ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ. Проведение исследования вибрационных характеристик лопаток турбомашин методом свободных колебаний с ударным возбуждением (лабораторная работа № 1) дает

И ФОРМ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН

МЕТОДОМ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Проведение исследования вибрационных характеристик лопаток
турбомашин методом свободных колебаний с ударным возбуждением
(лабораторная работа № 1) дает ограниченные результаты - значения
собственной частоты колебаний по первой изгибной форме. Кроме
того, для лопаток со сложной конфигурацией пера и эта задача
трудно выполнима, так как при ударе возбуждаются одновременно
несколько форм колебаний, различение которых в сигнале датчиков
требует достаточно сложной аппаратуры (анализаторы спектра).

Полная картина спектра собственных частот и форм колебаний получается при возбуждении лопатки внешним источником колебаний.

Цель работы

В результате проведения лабораторной работы получаются два
результата:

- набор (спектр) собственных частот колебаний лопатки;

- набор картин узловых линий (форм), соответствующих собствен-ным частотам.

Описание аппаратуры

2.1. Блок-схема

Блок-схема комплекта аппаратуры и характер соединения
приборов показаны на рис. 1.

Генератор, частотомер, осциллограф относятся к универсальному оборудованию; вибратор, вибропреобразователь, зажимное приспособле-ние – к специальному.

Рис. 1. Блок-схема аппаратуры к лабораторной работе № 2:

1 – исследуемая лопатка; 2 – зажимное приспособление; 3 – опорная плита;

4 – вибратор; 5 – шток вибратора; 6 – источник постоянного тока; 7 – генератор – источник тока регулируемой частоты; 8 – электронный осциллограф; 9 – пьезокристаллический вибропреобразователь; 10 – частотомер; А – магнитный зазор; Б - электрический разъем постоянного магнита вибратора, В – электрический разъем катушки подвижной рамки

2.2. Электродинамический вибратор

Электродинамический вибратор (ЭДВ) предназначен для возбуждения колебаний лопаток.

Конструктивная схема ЭДВ показана на рис. 2.

Рис. 2. Конструктивная схема

электродинамического

вибратора:

1 – шток;

2 – подвижная рамка;

3 – подвеска подвижной рамки;

4 – катушка подвижной рамки;

5 – магнитопровод;

6 – катушка постоянного

магнита;

А – магнитный зазор;

Б – контакты постоянного

магнита;

В – контакты катушки

подвижной рамки

ЭДВ работает следующим образом.

При подаче постоянного тока на контакты Б в катушке 6 возникает постоянное магнитное поле, распространяющееся по магнитопроводу 5 и заполняющее магнитный зазор А. В указанном зазоре размещена катушка 4 подвижной рамки 2. На контакты В катушки подвижной рамки подают переменный ток, меняющийся по гармоническому закону , где J_а - амплитуда тока; - частота его изменения; - время. Источником тока регулируемой частоты (20...20 000 Гц) служит генератор (рис. 1, поз. 7). На катушку начинает действовать переменная по величине и направлению сила , где l - длина проводника в катушке; В – магнитная индукция постоянного магнита. Под действием этой силы подвижная рамка, закрепленная на пластинчатых подвесах (рис. 2, поз. 3), совершает возвратно-поступательное движение с частотой , которое через шток (рис. 2, поз. 1) передается лопатке.

2.3. Вибропреобразователь

Вибропреобразователь (ВП) предназначен для восприятия
механических колебаний лопатки и преобразования их в
электрический сигнал.

Устройство пьезокристаллического ВП показано на рис. 3.

Рис. 3. Пьезокристаллический

вибропреобразователь:

1 – игла–щуп;

2 – корпус;

3 – пружинная гайка;

4 – инерционная масса;

5 – пьезоэлементы;

6 – электрический вывод

ВП работает следующим образом.

При наложении иглы-щупа 1 на исследуемое тело (лопатку) колебания тела передаются через иглу и корпус 2 инерционной массе 4, прижатой пружинной гайкой 3 к пьезокристаллическим элементам 5.

Таким образом, на пьезоэлементы действует сила , где m - инерционная масса, а - ее ускорение (виброускорение). Пьезоэлементы вырабатывают электрические заряды, пропорциональные величине силы.

ЭДС вибропреобразователя линейно связана с виброускорением: , где К - коэффициент преобразования. Для вибропреобразователя ДН3: К = 10 мВ/(м/с²). Для вибропреобразователя 1ПА9: К = 30 мВ/(м/с²).

Если тело испытывает колебания с перемещениями и, соответственно, с виброускорениями , то вибропреобразователь вырабатывает переменную ЭДС (знак опущен) .

Измеряя указанную ЭДС и зная частоту колебаний, можно определить виброперемещение и виброускорение тела. При подаче сигнала вибропреобразователя на осциллограф можно наблюдать характер изменения параметров колебаний лопатки.

2.4. Работа аппаратуры

После закрепления лопатки (рис. 1) в зажимном приспособлении 2, установленном на плите 3, вибратор 4 присоединяют к лопатке с помощью штока 5. На вибратор подают постоянный ток от выпрямителя 6 и ток регулируемой частоты от генератора 7.

Колебания подвижной рамки вибратора через шток передаются лопатке. Лопатка испытывает вынужденные колебания. Наложенный на лопатку вибропреобразователь вырабатывает сигнал, пропорциональный амплитуде и частоте колебаний лопатки. Частота изменения сигнала равна частоте колебаний рамки, т. е. частоте тока, подаваемого от генератора. Регулируя силу и частоту изменения тока, вырабатываемого генератором, можно получить различные колебательные состояния лопатки. Параметры этих колебаний можно исследовать, наблюдая характер сигнала вибропреобразователя на экране осциллографа 8. Данный сигнал имеет вид синусоиды, период которой Т = 1 / f, где f - частота изменения тока, выра-батываемого генератором.