eng
Выпуск #4/2013
А.Тюрин, И.Калапышина, М.Вьюгин
Акселерометры Analog Devices – исследование вибраций в трибоконтакте
Акселерометры Analog Devices – исследование вибраций в трибоконтакте
Просмотры: 3368
Обсуждается разработанная в Национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО) (Санкт-Петербург) экспериментальная установка регистрации вибраций и виброускорений, возникающих при работе различных механизмов. Установка выполнена на основе акселерометров и электронных компонентов компании Analog Devices
Схема эксперимента
Для проведения экспериментальных исследований был создан специальный прибор (рис.1). В его механической части (рис.1б) реализована схема контакта "индентор по диску". Привод установки состоит из асинхронного двигателя 3, приводящего во вращение диск через последовательную ременную передачу 4. Акселерометр ADXL327 5 измеряет виброускорения в диапазоне от 0 до 19 м/с2, ADXL326 6 – в диапазоне от 0 до 150 м/с2. Оба датчика сориентированы относительно глобальной системы координат и установлены непосредственно на инденторе 2. Позиция 7 – датчик линейных перемещений на основе линейного дифференциального трансформатора (ЛДТ) [3]. Регулировка скорости вращения диска производится дискретно (250, 500, 1000, 2000 об/мин.) с использованием роликов разных диаметров. В контрпаре трения индентор закреплен на специальном держателе и может перемещаться по двум координатным осям – X и Y. Поджатие обеспечивается регулировочными винтами пружин: в направлении X пружиной жесткостью k1, а в направлении Y – пружиной жесткостью k2. Вибрация создается при контактировании поверхностей трения, данные необходимо регистрировать по каждой из осей в диапазонах от 0 до 19 м/с2 и от 0 до 150 м/с2 [4].
Измерение виброускорений индентора в контакте
Для определения, обнаружения и контроля вибраций в механизмах используют различные типы акселерометров. С их помощью измеряются направление и величина виброускорения и другие параметры. Сегодня широко распространены акселерометры, выполненные по технологии МЭМС (микроэлектромеханические системы). Они имеют высокие рабочие характеристики в сочетании с малым энергопотреблением, миниатюрностью и низкой ценой.
Один из мировых лидеров в производстве МЭМС-акселерометров – компания Analog Devices. В ее номенклатуре – акселерометры с одной, двумя и тремя осями чувствительности, рассчитанные на максимальное ускорение от 1,5 до 250g. Семейство ADXL – базовые устройства, в которых сенсор и электроника реализованы на едином кристалле.
В качестве датчиков ускорения использовали два МЭМС-акселерометра ADXL327 и ADXL326 (см. таблицу) [5] с отличными друг от друга характеристиками, так как при испытаниях разных материалов виброускорения могут значительно различаться. К измерительной системе акселерометры подключали по специальной схеме (рис.2). Прецизионный повторитель на операционном усилителе AD8554 обеспечивал согласование импедансов на выходе датчика и входе АЦП. Сигнал с датчика пропускали только через усилитель и сразу подвергали оцифровке, а уже после этого обрабатывали цифровой сигнал при помощи преобразования Фурье. Внутренний резистор акселерометра ADXL327 и внешний конденсатор С1 образовывали фильтр нижних частот для среза помех выше 500 Гц. Напряжение питания +3,3 В акселерометра и усилителя AD8554 создавалось линейным регулятором напряжения LP2950-3.3.
Измерение линейных перемещений
Параллельно измерению виброускорений проводилась регистрация линейных перемещений индентора (он находился в постоянном контакте с диском). Датчик линейных перемещений ЛДТ имел точность 0,25%, частоту опроса до 250 Гц и высокую разрешающую способность (до 10 мкм). Для согласования выхода датчика и входа АЦП по диапазону напряжений и импедансу применяли операционный усилитель AD8554 (рис.3). В схеме подключения датчиков были установлены фильтры низких частот для пропускания сигналов с частотой не выше 300 Гц. Для оцифровки и визуализации сигнала использовали блок сбора данных E14-440, а также программу визуализации L-Graph 2 фирмы Л-КАРД [6, 7].
Результаты эксперимента
Исследования проводили для трех различных образцов сплавов: ЛС-59-1 (латунь), Ст30ХГС (сталь), АТ3 (титан) и диска из фторопласта в разных режимах трения [1–3]. Была получена зависимость амплитуды вибраций от времени (рис.4). Но выделение особенностей сигнала по его форме затруднительно, поэтому для оценки гармоник использовали спектральное представление сигнала. Оно формировалось на основе дискретного оконного преобразования Фурье с шириной окна 4096.
Полученные спектры (рис.5) позволили выявить ряд особенностей в процессах вибрации различных пар трения. Так, спектр вибросигнала пары трения фторопласт-латунь (рис.5а) смещен к области низких частот по сравнению с парой фторопласт-сталь (рис.5б). Это связано с особенностями микропрофилей шероховатых поверхностей трения, а также со строением поверхностных слоев, химическими и физическими свойствами трущихся материалов. Такие различия спектров свидетельствуют о более интенсивном износе пары фторопласт-латунь по сравнению с парой фторопласт-сталь. Отметим, что ранее аналогичные закономерности износа были получены на основе сравнения экспериментальных профилограмм поверхностей этих пар трения [8].
Поведение пары фторопласт-титан AT3 (рис.5в) показывает наличие диссипации энергии, смещенной к области высоких частот (около 450 Гц). Предположительно, это связано с низкой теплопроводностью обоих материалов: появляются "мостики схватывания", вызванные температурными вспышками от взаимодействия микрорельефов.
Таким образом, применение акселерометров Analog Devices позволило измерить виброускорения по трем осям в различных диапазонах частот. В результате была существенно дополнена картина происходящих в трибоконтакте процессов.
Литература
Мусалимов В.М., Валетов В.А. Динамика фрикционного взаимодействия. – Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2006.
Современная трибология: Итоги и перспективы. / Отв. ред. К.В.Фролов. – М.: Изд-во ЛКИ, 2008.
Тюрин А.Е., Исмаилов Г.М. Вибродиагностика автоколебательных процессов в трибоконтакте фторопласт-сплавы. – Конструкции из композиционных материалов, 2013, №2, с.58–64.
Калапышина И.И. Моделирование динамики станка для обработки стекол под воздействием вибраций. – Приборостроение, 2012, №6, с.74–75.
Data Sheet AD 326, 327, 8554 – www.analog.com/ru/index.html
www.lcard.ru
Тюрин А.Е., Исмаилов Г.М., Мусалимов В.М., Ларин М.С. Использование технологий захвата изображений для оценки кинематических параметров трибопар. – Научное обозрение, 2013, №3, с.20–26.
Wayne V.N., Arun M.J. Friction induced vibration. – General Motors Corporation. Warren, MI 48090. 1997.
Для проведения экспериментальных исследований был создан специальный прибор (рис.1). В его механической части (рис.1б) реализована схема контакта "индентор по диску". Привод установки состоит из асинхронного двигателя 3, приводящего во вращение диск через последовательную ременную передачу 4. Акселерометр ADXL327 5 измеряет виброускорения в диапазоне от 0 до 19 м/с2, ADXL326 6 – в диапазоне от 0 до 150 м/с2. Оба датчика сориентированы относительно глобальной системы координат и установлены непосредственно на инденторе 2. Позиция 7 – датчик линейных перемещений на основе линейного дифференциального трансформатора (ЛДТ) [3]. Регулировка скорости вращения диска производится дискретно (250, 500, 1000, 2000 об/мин.) с использованием роликов разных диаметров. В контрпаре трения индентор закреплен на специальном держателе и может перемещаться по двум координатным осям – X и Y. Поджатие обеспечивается регулировочными винтами пружин: в направлении X пружиной жесткостью k1, а в направлении Y – пружиной жесткостью k2. Вибрация создается при контактировании поверхностей трения, данные необходимо регистрировать по каждой из осей в диапазонах от 0 до 19 м/с2 и от 0 до 150 м/с2 [4].
Измерение виброускорений индентора в контакте
Для определения, обнаружения и контроля вибраций в механизмах используют различные типы акселерометров. С их помощью измеряются направление и величина виброускорения и другие параметры. Сегодня широко распространены акселерометры, выполненные по технологии МЭМС (микроэлектромеханические системы). Они имеют высокие рабочие характеристики в сочетании с малым энергопотреблением, миниатюрностью и низкой ценой.
Один из мировых лидеров в производстве МЭМС-акселерометров – компания Analog Devices. В ее номенклатуре – акселерометры с одной, двумя и тремя осями чувствительности, рассчитанные на максимальное ускорение от 1,5 до 250g. Семейство ADXL – базовые устройства, в которых сенсор и электроника реализованы на едином кристалле.
В качестве датчиков ускорения использовали два МЭМС-акселерометра ADXL327 и ADXL326 (см. таблицу) [5] с отличными друг от друга характеристиками, так как при испытаниях разных материалов виброускорения могут значительно различаться. К измерительной системе акселерометры подключали по специальной схеме (рис.2). Прецизионный повторитель на операционном усилителе AD8554 обеспечивал согласование импедансов на выходе датчика и входе АЦП. Сигнал с датчика пропускали только через усилитель и сразу подвергали оцифровке, а уже после этого обрабатывали цифровой сигнал при помощи преобразования Фурье. Внутренний резистор акселерометра ADXL327 и внешний конденсатор С1 образовывали фильтр нижних частот для среза помех выше 500 Гц. Напряжение питания +3,3 В акселерометра и усилителя AD8554 создавалось линейным регулятором напряжения LP2950-3.3.
Измерение линейных перемещений
Параллельно измерению виброускорений проводилась регистрация линейных перемещений индентора (он находился в постоянном контакте с диском). Датчик линейных перемещений ЛДТ имел точность 0,25%, частоту опроса до 250 Гц и высокую разрешающую способность (до 10 мкм). Для согласования выхода датчика и входа АЦП по диапазону напряжений и импедансу применяли операционный усилитель AD8554 (рис.3). В схеме подключения датчиков были установлены фильтры низких частот для пропускания сигналов с частотой не выше 300 Гц. Для оцифровки и визуализации сигнала использовали блок сбора данных E14-440, а также программу визуализации L-Graph 2 фирмы Л-КАРД [6, 7].
Результаты эксперимента
Исследования проводили для трех различных образцов сплавов: ЛС-59-1 (латунь), Ст30ХГС (сталь), АТ3 (титан) и диска из фторопласта в разных режимах трения [1–3]. Была получена зависимость амплитуды вибраций от времени (рис.4). Но выделение особенностей сигнала по его форме затруднительно, поэтому для оценки гармоник использовали спектральное представление сигнала. Оно формировалось на основе дискретного оконного преобразования Фурье с шириной окна 4096.
Полученные спектры (рис.5) позволили выявить ряд особенностей в процессах вибрации различных пар трения. Так, спектр вибросигнала пары трения фторопласт-латунь (рис.5а) смещен к области низких частот по сравнению с парой фторопласт-сталь (рис.5б). Это связано с особенностями микропрофилей шероховатых поверхностей трения, а также со строением поверхностных слоев, химическими и физическими свойствами трущихся материалов. Такие различия спектров свидетельствуют о более интенсивном износе пары фторопласт-латунь по сравнению с парой фторопласт-сталь. Отметим, что ранее аналогичные закономерности износа были получены на основе сравнения экспериментальных профилограмм поверхностей этих пар трения [8].
Поведение пары фторопласт-титан AT3 (рис.5в) показывает наличие диссипации энергии, смещенной к области высоких частот (около 450 Гц). Предположительно, это связано с низкой теплопроводностью обоих материалов: появляются "мостики схватывания", вызванные температурными вспышками от взаимодействия микрорельефов.
Таким образом, применение акселерометров Analog Devices позволило измерить виброускорения по трем осям в различных диапазонах частот. В результате была существенно дополнена картина происходящих в трибоконтакте процессов.
Литература
Мусалимов В.М., Валетов В.А. Динамика фрикционного взаимодействия. – Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2006.
Современная трибология: Итоги и перспективы. / Отв. ред. К.В.Фролов. – М.: Изд-во ЛКИ, 2008.
Тюрин А.Е., Исмаилов Г.М. Вибродиагностика автоколебательных процессов в трибоконтакте фторопласт-сплавы. – Конструкции из композиционных материалов, 2013, №2, с.58–64.
Калапышина И.И. Моделирование динамики станка для обработки стекол под воздействием вибраций. – Приборостроение, 2012, №6, с.74–75.
Data Sheet AD 326, 327, 8554 – www.analog.com/ru/index.html
www.lcard.ru
Тюрин А.Е., Исмаилов Г.М., Мусалимов В.М., Ларин М.С. Использование технологий захвата изображений для оценки кинематических параметров трибопар. – Научное обозрение, 2013, №3, с.20–26.
Wayne V.N., Arun M.J. Friction induced vibration. – General Motors Corporation. Warren, MI 48090. 1997.
Отзывы читателей
