К проблеме описания спектральныех характеристиками синхронных и несинхронных стоячих волн в протяженных распределенных виброударных системах с большим числом точечных включений
К проблеме описания спектральныех характеристиками синхронных и несинхронных стоячих волн в протяженных распределенных виброударных системах с большим числом точечных включений
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук
Москва,Россия
krupeninster@gmail.com
Аннотация.Даны результаты экспериментов поописанию спектральных характеристик синхронных и несинхронных стоячих волн, устанавливающихся в распределенных виброударных системах с большим числом ударных элементов.При этом колебания возбуждаются периодическим и случайным силовым возбуждением, описываемым широкополосным стационарным случайным процессом типа белого шума, сложенного с гармонической составляющей. Приведены примеры обнаруженных динамическихявлений.
1. В работе [1] на установке "Аллигатор" (ИМАШ РАН) изучены динамические эффекты, сопровождающие возникновение трапециевидных периодических стоячих волн в системах с большим числом параллельных симметричных ударных пар. Это стоячие волны типа периодических "хлопков" [2-6] характеризуются синхронизацией ударов в удаленных друг от друга ударных парах и называются ниже синхронными движениями. Наряду с указанными синхронными движениями, в некоторых частотных диапазонах регистрировались также и режимы движения с несинхронизированными ударами. Такие движения далее именуются несинхронными.
В данной работе на примере распределенной системы с десятью симметричными ударными парами изучаются спектральные характеристики синхронных и несинхронных движений при периодическом возбуждении. Исследуется также влияние случайного широкополосного возмущения, наложенного на синусоидальное возбуждение, на спектры синхронных движений. Отыскивается минимальный уровень шума, приводящий к разрушению синхронного движения.
Подробное описание установки, ее технические характеристики и возможности приведены в [1]. Проведение исследования потребовало модификации структуры экспериментального стенда и входящий в него контрольно-измерительной и питающей аппаратуры.
Стенд ("Аллигатор -2"; рис. 1) содержит установку "Аллигатор". Кратко напомним ее конструкцию. Основным элементом установки является колебательная система, выполненная в виде натянутой ленты I, выполненной из бериллиевой бронзы с жестко закрепленными на ней через равные расстояния десятью шариками 2, выполненными из закаленной стали. Изменением натяжения ленты с помощью микрометрического винта 3 регулируются собственные частоты колебательной системы. Колебания возбуждаются 20-ю электромагнитными возбудителями 4, содержащими жесткие ограничители хода шариков. Устройство 5 позволяет производить регулировку зазора (натяга) в каждой ударной паре.
Экспериментальный стенд допускает применение различных способов возбуждения колебаний. Возбудители питаются либо от генератора синусоидальных колеаний 6 (03005 «Роботрон»), либо от генератора шума 7 (03004 «Роботрон») с микрофонным усилителем 8 (00011 "РФТ"), либо от обоих генераторов 6,7 снеобходимым соотношением уровней сигналов. В последнем случае на электромагниты - подается комбинированное возбуждение, представляющее собой сумму синусоидального и случайного (типа "белый шум") сигналов, которые контролируютсявольтметром 9 (VM-70 "RFT") и электроннолучевым осциллографом 10 (С1 -68). Все сигналы генераторов подаются на возбудители 4 через усилитель мощности 11 (LV-103)3 "RFT") и систему управления 12, позволяющую производить перефазировку полуволн напряжения питания электромагнитов или отключать заданные возбудители.
Контроль за колебаниями системы осуществляется с помощью стробоскопического анализатора движения 12 (SM-51 "RFT") и бесконтактного индукционного датчика 14, установленного на некотором малом участке распределенного элемента и регистрирующего скорость его перемещения. Стробоскопический анализатор движения позволяет выделить синхронные и несинхронные движения ударных элементов. Синхронизация анализатора с генератором 6 дает возможность остановить картину периодических колебаний системы в любой фазе движения и наблюдать трансформацию профиля распределенного элемента. Сигнал с индукционного датчика 14 подается на вход спектроанализатора 15 (01012 "Роботрон") с дисплеем 16 (578615.3 "Роботрон"), позволяющими наблюдать и измерять в реальном масштабе времени спектральные характеристики колебаний системы в тридцати третьоктавных каналах в диапазоне частот от 25 Гц до 20 кГц. Наблюдая на дисплее весь спектр колебаний системы, одновременно можно проводить и индивидуальный контроль уровня колебаний по одному из выбранных каналов. С помощью этой аппаратуры получена информация о спектральных характеристиках синхронных и несинхронных движений системы при различных видах возбуждения. Ниже приводятся результаты исследования виброударных процессов в окрестности трех первых собственных частот линейной системы (в отсутствие соударений), 1-я собственная частота которой f1 = 32 Гц, а ограничители установлены симметрично с зазором 2 мм относительно каждого ударного элемента.
2. Рассмотрим некоторые результаты исследования спектральных характеристик движения системы в случае синхронных соударений в ударных парах. В данной системе при гармоническом возбуждении с частотами в окрестности первой (f>f1) и второй (f>f2 =64,9 Гц) форм [2] колебаний реализуются устойчивые нелинейные резонансные режимы типа хлопков [2-6]. Типичные спектры этих режимов, затянутых по частоте [6] в окрестности первой (f=32,2 Гц) и второй (f=64,9 Гц) собственных частот и характеризующихся трапециевидными профилями распределенного элемента, изображены сплошными линиями на рис. 2, а, б соответственно.
По оси абсцисс внизу обозначены номера nчастотных каналов. В таблице приведены частоты f нижних границ всех каналов n. На оси ординат обозначен уровень интенсивности входного сигнала в децибелах. Для сравнения пунктирными линиями на ах приведены спектры колебаний системы в отсутствие соударений при возбуждении на двух низших собственных частотах.
Из рис.2 видно, что пунктирные линии имеют максимумы соответственно на собственных частотах f1,f2 и несколько локальных максимумов в области более высоких частот. Такой вид спектра объясняется тем, что, как показано в [2], даже в отсутствие соударений рассматриваемая колебательная система обладает сложной структурой и оказывается нелинейной, например, из-за слабых электромагнитной и геометрической нелинейностей, порождающих отклонение периодического закона движения от синусоидального. Для низших форм колебаний локальные максимумы могут быть точно идентифицированы. Так, например, на рис. 2, а максимум на канале 6 соответствует частоте второй формы колебаний(f2 = 64 Гц), максимум на канале 8 -частоте третьей формы (f3 = 96 Гц).
Кардинальным образом изменяется спектр колебаний (сплошные линии; рис. 2) вследствие сильной нелинейности [7] системы при установлении в ней виброударных процессов с синхронными соударениями в нескольких ударных парах.
При возбуждении синхронных режимов на указанных выше частотах f= 32,2 Гц и f=64,9 Гц происходит увеличение интенсивности всех спектральных составляющих. Однако характер этого увеличения различен в областях частот, лежащих ниже и выше частоты возбуждения. В первой частотной области интенсивность спектра хотя и возрастает, но его конфигурация практически точно воспроизводит спектр без- го процесса. Во второй частотной области характер спектра изменяется радикально.
f, Гц
f, Гц
f, Гц
2
25
12
250
22
2500
3
31,5
13
315
23
3150
4
40
14
400
24
4000
5
50
15
500
25
5000
6
63
16
630
26
6300
7
80
17
800
27
8000
8
100
18
1000
28
10000
9
125
19
1250
29
12500
10
160
20
1600
30
16000
11
200
21
2000
31
20000
Здесь, наряду с существенным возрастанием уровня спектра в целом, наблюдается особенно сильное увеличение спектральных составляющих в окрестности частот высших форм колебаний, причем некоторые их них оказываются доминирующими (рис. 2, а).
Кроме того в этой области спектра происходит перераспределение локальных максимумов спектров виброударных синхронных процессов по отношению к безударным. При этом появляются новые локальные максимумы. На рис. 2, а показан наблюдаемый максимум на канале 10, соответствующий частоте пятой формы колебаний (fs= 157 Гц). На рис. 2 показаны проявившиеся на канале 17 максимумы, соответствующие первой собственной частоте колебаний участка распределенного элемента (ленты), расположенного между соседними ударными элементами.
Эти закономерности являются естественным проявлением расширения спектра воздействия на систему вследствие интенсивных синхронных соударений элементов.
Отметим, что спектры синхронных виброударных режимов, как и в безударном случае, имеют стабильный характер с отклонением уровня спектральной составляющей в каждом частотном канале не более чем на десятые доли децибела.
3. В работе [1] в результате экспериментальных исследований систем с различным количеством сосредоточенных элементов (от двух до десяти) были найдены необходимые условия реализации синхронных виброударных режимов, в которых в «хлопок»вовлекается то или иное число ударных пар. Таких условий два. Первое, очевидное, условие заключается в том, что уровень возбуждения должен превышать величину, при которой амплитуда колебаний хотя бы одного элемента в режиме безударного резонанса оказывается равной зазору.
Второе, эмпирически найденное условие, устанавливает определенные предельные соотношения между основаниями и боковыми сторонами трапеций, из которых могут быть сконструированы возможные конфигурации хлопков. Опыты показали, что реализуются только такие хлопки, у которых отношение малогоG и большогоRоснований трапецииG/R > 0,2 и отношение проекций меньшейW к большей Z боковых сторон трапеций на ось статического равновесия ленты (показатель несимметрии трапеции) 0,67
Библиографическая ссылка
В.Л.Крупеннн, В.К.Асташев К проблеме описания спектральныех характеристиками синхронных и несинхронных стоячих волн в протяженных распределенных виброударных системах с большим числом точечных включений // Научный электронный архив.
URL: http://econf.rae.ru/article/6905 (дата обращения: 26.04.2024).
Прочитать публикацию в формате PDF
