Wibroakustyczne monitorowanie

pewnego układu elektromechanicznego

Praca przejściowa II

Piotr

SEKUŁOWICZ
Gr. 513
Rok akad. 2004/05

Opiekun
dr inż. Michał Prącik

Ps. 24, 8
“ .......”

Plan

wystąpienia

1. Wstęp

2. Przedmiot, cel i zakres pracy

3. Stanowisko do badań doświadczalnych

4. Przedstawienie wyników badań

5. Wnioski

Wibroakustyczne monitorowanie układu elektromechanicznego,

mechanizmu zamiany ruchu postępowo-zwrotnego na ruch obrotowy,

skokowo przerywany

TEORIA MODELOWANIA i SYMULACJI

wybór metody budowy modelu i narzędzi

symulacji, identyfikacja modelu

symulacja dynamiki napędu;

drgań konstrukcji; zmęczenia

TEORIA MECHANIZMÓW

TEORIA DRGAŃ

AKUSTYKA

Interdyscyplinarny
charakter tematu

DIAGNOSTYKA i EKSPLOATACJA

zbieranie, transmisja i przetwarzanie

danych pomiarowych

METROLOGIA

i TEORIA EKSPERYMENTU

program i metodyka badań

statystyczne opracowanie danych

Ocena diagnostyczna ruchu mechanizmu czytnika taśmy
perforowanej bazuje na metodzie

oceny trójparametrowej

(wg

Blake’a [12]) stosowanej do kwalifikacji symptomów drganiowych
mechanizmów. Ocena ta pozwala klasyfikować stan
diagnozowanego mechanizmu do jednej z pięciu klas i
charakteryzuje się ponad 92% trafnością diagnozy, wymaga
jednak dodatkowych pomiarów prędkości drgań.

Głównym celem niniejszej pracy jest

wibroakustyczne

monitorowanie układu elektromechanicznego
mechanizmu zamieniającego ruch postępowo-zwrotny na
ruch obrotowy, skokowo przerywany

. Celem jest ocena

dynamiki mechanizmu czytnika taśmy perforowanej, dokonana
w oparciu o pomiary przemieszczeń wahacza kotwicy
mechanizmu czytnika, przy użyciu laserowego miernika
przemieszczeń dynamicznych (z głowicą LD1605-20)

Przemieszczenia wahacza kotwicy są wymuszane układem
elektromechanicznym zasilanym sygnałem napięciowym
harmonicznym oraz prostokątnym (generator funkcyjny typu
RTF 03005).

W odniesieniu do każdej maszyny, urządzenia, zespołu,
elementu jakości określają następujące czynniki: trwałość,
niezawodność, dokładność, poziom zakłóceń
zewnętrznych.

Trwałość elementów mechanicznych

jest to zdolność elementu do

przenoszenia zadanych obciążeń mechanicznych mierzona w jednostkach czasu
bądź w ilości cykli obciążeń. Istnieje związek między trwałością materiałów
elementów maszyn a amplitudą zmiennego dynamicznego naprężenia jakiemu
zostają poddane.
Naprężenia dynamiczne w elemencie drgającym dowolnie lecz stacjonarnie
można wyrazić za pomocą maksymalnej amplitudy prędkości drgań danego
elementu.



Niezawodność maszyn, urządzeń i zespołów

jest definiowana jako

prawdopodobieństwo wypełnienia przewidzianej dla nich funkcji w zadanym
czasie i warunkach zewnętrznych. Istotnym składnikiem tych warunków jest
poziom drgań, na które narażone jest urządzenie

.



Dokładność

określają przede wszystkim błędy (odchyłki) kształtu i

położenia. Pierwsze są szczególnie ważne w obrabiarkach (błędy kształtu
powstające wskutek drgań przy obrabiarce), zaś drugie w urządzeniach
transportowych – wahania nosiwa

.



Poziom emitowanych zakłóceń

natury mechanicznej, czyli drgania i

hałas emitowane do otoczenia przez maszyny, urządzenia i realizowane przez
nie procesy technologiczne, stanowią zagrożenia drganiowe dla operatorów oraz
dla wrażliwych maszyn i urządzeń.
Obserwując charakter drgań maszyn w funkcji czasu ich życia, możemy
wykorzystać informacje o maszynie zawarte w jej procesie drganiowym i
dokonać odeny stanu technicznego maszyny.

Obiekt

,

cel

, zakres

układ elektromechaniczny czytnika taśmy

perforowanej

określenie obszaru stabilności ruchu

stacjonarnego badanego mechanizmu

pomiary wielkości kinematycznych

i dynamicznych w procesie eksploatacji

czytnika

Jakie

następstwa dla trwałości

i innych cech

eksploatacyjnych mechanizmu pociąga za sobą utrata

stabilności ruchu stacjonarnego ?
W jaki sposób można

obiektywnie

rejestrować

utratę

stabilności ruchu stacjonarnego w czasie badania

mechanizmu czytnika ?
Jakie

wielkości

należy poddać

pomiarom

i jaką przyjąć

formę

reprezentacji wyników

pomiarów aby można było uzyskać

adekwatną miarę utraty stabilności ruchu obserwowaną w

trakcie badań doświadczalnych mechanizmu ?
Dokonując

próby symulacji

ruchu układu i zjawisk w nim

obserwowanych, jakie

ograniczenia

wprowadzi zastosowanie

określonego

pakietu symulacyjnego

?

VisSim ;
MathCad

Schemat badanego układu napędowego mechanizmu czytnika

1 - zespół mechaniczny układu napędowego, z kołem zapadkowym
2 - wzmacniacz mocy typu LV 103 z regulacją napięcia wyjściowego (0 - 30 V)
3 - generator funkcyjny RFT 03005 (wykorzystywano sygnał napięciowy
harmoniczny i prostokątny; zakres 0 - 30 Hz)

głowica lasera

oscylosko

p

generator

funkcyjny

badany

obiekt

filtr

dolnoprzepustow

y

antyalisingowy

interfejs

wzmacniacz
mocy

komputer
pomiarowy

PLAN BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH

Na bazie literatury dotyczącej Teorii Eksperymentu i Statystyki

1. Gajek L., Kałuszka M.: Wnioskowanie statystyczne, WN-T,Warszawa 1998
2. Górecka R.: Teoria i technika eksperymentu, skrypt Politechniki Krakowskiej, 1996
3. Polański Z.: Planownie doświadczeń w technice, PWN, Warszawa, 1984

Wymuszenie sygnałem harmonicznym

Nazwa pomiaru

Napięcie [V]

Częstotliwość [Hz]

ps1.dat

10

2.5

ps2.dat

12

7.6

ps3.dat

12

6

ps4.dat

12

1.8

ps5.dat

11

0.9

ps6.dat

11

0.86

ps7.dat

10

0.72

ps8.dat

15

9.8

ps9.dat

15

9.8

ps10.dat

15

9.8

ps11.dat

15

0.92

ps12.dat

17

0.7

ps13.dat

17

0.7

ps14.dat

18.5

13.5

ps15.dat

20

14.0

ps16.dat

20

14.0

ps17.dat

20

14.0

ps18.dat

20

14.0

ps19.dat

20

14.0

ps20.dat

20

14.0

ps21.dat

20.5

16.5

ps22.dat

20.5

16.5

ps23.dat

20.5

16.5

ps24.dat

20.5

16.5

ps25.dat

23.5

22

ps26.dat

24

18

Wymuszenie sygnałem prostokątnym

Pomiar

Napięcie [V]

Częstotliwość [Hz]

pp1.dat

15

7

pp2.dat

15.5

8.2

pp3.dat

20

11.5

pp4.dat

22

16

Often is easier and faster to built a prototype
and take a look at the results than to argue
about what might be ..

Steve Ciarcia

0

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

2.25

-0.6

-0.45

-0.3

-0.15

0

0.15

0.3

0.45

0.6

utrata

stabilności

ruchu

stacjonarnego

stabilna praca układu

czas [s]

p

rz

e

m

ie

sz

c

ze

n

ie

[

m

m

]

W czym rzecz ?

wahacz

kotwicy

mechanizm

zapadkowy

sprężyna

powrotu

cewka

czas [s]

p

rz

e

m

ie

s

z

c

z

e

n

ie

[

m

m

]

Pomiar ps1.dat

0

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

2.25

-12

-9

-6

-3

0

3

6

9

12

2A

sz

2A

syg

Określenie jakości pomiarów z uwagi na poziom zakłóceń; obliczenia SNR (ang.

Signal to Noise Ratio)















sz

syg

A

A

SNR

log

20

Określenie dynamiki pomiaru przemieszczeń wahacza kotwicy;
pomiar dokonany
czujnikiem laserowym; wymuszenie od układu elektromagnetycznego
zasilanego
sygnałem napięciowym harmonicznym f = 2,6 [Hz] przy U

A

=10 [V];

SNR =31,9 [dB]

czas [s]

p

rz

e

m

ie

s

z

c

z

e

n

ie

[

m

m

]

Pomiar pp2.dat

0

150

300

450

600

750

900

1050

-150

-100

-50

0

50

100

150

2A

sz

2A

syg

Określenie dynamiki pomiaru przemieszczeń wahacza kotwicy;
pomiar dokonany
czujnikiem laserowym; wymuszenie od układu
elektromagnetycznego zasilanego
sygnałem napięciowym prostokątnym f = 8,2 [Hz] przy U

A

=15,5

[V]; SNR = 35,38 [dB]

Symptomy diagnostyczne

(zagadnienie wyboru optymalnego)

Problem miary w diagnostyce

A u nas -

metoda trójparametrowa

- określa się:

A

x max

- wartość szczytowa amplitudy przemieszczeń (drgań)

~

A - wartość skuteczna
A

v max

- wartość szczytowa amplitudy prędkości (drgań)

~

A

RMS

=



T

dt

t

x

T

0

2

)

(

1

92 % trafnych
prognoz

diagnostycznych

przemieszczenie [mm]

p

rę

d

k

o

ś

ć

[

m

m

/s

]

Płaszczyzna fazowa

Pomiar Ps11.dat

-6

-4.5

-3

-1.5

0

1.5

3

4.5

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

Ruch stabilny układu

czas [s]

p

rę

d

k

o

ś

ć

[

m

m

/s

]

Pomiar Ps11.dat

0

150

300

450

600

750

900

1050

-45

-30

-15

0

15

30

45

czas [s]

a

m

p

lit

u

d

a

[

m

m

]

Pomiar Ps11.dat

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

-7.5

-6

-4.5

-3

-1.5

0

1.5

3

4.5

Ruch stabilny układu

przemieszczenie [mm]

p

rę

d

k

o

ś

ć

[

m

m

/s

]

Przestrzeń fazowa

P{omiar Ps11.dat

-90

-75

-60

-45

-30

-15

0

15

30

45

60

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Płaszczyzna fazowa

Pomiar Ps11.dat

czas [s]

p

rę

d

k

o

ść

[

m

m

/s

]

Pomiar Ps24.dat

0

150

300

450

600

750

900

1050

-18

-12

-6

0

6

12

18

czas [s]

a

m

p

lit

u

d

a

[

m

m

]

Pomiar Ps24.dat

0

0.02 0.04 0.06 0.08

0.1

0.12 0.14 0.16 0.18

0.2

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

przemieszczenie [mm]

p

rę

d

k

o

ś

ć

[

m

m

/s

]

Płaszczyzna fazowa

Pomiar Ps24.dat

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

miejsca, które

wyglądają jak

“atraktory dziwne”

Ruch niestabilny układu

czas [s]

p

rz

e

m

ie

sz

cz

e

n

ie

[

m

m

]

Pomiar Ps11.dat

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

-7.5

-6

-4.5

-3

-1.5

0

1.5

3

4.5

czas [s]

p

rz

e

m

ie

sz

cz

e

n

ie

[

m

m

]

Pomiar Ps11.dat

0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 0.2 0.225 0.25 0.275 0.3 0.325

-6

-4.5

-3

-1.5

0

1.5

3

4.5

czas [s]

o

p

e

ra

to

r

R

M

S

[m

m

]

Obliczenie wartości skutecznej RMS

Pomiar Ps11.dat

0.3

0.325 0.35 0.375

0.4

0.425 0.45 0.475

0.5

0.525 0.55

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

2.4

2.8

3.2

wartość średnia RMS; obliczona po okresie

Zakresy pracy urządzenia (stabilnej i niestabilnej)
zobrazowane na wykresie:

częstotliwość - napięcie

zasilające

napięcie [V]

c

z

ę

s

to

tl

iw

o

ś

ć

[

H

z

]

Przestrzeń wielkości sterujących

czytnika taśmy perforowanej

9

10.5

12

13.5

15

16.5

18

19.5

21

22.5

24

0

3

6

9

12

15

18

21

24

obszar stabilności ruchu stacjonarnego

pomiar

ps2

pomiar

ps11

pomiar

ps25

y=19.95-3.245x+0.2239x

2

-0.003688x

3

y=8.064-1.172x+0.06219x

2

-0.001085x

3

Wnioski:

1.

Układ elektromechaniczny badanego mechanizmu

,

pracuje stacjonarnie
w ograniczonym zakresie

częstotliwości i amplitud

wymuszających ruch
roboczy mechanizmu.
2. Metodą doświadczalną,

można obiektywnie określić

zakres stabilności

ruchu stacjonarnego badanego mechanizmu

.(potwierdzono tezę)

3.

Poniżej oraz powyżej

określonych eksperymentalnie

częstotliwości
wymuszających ruch, przy ustalanie amplitudzie
wymuszenia, układ

pracuje niestabilnie

(przy b. niskich częstotliwościach wymuszenia

ruch układu ustaje,
zaś powyżej górnych granicznych wartości częstotliwości pojawia się
najpierw ruch
niestacjonarny a następnie ruch zanika).

3. Prezentacje wyników badań ruchu mechanizmu na
płaszczyźnie fazowej,
pozwoliły

zaobserwować w okresie ruchu niestacjonarnego

,

występowanie
“obiektów”

klasy “dziwnych atraktorów”

- cecha ruchu

chaotycznego.

4. Brak widm i charakterystyk referencyjnych

nie pozwalał

na

poprawne
sformułowanie wniosków dotyczących

oceny stopnia

zużycia

układu.