Szabályozás

RÁZÓGÉPEK SZABÁLYOZÁSA

A vezérlő feladata a rázógép szabályozás: az armatúra mozgásának hozzáigazítása a kívánt rezgésjel formájához.

 

Az armatúra és a rázógéptest között uralkodó elektromágneses tér kölcsönhatásai hozzák létre az egy-egy szabadságfokú rezgőrendszert, mely azonban a rázógéptest rugós alátámasztása miatt egy másik (nagyobb tömegű) egy-szabadságfokú rezgőrendszeren belül helyezkedik el. Az armatúrára szerelt próbatest pedig a tárgytartó rugalmassága miatt szintén egy egy-szabadságfokú rezgőrendszert alkot.

A vezérlés mibenléte - szabályozás

Rázógéprendszer tömegei

Mekkora erő kell a gerjesztéshez?

Amennyiben meg szeretnénk tudni, hogy mekkora erőt kell kiadnia a rendszernek a teszttárgy kívánt jelformájú gerjesztéséhez, valamint még a teszt megkezdése előtt ellenőrizni kívánjuk annak kivitelezhetőséget, akkor azt az alábbi képlettel megtehetjük.

F = (m2 + m3a + m3b) · a

ahol

F: erő (N)

a: sebesség (m/s2)

m2: armatúra tömege (kg)

m3a: asztal tömege (kg)

m3b: teszttárgy tömege (kg)

 

Egy egyszerű példával szemléltetve:

F = (30 kg +45 kg + 35 kg) x 98,0 m/s2 = 10780 N

Erre egyből rá is vághatná, hogy a fenti példa alapján elég egy 11 kN-os rázógép a feladat elvégzésére. Azonban a valóságban minden esetben többel kell számolnunk a különböző fluktuációk miatt, így ha egy 1,2 ~ 1,3-as szorzót még bekalkulálunk a kapott minimumba, úgy már egészen jó közelítéssel és biztonsággal választhat a kínálatból. Tehát a fenti példánál maradva, a kívánt feladatra egy 10780 N x 1,3 = 14014 N-os rázógépet (vagy felette) kell választani.

Izolációs állapot

A rázógép kinematikai modelljéből adódik is rögtön, hogy az erőhatások többféle üzemi állapotot is eredményezhetnek, vektoruk nagysága és fázisszöge gyanánt. Fontos ennek kapcsán megemlíteni, hogy több módot különíthetünk el a rázógépet érő erőket illetően: nagyon alacsony frekvencia esetén (gyakran a működési frekvencia alatti tartományra kell gondolni) az izolációs felfüggesztésnek köszönhetően a rázógéptest kvázi merev testként kezelhető, így a gépalkatrészek között nincs rezgésátadás.

 

Felfüggesztési állapot

A működési frekvencia alsó határán történő üzemelés esetén (jellemzően 10 Hz-től 40 Hz-ig) az ún. felfüggesztési állapot dominál. Ilyenkor a tekercs és az asztal együtt mozog a géptesthez viszonyítva.

SZABÁLYOZÁSHOZ SZÜKSÉGES VISSZAMÉRÉS

A rázógép mozgásainak és a vizsgalat alatt lévő tárgy mozgásai ill. deformációi mérésére akár abszolút, akár relatív rezgésmérők ill. elmozdulásmérők is alkalmazhatók. Korszerű rázógépvezérlők ehhez igen sokféle érzékelőtípust támogatnak.

a) abszolút érzékelők

Ezek a rezgésérzékelők extrém hőmérsékletű alkalmazások esetében töltéskimenettel, „normál” esetekben ICP-kivitelben kerülnek alkalmazásra. Nagyon alacsony frekvenciájú gerjesztések esetében az elektrodinamikus rezgéssebesség-érzékelők lehetnének előnyösek.

A vezérlés mibenléte 2 - szabályozás

MEMS vagy kapacitív DC-gyorsulásérzékelők

A vezérlés mibenléte4 - szabályozás

Elektrodinamikus rezgéssebesség-érzékelők

 
 
A vezérlés mibenléte3 - szabályozás

Piezoelektromos gyorsulásérzékelők

b) relatív rezgésérzékelők / távolságérzékelők

A rázógép-armatúra és a tárgy mozgásai természetesen meg lehet mérni elmozdulásérzékelőkkel (= relatív rezgésmérő), de a „nem rezgő” referenciatárgy megtalálása nem egyszerű feladat. Ez a probléma fennáll, akár az örvényáramú vagy kapacitív érzékelők alkalmazása esetében, akár lézeres rezgésmérők (lézer-interferométerek) alkalmazása során.

 

A vezérlés mibenléte5 - szabályozás

Örvényáramú elmozdulásérzékelő

c) egyéb érzékelők

Vannak olyan esetek is, amikor a tárgyra ható dinamikus erő, vagy a tárgyon belül keletkező erőhatások visszamérése is szükséges. Ehhez - a tárgy méretétől függően - az akár nagyon kis méretben kapható piezoelektromos dinamikus erőérzékelők alkalmasak. Legyünk azonban tekintettel arra, hogy ezek az érzékelők csak az erőváltozást képesek érzékelni (a piezoelektromos effektus miatt), a statikus erőkomponensek mérésére nincs mód!

 

Piezoelektromos erőérzékelők

JELFORMÁK, VIZSGÁLATI ELJÁRÁSOK

A rázógép feladata különböző rezgések előállítása. Az ehhez szükséges energiatartalmú feszültséget (és áramot) a teljesítményerősítő állítja elő. Azonban a nagy teljesítményű „jel” előállításához szükséges, visszacsatolásos szabályozással korrigálandó vezérlőjel előállítása a rázógépvezérlő egységre hárul. A korszerű vezérlőegységek a következő típusú tesztekre szoktak alkalmasak lenni:

  • szinuszos gerjesztés

  • véletlenszerű (Random) rezgéstesztek

  • sokk (ütés-)tesztek

  • fentiekből összetett jelformájú tesztek

  • élettartam-vizsgálatok (pl. fázis- vagy frekvenciaszabályozással)

Szinusz teszt

Vegyünk alapul egy egyszerű hangvillát. Ha megütjük a hallható hang jelformája éppen szinuszos egy adott frekvencián. Így vannak az összes szilárd testek: geometriájuknak megfelelően irányfüggően egy vagy akár több ún. sajátfrekvenciával rendelkeznek, melyeken a legmagasabb kitéréssel (amplitúdóval) végezhetnek alternáló mozgást, tehát rezonanciafrekvenciájú rezgésben vannak.

Tipikus felhasználásai között szerepel a rezonanciakeresés, valamint az átviteli függvény meghatározása.

 

A vezérlés mibenléte7 - szabályozás

Különböző amplitúdójú szinuszgerjesztést tartalmazó tesztprofil

Élettartam / tartóssági vizsgálatok

A termék fáradásos változások mérésével kalkulálható a várható élettartama. Éveken keresztül ehhez olyan kalkulációs eljárásokat alkalmaztak, melyek a termék anyagának Wöhler-görbéjén alapult. A legújabb szoftverek az úgynevezett "Rain flow" analízis eljárásai az aktuálisan mért rezgésekhez igazodva meghatározzák az ekvivalens anyagfáradás értékét és kalkulálják a várható időt a törés bekövetkeztéig.

 

A vezérlés mibenléte9 - szabályozás
Véletlenszerű rezgésen alapuló fáradásos törés teszt kurtozis-korrekcióval

 

A hagyományos véletlenszerű rezgésgerjesztések a Gauss-féle eloszláson alapulnak, mely rendelkezik a középérték körül a legnagyobb gyakorisággal. Ennek megfelelően a hagyományos véletlenszerű gerjesztések - gyorsulásértékek - az idő döntő részében nulla-közeli értékű. A legtöbb valós gerjesztés pedig szignifikáns mértékben nagyobb időarányban tartalmaz csúcsértékű gyorsulásokat, mint a Gauss-féle eloszlás szerinti, hagyományos véletlenszerű gerjesztések. A Kurtosis egy mérőszám, mely jelzi egy jeleloszlás eltérését a Gauss-féle normál eloszlási görbétől, más szóval a "kilógó" minták arányát a normál eloszlást követő mintákhoz képest.

Véletlen (Random) teszt

A véletlenszerű rezgéssel való bevizsgálások lényegesen jobban megközelítik a valós környezetben előforduló rezgésterheléseket. Elég, ha egy gépkocsi-kerék mindennapi mozgását leíró rezgésképét vesszük példának. A lenti ábráról megállapítható, hogy az ismert szinusz jelforma a legnagyobb jóindulattal sem vehető ki az időjelből.

Tehát mindenképpen szükséges egy olyan teszt megléte, mely a gyakorlathoz közeli állapotokat képes modellezni: ez a Random gerjesztés, amely során a különböző frekvenciájú és amplitúdójú rezgések egy meghatározott spektrumban gerjesztődnek bármely időpillanatban.

 

A vezérlés mibenléte8 - szabályozás

Véletlenszerű rezgésen alapuló vizsgálat profilja és „időjele”

 

A véletlen gerjesztés esetén alkalmazott spektrum megjelenítése tipikusan az energiaspektrum, ami a teljesítmény sűrűséget (G2 / Hz) ábrázolja a frekvencia függvényében. Ez az mutatja meg, hogy melyik frekvencián mérhető vissza a legnagyobb energia.

Sokk teszt

Leejtés, ütköztetés, vagy akár robbanásszerű erőhatások - mind olyan rezgéshatás, amit leginkább egy sokkteszttel (ütésteszttel) jellemezhető, modellezhető. Ennek megfelelően egyre több gyártó használ a termékek tesztelése során sokk tesztet, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy a termékeik állni fogják a sarat. A sokk tesztek során jellemzően csúcs amplitúdónyi impulzusokkal terhelik a teszt- tárgyat különböző időintervallumonként, meghatározott gyakorisággal és mennyiséggel.

Egyes vezérlőegységek többféle impulzusformákat is képesek alkalmazni a tesztek során, mint például fél-szinusz, háromszög, négyzet, trapezoid. (Mert ugye nem mintegy, hogy mobilunkat a fűre, parkettára vagy éppen a csupasz betonra ejtjük le.) Természetesen az említett sokk-hatások nem állandó jelleggel terhelik az adott tárgyat, de tapasztalati és túlbiztosítási okokból kifolyólag nagy hangsúlyt fektetnek ezeknek a teszteknek az eredményeire.

 

A vezérlés mibenléte10 - szabályozás

Sokk-teszt vizsgálati profil és időjelek

Rázógépek világa