1. Введение
Одной из основных проблем в процессе моделирования динамических механизмов машин является проверка аналитических данных с данными, полученными из экспериментов. Для кранов, характеризуются периодическим движением, нагрузка причиной в кране ускорений или замедлений вызвано движущей силой, которые классифицируются как регулярные нагрузки. Подъемное нагрузки или внезапный выброс части подъемника нагрузка вызывает колебания несущей конструкции кранов [ 6 ]. Расчет динамических сил может быть сделан путем испытаний или экспериментальным подтверждением аналитических методов. До сих пор, исследования такого рода проводились для кранов [ 1 - 4 ].
2. Объект исследования
В этой статье предметом исследования является экспериментальное исследование мостового крана мощностью 5000 (кг) и пролета моста 20 (м). Краны относятся к наиболее распространенным грузоподъемных машин. Их структура состоит из мобильных платформ (несущих конструкций крана), а также зал с лебедкой подъема или троллейбус движется вдоль балки [ 5 ].
Рисунок 1 - Экспериментальные исследования крана - OBRDiUT "Detrans" в Bytom
Таблица 1 - Экспериментальные исследования характеристик крана
Рисунок 2 - a) подъемная лебедка, б) направляющие ролики - OBRDiUT "Detrans" in Bytom
Рассматривая экспериментальная структура (рис. 1, 2) рассматривается как одна балка, включающая в себя два колеса подъемной лебедки, поддерживаемые на строительной балке с роликами двигаясь вдоль боковой кромки балки (рис. 2б). В таблице 1 приведены основные характеристики экспериментальных исследований крана на основании технической документации.
3. Строительство и монтаж экспериментальной беспроводной измерительной системы
Для проверки численных моделей необходимо сравнить аналитические данные на основе измерений. Таким образом, экспериментальная беспроводная измерительная система была составлена. Это позволяет измерять ускорение крана в реальных условиях. В ходе исследования были использованы два независимых канала измерений. Такой подход позволил экспериментально проверить измерительную систему беспроводной связи. Строительство каналов измерения схематично показано на рис. 3.
Рисунок 3 - Блок-схема из двух независимых каналов измерения
Первый канал измерения основывается на наборе из трех ADXL 204 датчиков ускорения и аналоговой цифровые карты DAQ-Lite с программным обеспечением для Windows, компания Eagle Technology [ 13 , 14 ]. Второй канал - экспериментальная измерительная система состоит из беспроводного Phidget 1056 цепи (рис. 4), а именно: магнитометр, гироскоп и акселерометр, где каждый из них может выполнять измерения в трех независимых ортогональных осях. Экспериментальные параметры беспроводной измерительной системы приведены в таблице 2. Для обоих каналов измерения программного обеспечения блока управления (ноутбук) сопровождается SSD (Solid State Drive), которая записывает данные.
Таблица 2 - Параметры схемы PHIDGET 1056 meter [ 17 ]
Рисунок 4 - a) PHIDGET 1056 измерительной цепи, б, в) измерительная головка с магнитным держателем
Экспериментальная беспроводная измерительная система имеет следующие особенности:
преимущества:
магнитный датчик для возможности получения характеристик для любого типа кранов без воздействия на объект (рис. 4б);
небольшой размер позволяет устанавливать в любом месте стальных конструкций;
одновременно измерять ускорение и углы поворота в трех независимых ортогональных осях;
возможность удаленного подключения к датчику;
высокая точность измерения (табл. 2);
система позволяет тестировать динамику подъема грузов с целью определения ускорений и, таким образом, дополнительных динамических факторов, для грузов в соответствии с европейскими нормативными актами расчетов [6].
невозможность измерений при наличии помех;
система требует программное обеспечение, которое позволяет сбор данных и управления (рис. 5).
Рисунок 5 - Программное обеспечение для управления магнитными измерительными головками
Оба измерительных каналов оснащены внешней антенной и беспроводной картой расширения сферы действия беспроводного сигнала и возможного использования в качестве точки доступа (рис. 6). Согласно документации зона действия такого оборудования составляет около 500 м в открытом пространстве. Так как Phidget 1056 датчики не имеют программного обеспечения для сбора данных, было написано специальное программное обеспечение для ОС Windows API (Application Programming Interface) [ 15 ] чтобы управлять датчиками (рис. 5). Эта программа позволяет сбор данных непосредственно от 1056 через порт USB и удаленное подключение для датчика с использованием локальной сети или Интернета. Экспериментальная беспроводная система измерения также включает в себя USB камеру, которая позволяет наблюдать выбранную область исследований с беспроводной связью.
Рисунок 6 - Измерительная схема для полевых испытаний: а) ноутбук с Wi-Fi антенной и аналого-цифровой картой, б) наблюдение камеры
Такая конфигурация обеспечивает связь сети с экспериментальной беспроводной измерительной системы, через так называемое удаленное подключение с помощью беспроводной или проводной сети, позволяет прямой доступ к контролю датчиком, или прямое подключение сети к Phidget 1056 датчиков. Дополнительными функциональными возможностями является выполнение измерений для любой конфигурации измерения оси: X, Y, Z для любой системы измерения, то есть как акселерометр и гироскоп.
Рисунок 7 - Схема расположения измерительных цепей на тест-объект (Экспериментальное исследование крана - OBRDiUT "Detrans" в Bytom)
Данные измерений сохраняются в текстовый файл с данными через точку с запятой, позволяет прямой импорт таких данных на рабочий лист. На рисунках 6, 7 и 8 позиции измерительных каналов на тест-объект показано (экспериментальное исследование крана - OBRDiUT "Detrans" в Bytom).
4. Измерение и контроль измерительных каналов
Экспериментальные испытания вибрации с использованием разработанной схемы измерения были сделаны в OBRDiUT Detrans в Bytom для одной балки мостового крана. Измерения проводились для лебедки, которая находится в середине пролета крана, которая является наиболее неблагоприятной для нагрузок. Исследование было проведено в соответствии с планом, показанным в таблице 3, где величина нагрузки Q составляет 1800 [кг] и высота H1 и H2 соответственно равны кранов высотой подъема и ее половины.
Таблица 3 - План тестирования вибрации
Схема системы координат показана на рис. 8. Для измерительной схемы, которая использует набор датчиков ADXL204 сигнал избирается с частотой 1000 [Гц] на каждый канал. В случае измерений канала на основе набора Phidget 1056 датчиков (экспериментальная измерительная беспроводная система) оцифрованного сигнала отбирали с частотой 250 [Гц] и твердость измерительного канала было 230 [мкг] (д - ускорение силы тяжести, м = 9,81 м / с ^ 2).
Исследованием получен ряд экспериментальных данных измерений, определяются значениями ускорения по трем взаимно перпендикулярным осям системы координат, где по оси Z (рис. 8) значения были проверены путем сравнения данных с обоих каналов измерения (датчики находятся в позиции как на рис. 7).
Рисунок 8 - ось измерительной системы для тест-объекта (Экспериментальное исследование крана - OBRDiUT "Detrans" в Bytom)
Для того, чтобы сравнить сигналы обоих каналов измерений были проведены две численные оценки [ 7 - 10 ]:
- Средний уровень вибрации:
(1)
где:
T - период вибрации [s];
x - сигнал вибрации (ускорение) [ms ^ -2];
t - время [s].
- RMS значение вибрации:
(2)
Коэффициенты для сигнала вибрации описывается формулами (1-2), полученные путем измерения с обеих измерительных схем для оси Z, показано на рисунке 9.
Рисунок 9 - Краткое описание: средний уровень вибрации и среднеквадратичное вибрации для измерения каналов (соответственно запятыми разделены тесты Hi (таблица 3))
Как можно увидеть на рис. 9, значения, полученные из двух каналов измерения находятся близко друг к другу и подвергаются дальнейшему анализу, данные, полученные от измерительной схемы на основе набора Phidget 1056 датчиков.
5. Результаты экспериментальных испытаний
После проверки данных, полученных от двух независимых каналов были проведены измерения предварительного анализа полученных сигналов. С этой целью значение ускорения были проверены, и, в частности, максимальное значение было рассмотрено при условии сигнала спектрального анализа. С помощью FFT были проверены максимальные значения ускорения, связанные с процессом подъема или с другими компонентами, такими, как диск (механизмам), представляя искажения сигнала.
Для определения частоты вибрации в точке измерения (рис. 7 оси Z), надо воспользоваться методом преобразования Фурье. Построение исходного преобразования в зависимости от частоты были получены амплитуда сигнала вибрации и частота вибрации. На основе работы [ 11 , 12 , 14 , 16 ] был создан скрипт для выполнения БПФ для выбранного диапазона данных. Этот скрипт выполняет N-количество преобразований с частотой дискретизации 250 Гц. Как и в работе [ 12 ], существует симметрия в результатов, FFT рисует только половину данных, которые в данном случае находится в диапазоне от 0 Гц до 125 Гц. Для того, чтобы защитить от явления спектрального утечки, оконные операции с использованием окна Хэмминга была применена в соответствии с работой [ 12 ], которые сводят к минимуму разрывы в конечных точках интервала выборки. Результаты представлены в таблице 4. Из-за низкого значения, исследования подъема и опускания без нагрузки крюк были опущены. Примерные результаты измерения ускорения и амплитудные спектры показаны на рисунках 10-12. Результаты были указаны на оси Z, представляет направление вибрации и касаются нагрузки Q.
Таблица 4 - Резюме основных значений частоты полученные с помощью спектрального утечки
На рисунке 10а показано характеристики ускорения балки при снижении нагрузки удара о землю. Было определено, что влияние нагрузки на землю вызывает вибрацию поверхности приводит к увеличению уровня амплитуды ускорения балок -2,3 - 2,2 мс^-2. Сигнал описан в рисунке 10б и показан амплитудный спектр быстрого преобразования Фурье, доминирующей частоты значение 4,58 Гц, что соответствует частоте колебаний, связанных с подъемным нагрузкой, подтверждающие, что ускорение значения, полученные на осциллограмме согласно вибрацией , вызванные путем подъема или опускания грузов.
Рисунок 10 - Траверсы ускорения характеристик при снижении нагрузки удара о землю (Таблица 4 - пункт 4.1), б) БПФ спектра сигнала регистрируется при снижении нагрузки удара о землю (Таблица 4 - пункт 4.1)
Примеры результатов тестов для случая, когда нагрузка снимается в то время как начальное условие ослабленной или жесткой веревки, показано на рисунке 11.
Рисунок 11 - а) характеристика Траверсы ускорение при подъеме груза (начальное условие - свободные веревки) (Таблица 4 - пункт 3.1), б) Траверсы разгонных характеристик при подъеме груза (начальное условие - предварительно натянутой веревки) (Таблица 4 - пункт 5.2)
Было отмечено, что снятие нагрузки с предварительно напряженных канатов увеличивает амплитуду ускорения до значения (-3,75 - 2,27) мс^-2. В случае снятия нагрузки с предварительно напряженных канатов достигается ускорение несколько меньше (-0,78 - 0,91) мс^-2. Для вышеупомянутых случаях цифры 12а и 12b показывает, амплитуда спектра быстрого преобразования Фурье, где частота колебаний достигает значения 3,65 Гц и 3,72 Гц. Оба значения соответствуют частоте колебаний, сняв нагрузку по оси Z.
Рисунок 12 - а) БПФ спектра амплитуды сигнала зарегистрирован подъем нагрузки (начальное условие - свободные веревки) (Таблица 4 - пункт 3.1), б) БПФ спектра амплитуды сигнала зарегистрирован подъем нагрузки (начальное условие - предварительно натянутой веревки) (Таблица 4 - пункт 5.2 )
Выводы
Представлена экспериментальная беспроводная измерительная система, предназначенная для испытания динамических характеристик крана, а именно - для определения ускорения этих характеристик. Регулярные нагрузки необходимы для определения размеров в соответствии с европейскими стандартами. Кроме того, система обладает высокой точностью и оснащена беспроводной передачей данных.
Измерительная головка имеет оригинальную, простую конструкцию, и ее установки на кран не требует никаких изменений в структуре, кроме того, она дает возможность устанавливать на любую металлическую часть крана.
Спектр БПФ амплитуды, представляет диапазон 3,6-4,6 Гц. Эти значения аналогичны тем, которые определяются аналитическими исследованиями - 4,14 Гц. Это показывает, что ускорение значения, соответствующие заданным значением частоты, связанные с процессом снятия нагрузки.
Список источников
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.