень".
Изобретение поясняется следующими чертежами, где:
На фиг.1 приведена зарегистрированная амплитудно-временная зависимость отклика системы при возбуждении в ней свободных затухающих колебаний (где А - ускорение, t - время);
на фиг.2 приведен амплитудный спектр Фурье отклика системы (где S(f) - значения амплитудного спектра Фурье отклика системы, f - частота);
на фиг.3 приведена амплитудно-временная зависимость первой частотной (низкочастотной) составляющей, выделенной из отклика системы полосовым фильтром (где А - ускорение, t - время);
на фиг.4 приведена амплитудно-временная зависимость второй частотной (высокочастотной) составляющей, выделенной из отклика системы полосовым фильтром (где А - ускорение, t - время);
на фиг.5, 6 приведены амплитудно-временные зависимости отфильтрованного отклика системы с применением полосового фильтра с различными частотами среза, рекомендуемыми прототипом (где А - ускорение, t - время).
Способ осуществляется следующим образом.
В системе возбуждают свободные затухающие колебания одним из известных способов [ГОСТ 30630.1.1-99. Метод 100-3, стр.6-7, Приложение Б, стр.10], например с помощью приложения начальной силы с последующим мгновенным освобождением от нее. Регистрируют отклик системы с помощью датчика, например пьезоакселерометра, строят амплитудно-временную зависимость отклика системы (фиг.1). Численным методом на ЭВМ рассчитывают и строят амплитудный спектр Фурье отклика системы, по пикам которого определяют собственные частоты системы (фиг.2). А частоты среза принимают равными значениям ближайших частот слева и справа от собственных частот системы, на которых амплитудный спектр Фурье отклика системы принимает минимальные значения. Затем выделяют полосовым фильтром с выбранными частотами среза каждую частотную составляющую (см. фиг.3 и фиг.4). По выделенным частотным составляющим определяют их логарифмические декременты колебаний.
Возможность промышленной реализации и практической возможности достижения требуемого технического результата при использовании изобретения иллюстрируется следующим примером.
Пример.
На фиг.1 приведена зафиксированная амплитудно-временная зависимость ускорения, полученная при возбуждении в механической системе свободных затухающих колебаний.
Система возбуждалась за счет ее первоначального отклонения от положения равновесия на величину 2,8·10-4 м и последующего мгновенного освобождения от связи (фиг.1). Регистрировали отклик системы и строили его амплитудно-временную зависимость. Расчет на ЭВМ амплитудного спектра Фурье отклика системы (фиг.2) показал, что система имела две собственные частоты f1=250 Гц и f2=420 Гц, определенные по двум пикам (всплескам). Слева и справа от каждого всплеска определяли ближайшие частоты, на которых амплитудный спектр Фурье имел минимальные значения. Этому условию удовлетворяли частоты , 
и 
. Фильтруя отклик системы полосовым фильтром с нижней частотой среза fн=10 Гц и верхней частотой среза fв=343 Гц, получили выделенную из процесса первую частотную составляющую (фиг.3). Аналогично из зарегистрированного отклика системы выделили вторую частотную составляющую, используя полосовой фильтр с нижней частотой среза fн=343 Гц и верхней частотой среза fв=1000 Гц (фиг.4).
Как видно, выделенные частотные составляющие представляли собой знакопеременные затухающие колебания, по которым легко определялись их логарифмические декременты колебаний δ1 и δ2. Их значения составили: δ1=0,36 и δ2=0,26 [Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. / Вибропоглощающие свойства конструкционных материалов. Справочник. - Киев: "Наукова думка", 1971 г., стр.52-60].
Для сравнения. При попытке выделить частотные составляющие из зарегистрированного отклика системы с применением полосового фильтра с частотами среза, определенными по прототипу, получили следующее (см. фиг.5 и фиг.6), а именно: для выделения первой частотной составляющей - нижняя частота среза fн=0,5f1=125 Гц, верхняя частота среза fв=2f1=500 Гц (фиг.5); для выделения второй частотной составляющей - нижняя частота среза fн=0,5f2=210 Гц, верхняя частота среза fв=2f2=840 Гц (фиг.6). Как видно из фиг.5 и фиг.6, невозможно точно определить логарифмические декременты колебаний из-за наличия в отфильтрованных сигналах двух частотных составляющих.
Итак, предлагаемый способ позволяет повысить точность определения собственных частот механической системы и их логарифмических декрементов колебаний, что даст возможность достоверно оценить действующие на систему эксплуатационные нагрузки и в дальнейшем прогнозировать реакцию системы при действии на нее эксплуатационных нагрузок.
Предлагаемый способ позволяет повысить точность определения динамических свойств изделий и получить исходную информацию для правильного выбора режимов испытаний на вибропрочность, виброустойчивость, для выбора длительности действия ударного ускорения при испытаниях на воздействие одиночных и многократных механических ударов, а также для динамических расчетов изделий.
Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "промышленная применимость".
Способ определения динамических характеристик механической системы, заключающийся в том, что в системе возбуждают свободные затухающие колебания, регистрируют отклик системы, строят амплитудно-временную зависимость отклика системы, по которой определяют собственные частоты системы, выделяют полосовым фильтром с выбранными частотами среза частотные составляющие, по которым определяют их логарифмические декременты колебаний, отличающийся тем, что собственные частоты системы определяют по пикам построенного амплитудного спектра Фурье отклика системы, а частоты среза принимают равными значениям ближайших частот, отстоящих слева и справа от собственных частот системы, на которых амплитудный спектр Фурье принимает минимальные значения.
