Приложение 6. Методы индикации резонансных частот конструкции

Приложение 6
Рекомендуемое

Методы индикации резонансных частот конструкции

1. Общие положения

1.1. Для индикации резонанса конструкции применяются устройства, контролирующие изменение амплитуды колебаний резонирующей части испытуемых изделий (деталей) относительно амплитуды колебаний точек крепления изделия. По показаниям устройств индикации резонанса определяется резонанс изделия, характеризующийся максимумом амплитуды колебаний резонирующей части изделия и сдвигом фазы колебаний изделия на 90° относительно фазы колебаний точек его крепления. Контроль правильности определения резонанса малогабаритных изделий проводится также путем "срыва" резонанса прикосновением иглой или аналогичным предметом к детали, резонанс которой определяется.

1.2. В качестве устройства индикации резонанса могут быть применены различные приборы и аппаратура в зависимости от массы и размера изделия, вида его закрепления и расположения, физических свойств материала изделия.

1.3. Индикация резонанса может производиться с использованием непосредственного физиологического восприятия испытателя через его органы чувств (органолептический анализ) или с использованием увеличительных средств (лупы, зрительные трубы, микроскопы), а также вибропреобразователей или оптических систем, основанных, например, на интерференции света.

Возможна индикация резонанса по нарушению функционирования изделий, а также по увеличению их виброшумов.

(Измененная редакция, Изм. N 5).

2. Метод индикации резонанса конструкции с использованием пьезоэлектрических преобразователей

2.1. Метод индикации резонанса с использованием пьезоэлектрических измерительных преобразователей (ИП) обеспечивает достаточную точность, если масса детали изделия, резонанс которой проверяется, не менее чем в 10 раз превышает массу ИП, а ее размеры позволяют разместить ИП.

2.2. Структурная схема устройства с использованием ИП представлена на черт. 11 настоящего приложения. Устройство состоит из двух ИП, предварительных усилителей, ламповых вольтметров и осциллографа. В качестве ИП могут быть использованы как любые промышленные измерительные вибропреобразователи, так и элементы из любой пьезокерамики в форме диска, кольца или прямоугольника с посеребренными поверхностями и поляризованные по толщине. Толщина пьезоэлементов от 0,3 до 1,0 мм, диаметр или длина - до 10 мм. Масса таких пьезоэлементов составляет от 2 до 500 мг. К посеребренным поверхностям пьезоэлементов легкоплавким припоем припаивают выводы из многожильного изолированного провода сечением не более 0,07  и длиной не более 20 мм. Выводы изогнуты в виде петли, а их свободные концы припаяны к экранированному проводу, закрепленному на столе вибростенда или на приспособлении для испытаний. Резонансные частоты таких ИП более 100 кГц.

Для согласования высокоомного выхода ИП с низкоомным входом лампового вольтметра применяют предварительные усилители или катодные повторители, имеющие входное сопротивление более 300 МОм.

Рекомендуется применять катодные или истоковые повторители, используемые для промышленных измерительных вибропреобразователей.

В качестве вольтметров необходимо применять вольтметры, имеющие выход усиленного измеряемого сигнала для контроля формы и сравнения фазы его.

Для индикации резонанса наиболее пригодны двухлучевые осциллографы. При этом один луч используется для контроля амплитуды формы сигнала и ИП, установленного на испытуемом изделии, а другой - для наблюдения фигур Лиссажу, образованных сигналами с ИП, установленных на изделии и на столе вибрационного стенда или приспособлении для испытаний.

2.3. Индикация резонанса при использовании описанного устройства производится по сигналу с ИП, установленного на испытуемом изделии и при сравнении его с сигналом с ИП, установленного на столе вибрационного стенда или приспособления. При плавном изменении частоты колебаний стенда и при поддержании постоянства ускорения стола стенда или приспособления для испытаний при резонансе изделия будет наблюдаться увеличение напряжения по показаниям вольтметра и осциллографа на ИП, установленном на изделии, и поворот эллипса на экране осциллографа. Частота, на которой напряжение на ИП максимально, а эллипс поворачивается на 90°, равна резонансной частоте изделия.

В качестве ИП, с помощью которого контролируют ускорение на столе вибростенда или приспособлении для испытаний, возможно использование измерительного вибропреобразователя, с помощью которого устанавливается и автоматически поддерживается ускорение на приспособлении.

При применении систем управления вибрационными установками в качестве напряжения, пропорционального ускорению в точке крепления изделия, рекомендуется использовать напряжение, снимаемое с выхода катодного повторителя, используемого в системе управления вибрационной установки.

При этом резонансные частоты промежуточных звеньев крепления испытуемого изделия должны быть выше резонансной частоты изделия.

3. Метод индикации резонанса конструкции с использованием пьезоэлектрического детектора

3.1. Устройство индикации резонанса с использованием пьезоэлектрического детектора применяют для определения резонансных частот малогабаритных и миниатюрных изделий и их элементов массой до 100 г в диапазоне частот до 10 кГц при использовании электродинамического стенда и до 50 кГц и выше при использовании пьезоэлектрического вибратора.

3.2. Структурная электрическая схема устройства определения резонансных частот представлена на черт. 12 настоящего приложения. Основным элементом установки является пьезоэлектрический детектор резонансных частот, который является приемником колебаний и будучи непосредственно связанным с резонирующей деталью, преобразует его колебания в электрический сигнал. В качестве детектора используется элемент, изготовленный из любой пьезокерамики. Для определения резонансных частот исследуемое изделие закрепляют на платформе детектора резонансных частот. Крепление исследуемых изделий осуществляют с помощью приспособлений или без них с помощью специальной мастики (70% воска по ГОСТ 21179, 30% канифоли по ГОСТ 19113).

3.3. Электрические сигналы от детектора резонансов и от задающего генератора, предназначенного для возбуждения вибратора, соответственно поступают на вертикальный и горизонтальный входы осциллографа. При плавном изменении частоты колебаний вибратора, поддерживая постоянным ускорение вибрации, на резонансной частей изделия наблюдается поворот эллипса на экране осциллографа из-за сдвига фазы сигнала от детектора резонансов.

Резонансную частоту изделия отмечают по частотомеру.

4. Метод индикации конструкции с использованием емкостных вибропреобразователей

4.1. Устройство индикации резонанса с использованием емкостных вибропреобразователей (ЕВП) применяют при испытании токопроводящих изделий и деталей площадью не менее 30 мм^2, если отсутствует возможность размещения на них пьезоэлектрических вибропреобразователей.

4.2. Структурная схема устройства представлена на черт. 13 настоящего приложения.

В устройстве с использованием ЕВП испытуемое изделие является подвижной обкладкой воздушного конденсатора, неподвижной обкладкой которого является искусственный электрод. В качестве такого искусственного электрода применяется пластина из металла, укрепленная на неподвижном держателе и расположенная на расстоянии 1-3 мм от поверхности испытуемого изделия таким образом, чтобы поверхность пластины была перпендикулярна к направлению вибрации. Площадь пластины должна быть не более площади испытуемого изделия. Пластина укрепляется на неподвижном держателе, защищенном от вибрации корпуса вибростенда, с помощью прокладок, воздушных камер и других демпферов.

К промежутку испытуемое изделие - искусственный электрод прикладывают постоянное напряжение 400-500 В через постоянный резистор с номинальным сопротивлением 2-5 МОм. При вибрации изделия расстояние от него до искусственного электрода меняется, следовательно, меняется емкость промежутка и по цепи источник питания - резистор - воздушный промежуток протекает переменный ток, пропорциональный виброскорости испытуемого изделия, в результате чего на резисторе образуется падение переменного напряжения, по величине которого можно контролировать изменение амплитуды колебаний испытуемого изделия. Для этого сигнал с резистора подают на ламповый вольтметр и затем на один из входов осциллографа, а на другой подают сигнал с выхода лампового вольтметра, к входу которого подсоединен ИП, установленный на столе стенда или приспособлении для испытаний; по этому ИП поддерживается постоянное ускорение на приспособлении или на столе стенда. Вольтметр и осциллограф, применяемые в данном устройстве, такие же, как и в устройстве с использованием пьезоэлектрических вибропреобразователей. При увеличении частоты вибрации и при поддержании постоянного ускорения на столе стенда или приспособлении для испытания изделия виброскорость стола или приспособления уменьшается пропорционально увеличению частоты, и напряжение, развиваемое ЕВП, также уменьшается. С приближением частоты вибрации к резонансной частоте изделия наблюдается увеличение напряжения по показаниям лампового вольтметра, которое достигает максимума на частоте вибрации, равной резонансной частоте изделия. На этой частоте так же, как и при использовании пьезоэлектрического вибропреобразователя, будет наблюдаться поворот эллипса на экране осциллографа на 90°.

5. Метод индикации резонанса конструкции с использованием электретных вибропреобразователей

5.1. Устройство индикации резонанса с использованием электретных вибропреобразователей (ВП) рекомендуется применять, если испытуемое изделие имеет площадь менее 30  или выполнено из изоляционного материала и размещение на нем пьезоэлектрического преобразователя невозможно. Применение электретных ВП не требует припайки проводников к изделию, как в устройствах с использованием емкостных вибропреобразователей, размещения на самом изделии, нанесения покрытий или рисок. Электретные ВП практически не ограничены по частоте и могут быть применены при определении резонансных частот как деталей микросхем, так и электродов генераторных ламп.

Для применения электретных ВП требуется обеспечение свободного доступа к испытуемым изделиям или к их деталям.

Электретный ВП так же, как и ЕВП образован неподвижным электродом и испытуемым изделием. Взаимное расположение их одинаково в обоих вибропреобразователях. В электретном ВП в качестве активного элемента применяется электрет, вплотную прилегающий к неподвижному электроду.

Электродом может служить поляризованная конденсаторная пленка из политетрафторэтилена или другие материалы толщиной 30-50 мкм. В результате поляризации на поверхности пленки образуется электрический заряд с поверхностной плотностью до  , который может сохраняться в течение продолжительного времени. При вибрации изделия напряженность поля и индуцированный заряд на неподвижном электроде, а следовательно, и потенциал его изменяются по величине пропорционально виброскорости испытуемого изделия.

5.2. Структурная схема устройства с использованием электретного ВП представлена на черт. 14 настоящего приложения.

Неподвижный электрод подключен к входу усилителя или лампового вольтметра, выход которого подключают к осциллографу. Частота вибрации, на которой напряжение с электретного вибропреобразователя, расположенного над испытуемой деталью изделия, имеет максимум, равна резонансной частоте этого изделия (детали).

Технология приготовления (поляризации) электретов представляет собой термообработку пленки в постоянном электрическом поле. Для приготовления электретов два слоя пленки размещаются в середине воздушного промежутка, образованного хромированными латунными пластинами (электродами), расположенными параллельно друг другу на расстоянии  мм.

На электроды подается постоянное напряжение  кВ и пленка нагревается до температуры °С, затем охлаждается в течение часа до комнатной температуры, после чего высокое напряжение отключается. Приготовленные таким образом электреты устанавливаются в изолированные кассеты для предохранения электретов от попадания пыли на них и для хранения. Могут применяться и другие способы получения электретов и режимы поляризации.

Конструкция электретного ВП представлена на черт. 15 настоящего приложения.

Пленочный электрет 8 вырезают в виде полоски длиной 30-35 мм и шириной, равной ширине электрода 9, и закрепляют на изоляционный стержень при помощи зажимного (из фторопласта) кольца 7.

5.3. При работе с электретным ВП необходимо выполнять следующие требования:

запрещается касаться пальцами или металлическими предметами рабочей области электрета (находящейся в контакте с электродами 9), так как это может привести к временной потере заряда электрета;

не рекомендуется проводить испытания при повышенной температуре (выше 50°С) в зоне расположения электретного ВП, так как это может привести к уменьшению заряда электрета;

корпус электретного ВП необходимо тщательно заземлять;

входное сопротивление усилителя или лампового вольтметра должно быть не менее 5 МОм;

электретный ВП при определении резонанса необходимо располагать по возможности ближе к испытуемому изделию так как чувствительность электретного ВП обратно пропорциональна величине зазора между электретом и изделием. Минимальное расстояние от электрета до изделия ограничивается только максимальной амплитудой колебания изделия при резонансе и составляет от 0,1 до 3,0 мм.

6. Метод индикации резонанса конструкции по изменению выходного сигнала

6.1. Индикацию резонанса по изменению выходного сигнала испытуемых изделий рекомендуется применять при испытании электровакуумных приборов, полупроводниковых приборов, реле, переключателей и т.п., выходные параметры которых могут являться функцией параметров вибрации их деталей. При этом нет необходимости вскрытия изделий с целью обеспечения свободного доступа к их деталям.

Применение данного метода целесообразно, если при испытании изделии на виброустоичивость может иметь место нарушение функционирования изделий. Данный метод не позволяет достоверно выявить резонирующую деталь.

6.2. Структурная схема для проведения испытаний на обнаружение резонансных частот по изменению выходного сигнала представлена на черт. 16 настоящего приложения.

Изделие, установленное на вибростенде, подключается к источникам питания, обеспечивающим электрический режим изделия, соответствующий максимальной чувствительности по выходным параметрам изделия. Выход изделия (анод, коллектор и т.п.) подключается через конденсатор к выходу усилителя или лампового вольтметра, по показаниям которого контролируется уровень выходного сигнала при изменении частоты вибрационной нагрузки. Частота, на которой наблюдается экстремум выходного сигнала или нарушение работоспособности изделия, является резонансной частотой изделия.

7. Метод индикации резонанса конструкции с использованием лазерного измерителя механических колебаний

7.1. Применение устройства индикации резонанса с использованием лазерного измерителя механических колебаний возможно при испытании любых изделий при обеспечении условия прямой видимости их, а также при измерении амплитуд колебаний при резонансе.

7.2. Структурная схема лазерного измерителя механических колебаний представлена на черт. 17 настоящего приложения. Излучение оптического квантового генератора (ОКГ), работающего в непрерывном одно-частотном режиме, падает на полупрозрачное зеркало, где расщепляется на 2 луча. Первый луч, поступающий на полупрозрачное зеркало, является опорным (гетеродинным), лучом, второй луч, пройдя через устройство сдвига частоты, зеркалами и фокусирующей системой направляется на испытуемое изделие. Рассеянное изделием излучение собирается фокусирующей системой и полупрозрачными зеркалами и совместно с опорным лучом падает на фотоприемник. Механические колебания изделия приводят к фазовой модуляции отраженного от него лазерного излучения. Напряжение с выхода фотоприемника через усилитель и ограничитель поступает на частотный детектор. С выхода частотного детектора сигнал, пропорциональный виброскорости изделия, поступает на осциллограф или вольтметр. Резонансная частота соответствует максимальному сигналу, снятому с выхода частотного детектора.

8. Метод индикации резонанса конструкции с использованием оптических увеличительных средств

8.1. В диапазоне частот до 1000 Гц индикацию резонанса можно осуществлять по результатам контроля изменения амплитуд колебаний испытуемых изделий с использованием оптических увеличительных средств. К таким средствам относятся: лупы, зрительные, трубы, микроскопы.

8.2. При вибрации изделия в поле зрения оптических инструментов создают линейные фигуры, имеющие вид отрезков прямых линий, эллипсов или окружностей. Наибольшее отклонение наблюдаемой фигуры от своего исходного положения, представляющего собой проекцию удвоенной амплитуды колебаний на плоскость, перпендикулярную к оси увеличительного инструмента, фиксируется как резонанс.

8.3. Для отличия резонансов, возникающих на исследуемом изделии, от резонансов стенда или корпуса изделия увеличительный инструмент перестраивают на резкое изображение какой-либо части корпуса изделия или стенда в непосредственной близости от точки крепления испытуемого изделия. Если корпус в этом диапазоне не резонирует, то резонансная частота изделия определена правильно. Если же корпус в этом диапазоне частот тоже резонирует, то это резонанс корпуса или стенда, а не изделия, при этом необходимо проводить дальнейший поиск резонанса. Индикация резонанса таким методом может быть осуществлена и на более высоких частотах, но это требует применения увеличительных инструментов с высокой разрешающей способностью и большого опыта работы с ними.

9. Метод индикации резонанса конструкции по результатам органолептического анализа

9.1. Непосредственное физиологическое восприятие вибрации и ориентировочная оценка ее параметров - органолептический анализ - проводятся испытателем без каких-либо специальных физических приборов в диапазоне частот до 200 Гц. При этом возможно применение простейших инструментов: линейки, циркуля и др.

Индикация резонанса проводится по увеличению колебаний, наблюдаемых визуально, возрастанию уровня звуковых колебаний, создаваемых резонирующим изделием, или характерному искажению звуковых колебаний при испытании, а также по результатам ощущения при непосредственном прикосновении пальцев к испытуемому изделию.

Разновидностью органолептического анализа для определения резонансных частот является совмещенный анализ механического и зрительного восприятия. Остро отточенный карандаш твердости не менее Т прикладывают острием к испытуемому изделию. При этом карандаш держат кончиками пальцев за незаточенный конец. Изменяя частоту вибрации, наблюдают за колебаниями острия. При резонансе изделия острие периодически как бы зависает над изделием, что воспринимается зрительно, и карандаш соскальзывает с изделия, что воспринимается зрительно, и карандаш соскальзывает с изделия, что воспринимается осязанием.

10. Метод индикации резонанса конструкции с использованием СВЧ генератора

10.1. Устройство индикации резонанса с использованием СВЧ генератора рекомендуется для определения резонансных частот в основном консольно-закрепленных малогабаритных и миниатюрных изделий массой до 50 г.

В основу устройства положен принцип амплитудной модуляции сигнала СВЧ генератора с частотой механических колебаний изделия.

10.2. Структурная схема устройства для определения резонансных частот представлена на черт. 18 настоящего приложения. Основным элементом устройства является резонатор с антенной. На участке резонатора, где имеется максимальная напряженность, создается СВЧ поле снаружи резонатора между антенной и корпусом резонатора. Рабочая длина волны, определяемая выбранным СВЧ генератором, и длина антенны определяют линейные размеры СВЧ поля.

10.3. Испытуемое изделие закрепляют на столе вибратора и помещают в СВЧ поле между антенной и корпусом резонатора.

Низкочастотные колебания испытуемого изделия модулируют СВЧ сигнал с частотой механических колебаний изделия.

При совпадении частоты механических колебаний с резонансной частотой испытуемого изделия амплитуда колебаний резко увеличивается, что приводит к увеличению амплитудной модуляции СВЧ сигнала. Низкочастотную огибающую СВЧ сигнала, поступающего с детекторной головки, анализируют с помощью низкочастотного анализатора. Конструкция резонатора показана на черт. 19 настоящего приложения.

11. Метод определения низшей резонансной частоты деталей изделия, имеющих предварительное натяжение, методом удара

11.1. Метод предназначен для определения низшей резонансной частоты подвижных деталей конструкции изделия, имеющего кусочно-линейную упругую характеристику (см. черт. 19 а).

11.2. Испытание проводят на ударных стендах, обеспечивающих форму импульса ударного ускорения, близкую к полусинусоидальной. Крепление изделий проводят в соответствии с методом 104-1.

11.3. Испытание проводят одним из двух способов:

а) изделие подвергают воздействию трех ударов с одинаковыми параметрами, значения которых устанавливают такими, чтобы было достигнуто перемещение подвижного узла изделия. При испытании измеряют пиковое ударное ускорение , длительность действия ударного ускорения (в секундах) и пиковое перемещение подвижной детали . Измерение перемещения рекомендуется проводить при помощи реостатных преобразователей, токосъем которых прикрепляют к подвижной детали.

Допускается проводить измерение перемещения другими методами (например, емкостным, индуктивным, фотографическим).

За значение перемещения для дальнейших расчетов принимают среднеарифметическое трех измерений;

б) изделие подвергают нескольким ударам с переменными параметрами, подбирая параметры удара так, чтобы было достигнуто наибольшее допустимое перемещение подвижной детали , которое может быть определено по изменению коммутационного положения контактов.

11.4. Значение низшей резонансной частоты изделия вычисляют в следующем порядке:

вычисляют относительное предварительное натяжение по формуле (1) для прямоходовых систем и по формуле (2) - для поворотных систем

, (1)

, (2)

где и - соответственно сила и момент предварительного натяжения упругого элемента изделия, Н; ;

m и - масса и момент массы подвижной детали соответственно, кг; кгм;

- угол наклона центра масс подвижной детали относительно вертикальной оси, град;

g - ускорение земного притяжения, ;

вычисляют относительный коэффициент нелинейности подвижной детали (5) по формуле

, (3)

где - относительное предварительное натяжение, ;

- пиковое ударное ускорение, ;

по черт. 19 б выбирают линию для вычисления значения 8.

Если значение отличается от значений, приведенных на черт. 19б, то прочерчивают методом линейной интерполяции линию, соответствующую вычисленному значению ;

вычисляют коэффициент динамичности системы по формуле

, (4)

где - длительность ударного импульса, с;

- пиковое перемещение подвижной детали, м;

- пиковое ударное ускорение, ;

определяют значение по черт. 19б для вычисленных значений и ;

определяют низшую резонансную частоту в Гц по формуле

. (5)

Разд. 11. (Введен дополнительно, Изм. N 8).