Дослідження вібрацій мостового крану за допомогою бездротової вимірювальної системи

• неможливість вимірювань при наявності перешкод;
• система вимагає програмне забезпечення, яке дозволяє збір даних і управління (рис. 5).

Рисунок 5 – Програмне забезпечення для управління магнітними вимірювальними головками

Обидва вимірювальних каналів оснащені зовнішньою антеною і бездротовою картою розширення сфери дії бездротового сигналу та можливого використання в якості точки доступу (рис. 6). Відповідно з документацією зона дії такого обладнання становить близько 500 [м] у відкритому просторі. Через те що Phidget 1056 датчики не мають програмного забезпечення для збору даних, було написане спеціальне програмне забезпечення для ОС Windows API (Application Programming Interface) [15] щоб управляти датчиками (рис. 5). Ця програма дозволяє збір даних безпосередньо від 1056 через порт USB і віддалене підключення для датчика з використанням локальної мережі або Інтернету. Експериментальна бездротова система вимірювання також включає в себе USB камеру, яка дозволяє спостерігати обрану галузь досліджень з бездротовим зв'язком.

а) б)

Рисунок 6 – Вимірювальна схема для польових випробувань: а) ноутбук з Wi-Fi антеною і аналого-цифровою картою, б) спостереження камери

Така конфігурація забезбечує зв'язок мережі з експериментальної бездротової вимірювальної системи, через так зване віддалене підключення за допомогою бездротової або провідної мережі, що дозволяє прямий доступ до контролювання датчиком, або пряме підключення мережі до Phidget 1056 датчиків. Додатковими функціональними можливостями є виконання вимірювань для будь-якої конфігурації вимірювання осі: X, Y, Z для будь-якої системи виміру, тобто таких як акселерометр і гіроскоп.

Рисунок 7 – Схема розташування вимірювальних ланцюгів на тест-об'єкт (Експериментальне дослідження крана – OBRDiUT "Detrans" в Bytom)

Дані вимірювань зберігаються в текстовий файл з даними через крапку з комою, що дозволяє прямий імпорт таких даних на робочий аркуш. На малюнках 6, 7 і 8 позиції вимірювальних каналів на тест-об'єкт показано (експериментальне дослідження крана – OBRDiUT "Detrans" в Bytom).

4. Вимірювання та контроль вимірювальних каналів

Експериментальні випробування вібрації з використанням розробленої схеми вимірювання були зроблені в OBRDiUT Detrans в Bytom для однієї балки мостового крана. Виміри проводилися для лебідки, яка знаходиться в середині прольоту крана, яка є найбільш несприятливою для навантажень. Дослідження було проведено у відповідності з планом, показаним в таблиці 3, де величина навантаження Q становить 1800 [кг] і висота H1 і H2 відповідно рівні кранів висотою підйому і її половини.

Таблиця 3 – План тестування вібрації

Схема системи координат показана на рис. 8. Для вимірювальної схеми, яка використовує набір датчиків ADXL204 сигнал обирається з частотою 1000 [Гц] на кожен канал. У разі вимірювань каналу на основі набору Phidget 1056 датчиків (експериментальна вимірювальна бездротова система) оцифрованого сигналу відбирали з частотою 250 [Гц] і твердість вимірювального каналу було 230 [мкг] (д - прискорення сили тяжіння, м = 9,81 м/с^2).

Дослідженням отримано ряд експериментальних даних вимірювань, що визначаються значеннями прискорення по трьох взаємно перпендикулярних осях системи координат, де по осі Z (рис. 8) значення були перевірені шляхом порівняння даних з обох каналів вимірювання (датчики знаходяться в позиції як на рис. 7).

Рисунок 8 – Вісь вимірювальної системи для тест-об'єкта (Експериментальне дослідження крана – OBRDiUT "Detrans" в Bytom)

Для того, щоб порівняти сигнали обох каналів вимірів були проведені дві чисельні оцінки [7, 8, 9, 10]:

- середній рівень вібрації:

(1)

де:
T – період вібрації [s];
x – сигнал вібрації (прискорення) [ms^-2];
t – час [s].

- RMS значення вібрації:

(2)

Коефіцієнти для сигналу вібрації описується формулами (1-2), отримані шляхом вимірювання з обох вимірювальних схем для осі Z, що показано на малюнку 9.

Рисунок 9 – Короткий опис: середній рівень вібрації і середньоквадратичного значення вібрації для вимірювання каналів (відповідно коми визначити тест Ні (таблиця 3))

Як можна бачити на рис. 9, значення, отримані з двох каналів вимірювання знаходяться близько один до одного і піддаються подальшому аналізу, є дані, отримані від вимірювальної схеми на основі набору Phidget 1056 датчиків.

5. Результати експериментальних випробувань

Після перевірки даних, отриманих від двох незалежних каналів були проведені вимірювання попереднього аналізу отриманих сигналів. З цією метою значення прискорення були перевірені, і, зокрема, максимальне значення було розглянуто за умови сигналу спектрального аналізу. За допомогою FFT були перевірені максимальні значення прискорення, пов'язані з процесом підйому або з іншими компонентами, такими, як диск (механізмам), представляючи спотворення сигналу.

Для визначення частоти вібрації в точці вимірювання (рис. 7 осі Z), треба скористатись методом перетворення Фур'є. Побудова вихідного перетворення в залежності від частоти були отримані амплітуда сигналу вібрації і частота вібрації. На основі роботи [11, 12, 14, 16] був створений скрипт для виконання ШПФ для вибраного діапазону даних. Цей скрипт виконує N-кількість перетворень з частотою дискретизації 250 [Гц]. Як і у роботі [12], існує симетрія у результатів, FFT малює тільки половину даних, які у даному випадку знаходиться в діапазоні від 0 [Гц] до 125 [Гц]. Для того, щоб захистити від явища спектрального витоку, віконні операції з використанням вікна Хеммінга була застосована у відповідності з роботою [12], які зводять до мінімуму розриви в кінцевих точках інтервалу вибірки. Результати представлені в таблиці 4. Через низьке значення, дослідження підйому та опускання без навантаження гак були опущені. Зразкові результати вимірювання прискорення та амплітудні спектри показані на малюнках 10-12. Результати були зазначені на осі Z, що представляє напрямок вібрації і стосуються навантаження Q.

Таблиця 4 – Резюме основних значень частоти отримані за допомогою спектрального витоку

На малюнку 10а показано характеристики прискорення балки при зниженні навантаження удару об землю. Було визначено, що вплив навантаження на землю викликає вібрацію поверхні призводить до збільшення рівня амплітуди прискорення балок -2,3 - 2,2 [мс^-2]. Сигнал описаний в малюнку 10б і показаний амплітудний спектр швидкого перетворення Фур'є, домінуючої частоти значення 4,58 [Гц], що відповідає частоті коливань, пов'язаних з підйомним навантаженням, які підтверджують, що прискорення значення, отримані на осцилограмі згідно з вібрацією, викликані шляхом підйому або опускання вантажів.

а) б)

Рисунок 10 – а) Траверси прискорення характеристик при зниженні навантаження удару об землю (Таблиця 4 - пункт 4.1), б) БПФ спектру сигналу реєструється при зниженні навантаження удару об землю (Таблиця 4 - пункт 4.1)

Приклади результатів тестів для випадку, коли навантаження знімається в той час як початкова умова ослабленої або жорсткої мотузки, показано на малюнку 11.

а) б)

Рисунок 11 – а) характеристика Траверси прискорення при підйомі вантажу (початкова умова - вільні мотузки) (Таблиця 4 - пункт 3.1), б) Траверси розгінних характеристик при підйомі вантажу (початкова умова - попередньо натягнутої мотузки) (Таблиця 4 - пункт 5.2)

Було відзначено, що зняття навантаження з попередньо напружених канатів збільшує амплітуду прискорення до значення (-3,75 - 2,27) [мс^-2]. У разі зняття навантаження з попередньо напружених канатів досягається прискорення дещо менше (-0,78 - 0,91) [мс^-2]. Для вищезгаданих випадках цифри 12а і 12b показує, амплітуда спектра швидкого перетворення Фур'є, де частота коливань досягає значення 3,65 [Гц] і 3,72 [Гц]. Обидва значення відповідають частоті коливань, знявши навантаження по осі Z.

а) б)

Рисунок 12 – а) БПФ спектру амплітуди сигналу зареєстрований підйом навантаження (початкова умова - вільні мотузки) (Таблиця 4 - пункт 3.1), б) БПФ спектру амплітуди сигналу зареєстрований підйом навантаження (початкова умова - попередньо натягнутої мотузки) (Таблиця 4 - пункт 5.2)

6. Висновки

Представлена експериментальна бездротова вимірювальна система, призначена для випробування динамічних характеристик крана, а саме – для визначення прискорення цих характеристик. Регулярні навантаження необхідні для визначення розмірів у відповідності з європейськими стандартами. Крім того, система має високу точність і оснащена бездротовою передачою даних.

Вимірювальна головка має оригінальну, просту конструкцію, і її встановлення на кран не вимагає ніяких змін в структурі, крім того, вона дозволяє можливість встановлювати на будь-яку металеву частину крана.

Спектр ШПФ амплітуди, представляє діапазон 3,6-4,6 [Гц]. Ці значення аналогічні тим, які визначаються аналітичними дослідженнями – 4,14 [Гц]. Це показує, що прискорення значення, відповідні заданим значенням частоти, пов'язані з процесом зняття навантаження.

Список посилань

1. Binkowski W. i in.: Badania rozkladow obciazen ruchowych dwu suwnic pomostowych II i IV grupy natezenia pracy. Praca badawcza Instytutu Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Slaskiej o symb. NB-39/RMK/74/75. Gliwice 1975.
2. Chmurawa M., Gaska D.: Badanie dynamiki podnoszenia ladunku w suwnicy. Zeszyty Naukowe Politechniki Slaskiej, seria Transport z. 53. Gliwice, 2004, s. 35-42.
3. Gallos M., Kulig J.: Badania glowne obciazen eksploatacyjnych suwnic bramowych. Praca bad. OBRDiUT „Detrans” o symb. BW-471044. Bytom 1975-1978.
4. Markusik S., Gaska D., Witaszek K.: Badania przyspieszen i poziomow drgan w suwnicach pomostowych, Zeszyty naukowe politechniki slaskiej – Transport z.63, Wydawnictwo Politechniki Slaskiej, Gliwice 2007, s. 181-186.
5. Piatkiewicz A., Sobolski R.: Dzwignice. WNT, Warszawa 1978.
6. PN-EN 13001-2:2011: Bezpieczenstwo dzwignic, ogolne zasady projektowania; Czesc 2: Obciazenia.
7. Cempel C.: Diagnostyka wibroakustyczna maszyn. PWN, Warszawa 1989.
8. Cempel C.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn. WNT, Warszawa 1982.
9. Grybos R.: Drgania maszyn. Wydawnictwo Politechniki Slaskiej, Gliwice 2008.
10. Kucharski T.: System pomiaru drgan mechanicznych. WNT, Warszawa 2002.
11. Haniszewski T.: Badanie zjawisk dynamicznych podczas podnoszenia ladunku na wybranym modelu suwnicy pomostowej. Praca Magisterska, Katowice 2009.
12. Lyons R. G. : Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnalow. WKL, Warszawa 2006.
13. Burdzik R.: Wplyw predkosci obrotowej silnika na drgania przenoszone na konstrukcje pojazdu. Zesz. Nauk. PSl. nr 1860 Transp. 2011 z. 72, s. 13-23.
14. Konieczny L., Burdzik R., Sleziak B.: Usage Short Time Fourier Transform in identification of vehicle shock absorber technical conditions researched by force vibration method. Probl. Transp. 2009 t. 4 z. 3, cz. 1, s. 71-77.
15. http://www.phidgets.com/docs/Programming_Resources, 2012-09-16.
16. Wilk A., Figlus T.: Influence of design and operations factors on vibroactivity of gearbox. X International Technical Systems Degradation Conference. TSD International Conference, Liptovsky Mikulas, 27-30 April 2011.
17. Phidget 1056 http://www.phidgets.com/products.php?product_id=1056_0, 05.102.2012.