Для определения закономерностей движения системы запишем дифференциальное уравнение движения массы m по времени t:

(14)

(15)

Подставив значение z, получим

,

где точки над буквами обознача­ют дифференцирование по времени.

Для анализа работы вибропреобразователя введем в уравнение (15) следующие обозначения:

 - частота собственных колебаний системы;

 - коэффициент затуха­ния.

(16)

Тогда                          .

Если в приборе нет демпфирующего элемента  и частота собственных колебаний незначительная , то. Пренебрегая произвольными постоянными, получим , и показания прибора будут соответствовать действительным перемещениям испытываемой конструкции. Такой прибор называется виброметром.

Инерционная масса (или сейсмомасса) при податливой пружине практически не меняет своего положения в пространстве.

Если при низкой частоте собственных колебаний  в прибор ввести хорошо гасящий колебания демпфирующий элемент, то из уравнения (16), пренебрегая первым и третьим слагаемыми, получим , откуда . Такой прибор служит для определения скорости колебаний и его называют виброметром скорости (вибровелосиметром).

При отсутствии демпфера и высокий частоте колебаний перемещение массы пропорционально ускорению;  и такой прибор является виброметром ускорения (виброакселерометром).

Виброизмерительные приборы можно разделить на две основные группы: контактные и дистанционные (рис.8). К контактным приборам относятся механические и оптические приборы, применяемые чаще при освидетельствовании конструкций для приближённого определения параметров колебаний (амплитуд и частот). Аналогично назначение и оптических приборов. Более точные измерения могут быть получены приборами с регистрацией показаний на специальной ленте или бумаге ручным вибрографом или вибрографом Гейгера.

Бесспорными преимуществами обладают дистанционно работающие вибропреобразователи, устанавливаемые на испытываемой конструкции (первичные приборы), сигнал которых записывается вторичными прибо­рами, установленными на определенном расстоянии от испытываемой конструкции.

Процесс измерения динамических характеристик испытываемой кон­струкции обычно состоит из следующих операций:

-преобразование измеряемой величины в другую физическую вели­чину более удобную для измерения;

-измерение вторичной физической величины;

-регистрация измерений;

-обработка результатов измерений.

4.1.2. Характеристики используемых приборов

4.1.2.1.   Вибромарка

Вибромарка инженера Р.И. Аронова (рис. 7) служит для измерения вибрации с постоянной амплитудой. Принцип действия прибора основан на оптическом эффекте человеческого глаза, т. е. на слитности восприятий явлений, чередующихся быстрее 7 раз в 1 секунду. Следовательно, вибромарка применима при колебаниях с частотой 17 циклов в секунду с малой амплитудой или 8 циклов в секунду при большей амплитуде, так как при меньшем числе колебаний наблюдатель не может надёжно видеть фигуру возникающего клина. Чем больше амплитуда вибрации, тем ближе к основанию расположится остриё клина (рис. 9). Таким образом, вибромарка может быть протарирована как приспособление для измерения амплитуд.

Вибромарка вычерчивается на бумаге в виде острого угла с основанием b=5...20 мм и L=50...200 мм и наклеивается на поверхность конструкции, размах колебаний которой требуется определить. Колебания совершаются в направлении стрелок (Рис. 10). Наблюдатель может измерить расстояние l до пересечения сдвоенных треугольников, а затем определить амплитуду колебаний по формуле

(17)

.

4.1.2.2. Ручной виброграф

Для записи колебаний высокой частоты могут с успехом применяться ручные вибрографы. Среди них нашел большое распространение ручной виброграф марки ВР-1, который при записи виброграммы удерживается непосредственно в руках экспериментатора и не требует никакой подставки.

Виброграф (рис. 11) состоит из корпуса 1, в который запрессована трубка 2. Внутри трубки расположен стержень 3 с выступающим наружу наконечником 4. Верхний конец стержня проходит в корпус и упирается своим наконечником в рычаг 5, оттягиваемый книзу концом спиральной пружины 6, прикрепленной к поводку 7. Поводок может передвигаться вдоль трубки и закрепляться в желаемом положении двумя винтами 8. Передвигая по­водок книзу, можно увеличить давление пружины на стержень. Чтобы давление пружины не вытолкнуло стержень вниз, в верхней его части, под наконечником насажена сферическая шайбочка 9, упирающаяся в соответствующее гнездо.

На свободном конце рычага имеется острие, которое производит запись виброграммы путем царапания воскового слоя, покрывающего бумажную ленту 10 шириной 24 мм.
На этой же ленте рядом с виброграммой наконечник 11 (отметчик времени) делает отметку времени в виде черточек, наносимых с интервалом в 1 секунду. Лентопротяжный механизм приводится в действие часовой пружиной 12, заводимой ключом 13.

Отметчик времени может работать от собственной батареи, помещающейся в отсеке 14, или от внешнего источника электрического тока, включаемого в соответствующее штепсельное гнездо. Реле отметчика времени, и приводное устройство помещены в отсеке 15. Ручка 16 для приведения вибрографа в действие расположена на крышке корпуса.

Общие габариты прибора: 80 X 130X230 мм. Вес прибора с рычажным приспособлением равен 1.7 кг. Амплитуды колебаний от 0.05 до 1.5 мм записываются с шестикратным увеличением; амплитуды колебаний от 1, 5 до 6 мм записываются в натуральную величину или с двукратным увеличением, для чего на конец трубки надевается специальное рычажное приспособление 17, состоящее из шарнирного параллелограмма, в верхний стержень которого упирается наконечник 4.

Для записи амплитуд и марок времени следует наконечник 4 или рычажное приспособление 17 привести в соприкосновение с вибрирующим элементом конструкции, ориентировав стержень 3 по направлению колебаний исследуемого элемента, и включить виброграф, повернув ручку 16. При самом сильном натяжении пружины стержень 3 с наконечником 4 может следовать за элементом, имеющим ускорение до 20 g.

Корпус прибора со всеми относящимися к нему частями образует инертную массу, которая удерживается руками экспериментатора.

Ручной виброграф записывает виброграмму с амплитудами от 0,05 до 6 мм при частотах от 5 до 100 Гц.

Недостатком ручного вибрографа является сравнительно невысокая точность (до 8%), а так же ограниченные параметры измеряемых амплитуд и частот.

4.1.2.3.Светолучевой осциллограф

Светолучевой осциллограф предназначен для визуального наблюдения и синхронной записи на фотоленте функций одной или нескольких (до 12) исследуемых величин времени, называемых осциллограммами. Это обеспечивается набором гальванометров с различными собственными частотами и широким диапазоном скоростей движения фотоленты.

Для записи быстро меняющихся напряжений или деформаций конструкции с успехом применяются проволочные тензорезисторы с записью осциллограммы (виброграммы) на осциллографе. Тензорезисторы для динамических испытаний применяются такие же, как и для статических, но со значительно повышенным омическим сопротивлением до 500—1000 Ом, а иногда и до 2000 Ом.

При записи осциллограмм приходится усиливать ток, подаваемый про­волочными датчиками на осциллограф.

Взаимное расположение отдельных частей установки показано на рисунке 12. Если источником питания является переменный ток, то приборы соединяются в последовательности, показанной на рисунке: к мостику Уитстона 1 подключается усилитель переменного тока 2, к усилителю подключается выпрямитель 3, а к последнему присоединяется осциллограф 4. Усилитель совместно с выпрямителем образуют тензометрический усилитель.

Осциллографы разделяются на инерционные (шлейфовые) - для регистрации частот до 1000 Гц и безинерционные (катодные) - для частот выше 1000 Гц. Наиболее распространены шлейфовые осциллографы.

Шлейфовые осциллографы (светолучевые). Основными частями осциллографа являются измерительный шлейф и устройство для визуального наблюдения и фотозаписи осциллограмм.

Осциллографы могут быть одношлейфовыми и многошлейфовыми.

Шлейф (вибратор) осциллографа (рис. 13) состоит из магнита 1, выполненного в виде цилиндрической подковы, между полюсами которого расположена вертикальная проволочная петля 2, натягиваемая спиральной пружиной 3. На петле закреплено легкое зеркальце 4 размерами 1,0X1,0x0,05 мм. К концам петли присоединены провода от петлевого тензорезистора, наклеенного на исследуемый объект. Зеркальце находится в постоянном магнитном поле, создаваемом магнитом. При прохождении по петле тока, посылаемого тензорезистором, вокруг петли создаётся свое магнитное поле, вступающее во взаимодействие с полем магнита и вызывающее закручивание петли, и поворот зеркальца. Величина и направление угла поворота зеркальца зависят от силы и направления тока, проходящего через петлю. На зеркальце направляется луч лампочки, пропущенный через соответствующие линзы, и при повороте зеркальца этот луч отклоняется на угол, тем больший, чем более сильный ток проходит через датчик и петлю. Луч света, посылаемый зеркальцем, направляется на движущуюся фотопленку и записывает на ней осциллограмму.

Рассмотрим оптическую схему восьмишлейфового универсального осциллографа типа Н 700 (рис. 14). Лампочка 1 испускает пучок света, проходящий через конденсор 2 и диафрагму 3 в виде пластинки с восемью узкими вертикальными щелями, разбивающими общий световой параллельный поток света на восемь плоских пучков в виде световых пластинок.

В дальнейшем описании и на чертеже рассматривается трансформация лишь одного плоского пучка света, так как все остальные семь пучков трансформируются аналогично показанному на схеме.

Каждый плоский пучок света попадает на свое вертикальное поворотное зеркало 4. Эти зеркала установлены таким образом, что луч света, отразившись от зеркала 5, а затем от зеркала 8, попадает через линзу шлейфа 7 на его зеркало 6, укрепленное на проволочной петле; на два шлейфа, расположенных в середине, пучки света проходят, минуя зеркала 8. Луч света, отражаемый от зеркала 6, проходит снова через линзу 7 и, отра­жаясь от зеркала 8, попадает частично на зеркало 9 и частично на отрицательную сферическую линзу 16. Часть светового луча, попавшего на зеркало 9, отражается от него, а затем от зеркала 10 и, пройдя цилиндрическую линзу 11, фокусируется на фотоленту 12. Другая часть светового луча проходит через отрицательную сферическую линзу 16, цилиндрическую линзу 15, отражается от зеркальных граней вращающегося барабана 14 и попадает на матовый стеклянный экран 13.

Для получения масштаба времени на фотоленте, предусмотрен отметчик времени, представляющий собой микрофонный зуммер, подвижная часть которого совершает колебания определенной частоты, записываемые на той же ленте. Отметчик времени устанавливается взамен одного из шлейфов в первом гнезде, в котором для этого предусмотрены соответствующие контактные стержни. Отметчик времени регистрирует частоту 500 или 50 Гц с точностью до ± 1 %.

С помощью осциллографа можно записать:

-   фибровые деформации;

-   деформации при изгибе (прогибы);

-   ускорения и другие характеристики.

На одной ленте можно производить одновременную запись нескольких осциллограмм, принимаемых с разных шлейфов. Скорость движения ленты можно регулировать от 1 до 5000 мм в секунду.

Тензометрический усилитель предназначен для усиления сигналов от тензорезисторов, включенных в мостовую схему (рис. 12). Частота измеряемого процесса в 5 - 7 раз ниже и находиться в пределах 0 - 7000 Гц.

Усилитель состоит из автономного или встро­енного блока питания, нескольких однотипных блоков, генератора несущей частоты, указателя выходного тока, тумблеров, ручек и шлицев включения, настройки, градуировки и балансировки моста. Выходы усилителя рассчитаны на подключение гальванометров (шлейфов) светолучевых осциллографов.

Принцип работы усилителей заключается в том, что рабочий тензорезистор, наклеенный на конструкцию, подключается к прибору и предварительно балансируется при ненагруженном состоянии конструкции. Стрелка гальванометра устанавливается на ноль. При нагружении конструкции вследствие деформации тензорезистор изменяет свое сопро­тивление, происходит разбаланс моста и появляется напряжение несущей частоты, которое усиливается и подается на фазочувствительный детектор с фоном несущей частоты. Полученный на выходе сигнал пропорционален измеряемой деформации. Этот сигнал подается на миллиамперметр и гальванометр осциллографа. В каждом блоке усилителя имеется переключатель для ступенчатого измерения коэффициента усиления. усилителю, кроме гальванометров светолучевых осциллографов, могут быть подключены электронные осциллографы и магнитографы.

4.2. Цели и задачи работы

Целью работы является знакомство с методикой определения основных параметров колебательного процесса (частоты вынужденных колебаний, собственная частота, явление резонанса).

Задачи осуществляемые работой:

1      Познакомиться с устройствами для динамических испытаний.

2      Познакомиться с приборами для определения динамических характеристик.

3      Изучить методику определения динамических напряжений в несущих строительных конструкциях.

4      Определить теоретическим расчётом собственную частоту балки и сравнить её с результатами, полученными из опыта.

5      Определить погрешность эксперимента.

6      Составить заключение по результатам испытания.

ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

1 Стенд для испытаний.

2 Стальная шарнирно опёртая балка равного сопротивления.

3 Штучные грузы.

4 Вибромарка.

5 Измерительная консоль с тензорезисторами.

6 Тензостанция.

7 Осциллограф.

8 Индикатор часового типа (мессура).

9 Частотомер.

10      Ручной виброграф.

11      Лабораторный трансформатор.

12      Вибромашина.

13      Штангельциркуль.

14      Металлические линейки 1м (ГОСТ 427-56) и 0.5м (ГОСТ 427-75).

15      Калькулятор.

Техника безопасности при выполнении лабораторной работы

При проведении лабораторной работы требуется строго соблюдать правила техники безопасности с целью обеспечения полной безопасности участников испытания и не допустить поломок оборудования.

Эти правила предусматривают обязательное проведение мероприятий по обеспечению надёжного заземления корпусов всех электрических приборов и инструментов.

Подготовка к лабораторной работе производится соответствующим персоналом, утверждённым приказом по университету.

При динамических испытаниях необходимо предусмотреть надёжные страховочные устройства, предохраняющие конструкцию от потери устойчивости и внезапного обрушения. Вращающиеся части вибромашины должны быть закрыты защитными кожухами, а к работающей вибромашине запрещается приближаться на расстояние менее 1.5 м.

Измерительные приборы закрепляют на испытываемой конструкции специальными струбцинами, хомутами и другими приспособлениями. Кроме того, должны быть обеспечены свободный доступ к приборам и хорошая освещённость шкал для наблюдения за их работой на безопасном расстоянии.

По окончании подготовки к лабораторной работе с испытываемой конструкции и из помещения удаляются все посторонние предметы.

Место испытания ограждают. Посторонних лиц к месту испытаний не допускают.

К лабораторной работе допускаются студенты прошедшие соответствующий инструктаж по технике безопасности. При инструктаже следует обратить особое внимание на следующие положения:

-  не касаться руками поверхностей станков, оборудования и проводов;

-  не нажимать на кнопки и рубильники;

-  строго соблюдать установленную соображениями достаточной безопасности дистанцию от испытательного стенда;

-  соблюдать последовательность программы проведения испытания;

-  своевременно выполнять указания преподавателя и сотрудников лаборатории в процессе проведения работы.

Для всех участников испытаний кроме выполнения правил по технике безопасности необходима повышенная личная внимательность и осторожность, особенно на последних этапах загружения конструкции, когда вынужденные частоты колебаний приближаются к собственным частотам.

Ответственность за выполнением всех мероприятий лежит на преподавателе, проводящем лабораторную работу.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ РАБОТЫ

В работе испытывается однопролётная стальная балка с грузами G (Рис. 9).

Вибрационная нагрузка создаётся вибромашиной, укреплённой в середине пролёта балки. Частоту колебаний машины с помощью лабораторного автотрансформатора можно изменять произвольно.

Для определения собственной частоты колебаний используется явление резонанса. Вибромашиной последовательно повышаются колебания балки с различной частотой (ступенями). При каждой частоте (ступени) измеряется размах колебаний балки (по прогибам или относительным деформациям). Наибольший размах и будет соответствовать собственной частоте (резонансная частота). Для более точного определения собственной частоты строятся графики "размах - частота".

Размах колебаний определяется по индикатору и шлейфовому осциллографу. Индикатор ставится вблизи опоры, где размах колебаний невелик, и диапазон колебаний стрелки можно фиксировать визуально. При быстрых колебаниях стрелки образуется сектор, соответствующий размаху колебаний.

Осциллограф используется вместе с измерительной консолью из органического стекла (см. рисунок), на которую наклеен тензорезистор . Измерительная консоль устанавливается в среднем сечении балки. Колебания консоли вызывают изменение сопротивления тензорезистора и силы тока, подаваемого на гальванометр. Гальванометр колеблется в магнитном поле вместе с зеркалом, которое отражает луч света на движущуюся фотоплёнку или фотобумагу.

Частота колебаний контролируется с помощью диска с отверстиями, насаженного на ось двигателя вибромашины, лампочки, фотоэлемента и частотомера.

Частота колебаний контролируется с помощью диска с отверстиями, насаженного на ось двигателя вибромашины, лампочки, фотоэлемента и частотомера.

При вращении диска луч света от лампочки периодически прерывается. Прерывистые сигналы от фотоэлемента усиливаются и регистрируются частотомером. Переход от показаний частотомера  к частоте возмущающей силы  делается по формуле

где:  - число отверстий в диске;

 - передаточное число (отношение числа оборотов вала двигателя и дисков с эксцентриками).

Измерения заносятся в журнал испытания.

Таблица

Журнал испытания

По результатам измерений строятся графики, по которым определяется собственная частота колебаний балки.

После определения собственной частоты производится контрольная запись колебаний при резонансе ручным вибрографом Вр-1. На специальной ленте вычерчивается график колебаний, и одновременно делаются отметки времени (рис. ).

Теоретическая частота вычисляется по формуле

где  - эквивалентная (приведённая) нагрузка на балку

 - вес вибромашины, равный 10.8 кг;

 - погонный вес балки (принимается по сортаменту);

 - относительное расстояние от опор до грузов.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Рекомендуется следующая последовательность.

Первая часть. "Тарирование тензорезисторов":

в журнале зарисовываются схемы тарировочной балки, установки приборов, приложения нагрузки;

производится контроль правильности установки приборов;

снимаются начальные отсчёты с приборов;

прикладывается нагрузка;

снимаются отсчёты с приборов;

производится разгрузка со сверкой результатов;

Вторая часть. "Определение напряженного состояния балки с помощью тензорезисторов":

1.            в журнале зарисовываются схемы измерительных приборов, их установки, и размещения;

2.            разбивается заданная нагрузка на ступени;

3.            производятся замеры необходимых для расчётов геометрических параметров (высота и ширина сечения балки, пролёт, расстояния от опор до сосредоточенных сил, базы тензорезисторов, расстояния между ними);

4.            производится контроль правильности установки приборов;

5.            снимаются начальные отсчёты с приборов;

6.            прикладывается нагрузка первой ступени;

7.            снимаются отсчёты с приборов;

8.            прикладывается нагрузка второй ступени;

9.            снимаются отсчёты с приборов;

10.       производится контроль процесса испытания;

11.       прикладывается следующая нагрузка с соответствующим контролем и т.д. до последней ступени;

12.       производится разгрузка в обратном порядке со сверкой результатов;

13.       производится камеральная обработка полученных результатов по последней ступени;

14.       пишется заключение по результатам испытания.

Все полученные результаты аккуратно заносятся в соответствующие графы журнала (см. приложение Б). В заключении необходимо сделать вывод и обосновать получившуюся погрешность.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА

1.     Кинематическая схема измерительных приборов, их краткая характеристика и назначение.

2.     Схемы установки приборов (база измерения и цена деления).

3.     Формулы для обработки результатов измерений.

4.  Схема градуировочного устройства.

5.  Заключение по проведении эксперимента.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.   Из чего состоит тензорезистор, принцип его работы?

2.   Начертите схему для измерения показаний тензорезистора.

3.   Назовите основные элементы гальванометра.

4.   Зачем нужна тензостанция?

5.   Как определить амплитуду колебаний с помощью индикатора часового типа?

6.   Как определить амплитуду колебаний с помощью шлейфового осциллографа?

7.   Перечислить факторы, влияющие на частоту собственных колебаний.

8.   Как и чем определяется частота собственных колебаний конструкции?

9.   При выполнении каких требований, конструкция считается пригодной под динамическую нагрузку?

10.В чём состоит принцип работы вибромашины?

11.Нарисовать схему вибрографа с инерционной массой (инерционного маятника).

12.Нарисовать схему вибрографа Гейгера с инерционной массой.

13.Из каких узлов состоит шлейфовый осциллограф?

14.В каких случаях испытывают существующие конструкции?

15.Как создаётся ударная нагрузка при испытании (2 способа)?

16.Как создаётся вибрационная нагрузка при испытании?

17.Какой диапазон частот наиболее вреден для человека?

18.Какой диапазон частот наиболее вреден для конструкции?

19.Как влияет амплитуда на самочувствие человека?

20.Что отражается в заключении по испытанием динамической нагрузкой?

21.Перечислить способы усиления конструкций работающих на динамическую нагрузку.

22.Принцип "наращивания" при усилении конструкций.

23.Принцип изменения конструктивной схемы конструкции при усилении.

24.Принцип изменения расчётной схемы при усилении конструкции.

25.Что такое резонанс и как его избежать при установке на конструкцию оборудования с динамической нагрузкой?

ПРИЛОЖЕНИЕ

ОБРАЗЕЦ

1.    Определение собственной частоты балки

1.1.       Схема испытательной установки

Схема осциллографа:

Схема индикатора (И):

Журнал испытания

Здесь: n — число отверстий в диске; m — передаточное число двигателя.

Расшифровка виброграммы

1.3.     Теоретическая частота

1.4.  Напряжения в средней части балки

ВЫВОД: Результаты испытания позволяют судить о достоверности искомых величин полученных посредством испытания балки. Небольшое расхождение в цифрах (погрешность) получилось ввиду неопытности испытателей при снятии показаний с приборов.

20 марта 2005г.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.            Долидзе Д.Е. "Испытание конструкций и сооружений" - М.: Высшая школа. 1975. – 252 с.

2.            Лужин О.В., Злочевский А.Б. и др. "Обследование и испытание сооружений" – М.: Стройиздат. 1987. – 263 с.

3.            Золотухин Ю.Д. "Испытание строительных конструкций" - Минск: Высшая школа. 1983. – 208 с.

4.            Почтовик Г.Я. и др. "Методы и средства испытания строительных конструкций" - М.: Высшая школа. 1973. – 158 с.

5.            Шишкин И.Ф. "Метрология, стандартизация и управление качеством" – М.: Изд-во Стандарт. 1990. – 341 с.

6.            Землянский А.А. Обследование и испытание зданий и сооружений: Учебное пособие. - М.: Изд-во АСВ, 2001. - 240 с.

Страницы: 1, 2, 3, 4