RU157159U1 - STAND FOR DETERMINING SPATIAL MODAL CHARACTERISTICS OF FRICTION DISKS OF HYDROMECHANICAL TRANSMISSIONS - Google Patents

Abstract

Стенд для определения пространственных модальных характеристик фрикционных дисков гидромеханических трансмиссий, состоящий из штатива, на который вывешен фрикционный диск, генератора сигналов низкочастотного, выход которого соединен через усилитель мощности с акустическим излучателем, воздействующим на фрикционный диск, компьютера, выход которого соединен с блоком управления генератором сигналов, отличающийся тем, что конструкция дополнительно оснащена сканирующим лазерным доплеровским виброметром, выполненным в виде трех лазерных головок, оптические оси которых установлены под различными углами по отношению к диску, в каждую из головок встроен лазерный интерферометр, сканер и видеокамера, электронные выходы лазерных головок, как и генератора колебаний, соединены с входным декодирующим каскадом, обеспечивающим сбор данных измерений и связанным с компьютером, определяющим компоненты пространственных виброскоростей и виброперемещений колеблющихся элементов диска по сдвигу частоты и длины световой волны, отраженной от перемещающейся поверхности диска.A stand for determining the spatial modal characteristics of friction disks of hydromechanical transmissions, consisting of a tripod on which a friction disk is hung, a low-frequency signal generator, the output of which is connected through a power amplifier to an acoustic emitter acting on the friction disk, of a computer, the output of which is connected to the control unit of the signal generator characterized in that the design is additionally equipped with a scanning laser Doppler vibrometer made in the form of three laser heads, the optical axes of which are mounted at different angles with respect to the disk, a laser interferometer, a scanner and a video camera are built into each of the heads, the electronic outputs of the laser heads, as well as the oscillator, are connected to the input decoding stage, which provides the collection of measurement data and is associated with a computer that determines the components of spatial vibration velocities and vibrations of oscillating disk elements by the frequency shift and the wavelength of light reflected from the moving surface of the disk.

Description

Полезная модель относится к области экспериментального определения пространственных модальных характеристик фрикционных дисков гидромеханических трансмиссий (ГМТ) транспортных машин.The utility model relates to the field of experimental determination of spatial modal characteristics of friction disks of hydromechanical transmissions (HMT) of transport vehicles.

В процессе испытаний опытных ГМТ и эксплуатации серийных наблюдается разрыв дисков фрикционных элементов управления после ограниченного срока эксплуатации. Металлографический анализ вышедших из строя дисков показывает, что разрушения носят усталостный характер. Это может быть следствием резонансных режимов работы, возникающих при совпадении одной из собственных частот диска с частотой возмущающего воздействия, формируемого двигателем или гидротрансформатором. Для повышения долговечности диска путем исключения резонансных режимов необходимо определить пространственный спектр его собственных частот и форм колебаний (модальных характеристик). Аналитически определить значения частот можно по приближенным формулам, справедливым для кругового кольца, выполненного из однородного материала. Однако конструкция диска является многокомпонентной, сочетающей в себе металлический диск, фрикционные накладки, адгезионные слои, то есть разнородные материалы с различными нелинейными физико-механическими свойствами. Кроме того, на одной из торцевых поверхностей фрикционных дисков выполняется зубчатый венец. Собственные частоты дисков сложной формы, состоящих из неоднородных материалов, могут быть определены на основе численного моделирования (аналог - Басов К.А., Мовчан Д.А. ANSYS. Справочник пользователя / Издательство: ДМК-Пресс, 2011 г., 640 с.) - определения реакции конечно-разностной модели диска на гармоническое воздействие регулируемой частоты (например, в программном пакете NASTRAN). Однако достоверность построения модели ограничивается точностью описания нелинейного взаимодействия между элементами диска (стальным кольцом и фрикционными накладками), формируемого адгезионными слоями. В связи с этим, результаты численной оценки собственных частот диска необходимо корректировать с учетом экспериментальных данных.In the process of testing experimental gas turbine engines and operating serial ones, a disc rupture of friction control elements is observed after a limited period of operation. A metallographic analysis of failed disks shows that the destruction is fatigue-like. This may be due to resonant operating modes that occur when one of the disk’s natural frequencies coincides with the frequency of the disturbing effect generated by the engine or torque converter. To increase the durability of the disk by eliminating resonance modes, it is necessary to determine the spatial spectrum of its natural frequencies and vibration modes (modal characteristics). Analytically determine the frequency values using approximate formulas valid for a circular ring made of a homogeneous material. However, the design of the disk is multicomponent, combining a metal disk, friction linings, adhesive layers, that is, dissimilar materials with various nonlinear physical and mechanical properties. In addition, on one of the end surfaces of the friction discs, a gear rim is made. The natural frequencies of complex disks consisting of heterogeneous materials can be determined on the basis of numerical modeling (analogue - Basov K.A., Movchan D.A. ANSYS. User Manual / Publisher: DMK-Press, 2011, 640 pp. ) - determining the response of the finite-difference model of the disk to the harmonic effect of the adjustable frequency (for example, in the NASTRAN software package). However, the reliability of the model construction is limited by the accuracy of the description of the nonlinear interaction between the disk elements (a steel ring and friction linings) formed by adhesive layers. In this regard, the results of a numerical evaluation of the eigenfrequencies of the disk must be adjusted taking into account experimental data.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является стенд для определения спектра собственных частот металлокерамических дисков гидромеханических трансмиссий (патент на полезную модель № RU 122171 U1 от 22.06.2012 г.), состоящий из штатива, на который вывешен металлокерамический диск, генератора низкочастотных сигналов, выход которого соединен через усилитель мощности с акустическим излучателем, воздействующим на металлокерамический диск, на котором закреплен акселерометр. Выход акселерометра соединен через дополнительно установленные аналого-цифровой преобразователь с персональной электронной вычислительной машиной, выход которой соединен с блоком управления генератора низкочастотных сигналов. Однако конструкция этого стенда позволяет определить спектр собственных частот колебаний диска лишь в одной плоскости из трех. Кроме того, крепление акселерометра к диску изменяет его собственную частоту, что снижает точность измерений.The closest in technical essence and the achieved result is a stand for determining the spectrum of natural frequencies of cermet disks of hydromechanical transmissions (utility model patent No. RU 122171 U1 of 06.22.2012), consisting of a tripod on which a cermet disc is hung, a low-frequency signal generator, the output of which is connected through a power amplifier with an acoustic emitter acting on a cermet disk on which an accelerometer is mounted. The output of the accelerometer is connected via an additionally installed analog-to-digital converter to a personal electronic computer, the output of which is connected to the control unit of the low-frequency signal generator. However, the design of this stand allows you to determine the spectrum of the natural frequencies of oscillations of the disk in only one plane out of three. In addition, attaching the accelerometer to the disk changes its natural frequency, which reduces the accuracy of the measurements.

Предлагаемая конструкция стенда, состоит из штатива, на который вывешен фрикционный диск, генератора сигналов низкочастотного, выход которого соединен через усилитель мощности с акустическим излучателем, воздействующим на фрикционный диск. Выход компьютера соединен с блоком управления генератором сигналов. Известная конструкция дополнительно оснащена сканирующим лазерным Доплеровским виброметром, выполненным в виде трех лазерных головок. Оптические оси головок установлены под различными углами по отношению к диску. В каждую из головок встроен лазерный интерферометр, сканер и видеокамера. Электронный выход лазерных головок, как и генератора колебаний соединены с входным декодирующим каскадом, обеспечивающим сбор данных измерений и связанным с компьютером. Компьютерная обработка сигналов, выходящих с декодирующего каскада позволяет определять компоненты пространственных виброскоростей и виброперемещений колеблющихся элементов дисков по сдвигу частоты и длины световой волны, отраженной от перемещающейся поверхности диска.The proposed stand design consists of a tripod, on which a friction disk is hung, a low-frequency signal generator, the output of which is connected through a power amplifier with an acoustic emitter acting on the friction disk. The computer output is connected to the control unit of the signal generator. The known design is additionally equipped with a scanning laser Doppler vibrometer made in the form of three laser heads. The optical axis of the heads are mounted at different angles with respect to the disk. A laser interferometer, a scanner and a video camera are built into each head. The electronic output of the laser heads, as well as the oscillation generator, are connected to the input decoding stage, which provides the collection of measurement data and is connected to a computer. Computer processing of signals coming out of the decoding stage allows one to determine the components of spatial vibration velocities and vibrations of oscillating disk elements by the frequency shift and the wavelength of light reflected from the moving surface of the disk.

На фиг. 1. изображена схема предлагаемого стенда для определения пространственных модальных характеристик (спектра собственных частот и форм колебаний) фрикционных дисков гидромеханических трансмиссий. Стенд состоит из штатива 1, на который вывешен испытуемый фрикционный диск 2, генератора низкочастотных сигналов 3, выход которого соединен через усилитель мощности 4 с акустическим излучателем 5, воздействующим на исследуемый диск 2. Частотный режим работы генератора 3 определяется программой, реализуемой компьютером управления 6. Конструкция стенда дополнительно оснащена сканирующим лазерным доплеровским виброметром, выполненном в виде трех лазерных головок 7, 8, 9. Оптическая ось головки 7 перпендикулярна плоскости исследуемого диска 2, а оси головок 8 и 9 устанавливаются симметрично под углом □. В каждую лазерную головку встроен лазерный интерферометр, сканер и видеокамера. Электронный выход лазерных головок, как и выход генератора 3 низкочастотных сигналов соединен с входным декодирующим каскадом 10, связанным с компьютером 6.In FIG. 1. shows a diagram of the proposed stand for determining spatial modal characteristics (spectrum of natural frequencies and vibration modes) of friction disks of hydromechanical transmissions. The stand consists of a tripod 1, on which the test friction disk 2 is hung out, a low-frequency signal generator 3, the output of which is connected through a power amplifier 4 to an acoustic emitter 5 acting on the disk 2 under investigation. The frequency mode of the generator 3 is determined by the program implemented by the control computer 6. The design of the stand is additionally equipped with a scanning laser Doppler vibrometer made in the form of three laser heads 7, 8, 9. The optical axis of the head 7 is perpendicular to the plane of the disk 2 under investigation, and the axes of the heads 8 and 9 are mounted symmetrically at an angle □. A laser interferometer, a scanner and a video camera are built into each laser head. The electronic output of the laser heads, as well as the output of the low-frequency signal generator 3, is connected to the input decoding stage 10 connected to the computer 6.

Работает стенд следующим образом. Для определения пространственных модальных характеристик дисков гидромеханических трансмиссий на неподвижный штатив 1 вывешивается исследуемый диск 2. При включении сканирующего лазерного виброметра изображение диска 2 выводится на экран компьютера 6. Оператор наносит на видеоизображение диска 2 сетку точек измерений и сводит лучи лазера в одну из точек. При включении генератора низкочастотных сигналов 3 синусоидальный сигнал через усилитель мощности 4 подается на акустический излучатель 5. При этом происходит воздействие акустического сигнала на диск 2. После этого лазерный луч автоматически сканирует всю сетку точек и выполняет измерение виброскорости и виброперемещения в каждой из них. При этом производится оптимальная фокусировка лазера, постоянно отслеживается и оптимизируется отношение сигнал-шум. В процессе сканирования отображаются временные характеристики и частотные спектры сигналов.The stand works as follows. To determine the spatial modal characteristics of hydromechanical transmission disks, the test disk 2 is hung on a stationary tripod 1. When the scanning laser vibrometer is turned on, the image of disk 2 is displayed on the computer screen 6. The operator puts a grid of measurement points on the video image of disk 2 and converts the laser beams into one of the points. When the low-frequency signal generator 3 is turned on, a sinusoidal signal through the power amplifier 4 is supplied to the acoustic emitter 5. The acoustic signal is then applied to the disk 2. After that, the laser beam automatically scans the entire grid of points and measures the vibration velocity and vibration displacement in each of them. In this case, the laser focuses optimally, the signal-to-noise ratio is constantly monitored and optimized. During scanning, the time characteristics and frequency spectra of the signals are displayed.

Измерение основано на эффекте Доплера, позволяющего определить сдвиг частоты и длины световой волны, отраженной от перемещающейся (колеблющейся) поверхности диска. В соответствии с теорией, описывающей эффект Доплера, частота колебаний фрикционных дисков и длина волны определяются по уравнениям:

,

,The measurement is based on the Doppler effect, which allows you to determine the frequency and length shift of the light wave reflected from the moving (oscillating) surface of the disk. In accordance with the theory describing the Doppler effect, the oscillation frequency of the friction discs and the wavelength are determined by the equations:

,

,

где ω₀ - собственная частота диска; V - измеренное значение виброскорости точки; c - скорость света; θ - угол между лучами лазерных головок.where ω ₀ is the natural frequency of the disk; V is the measured value of the vibration velocity of the point; c is the speed of light; θ is the angle between the beams of the laser heads.

Компоненты вибраций по осям x, y и z определяются путем обработки измерений лучей трех лазерных головок, падающих на поверхность диска под различными углами.The vibration components along the x, y and z axes are determined by processing the measurements of the rays of three laser heads incident on the surface of the disk at different angles.

Управление сканерами, процессом сбора результатов измерений, а также синхронизация производится компьютером в соответствии с алгоритмом, заложенным в программе управления. Для визуализации динамических процессов используются современные алгоритмы трехмерной графики, включающих пространственную анимацию твердотельных объектов. Формы колебаний выводятся на экран в виде двух - или трехмерных графиков с цветовой кодировкой. Собственные частоты определяются оператором по спектру. Само видеоизображение может быть визуализировано в пространстве для отображения, увеличенных перемещений элементов конструкций (форм колебаний).Management of scanners, the process of collecting measurement results, as well as synchronization is performed by a computer in accordance with the algorithm laid down in the control program. To visualize dynamic processes, modern three-dimensional graphics algorithms are used, including spatial animation of solid objects. Waveforms are displayed on the screen in the form of two or three-dimensional color-coded graphs. Natural frequencies are determined by the operator on the spectrum. The video image itself can be visualized in space to display increased movements of structural elements (vibration modes).

Эффективность конструкции стенда заключается в возможности определения пространственных модальных характеристик дисков (спектров собственных частот и форм колебаний диска). Сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными позволяет повысить достоверность построения модели диска путем корректировки описания нелинейного взаимодействия между элементами конструкции диска.The effectiveness of the stand design lies in the possibility of determining the spatial modal characteristics of the disks (spectra of natural frequencies and vibration modes of the disk). Comparison of the results of numerical modeling with experimental data can improve the reliability of building a disk model by adjusting the description of the nonlinear interaction between the structural elements of the disk.

Claims (1)

Стенд для определения пространственных модальных характеристик фрикционных дисков гидромеханических трансмиссий, состоящий из штатива, на который вывешен фрикционный диск, генератора сигналов низкочастотного, выход которого соединен через усилитель мощности с акустическим излучателем, воздействующим на фрикционный диск, компьютера, выход которого соединен с блоком управления генератором сигналов, отличающийся тем, что конструкция дополнительно оснащена сканирующим лазерным доплеровским виброметром, выполненным в виде трех лазерных головок, оптические оси которых установлены под различными углами по отношению к диску, в каждую из головок встроен лазерный интерферометр, сканер и видеокамера, электронные выходы лазерных головок, как и генератора колебаний, соединены с входным декодирующим каскадом, обеспечивающим сбор данных измерений и связанным с компьютером, определяющим компоненты пространственных виброскоростей и виброперемещений колеблющихся элементов диска по сдвигу частоты и длины световой волны, отраженной от перемещающейся поверхности диска.

A stand for determining the spatial modal characteristics of friction disks of hydromechanical transmissions, consisting of a tripod on which a friction disk is hung, a low-frequency signal generator, the output of which is connected through a power amplifier to an acoustic emitter acting on the friction disk, of a computer, the output of which is connected to the control unit of the signal generator , characterized in that the design is additionally equipped with a scanning laser Doppler vibrometer made in the form of three laser heads, the optical axes of which are mounted at different angles with respect to the disk, a laser interferometer, a scanner and a video camera are built into each of the heads, the electronic outputs of the laser heads, as well as the oscillator, are connected to the input decoding stage, which provides the collection of measurement data and is associated with a computer that determines the components of spatial vibration velocities and vibrations of oscillating disk elements by the frequency shift and the wavelength of light reflected from the moving surface of the disk.

Images