II.Экспериментальное определение собственных частот и форм лопатки.

Возбуждение колебаний неподвижной одиночной лопатки.

Частоты колебаний одиночной лопатки могут быть определены методом собственных или вынужденных колебаний.

Метод вынужденных колебаний предполагает возбуждение лопатки электромагнитными или электродинамическими вибраторами. Схема используемого в данной работе электромагнитного вибратора представлена на рис.4. Общий вид вибратора представлен на рис.5.

Рис.4. Схема электромагнитного вибратора

Рис.5. Общий вид консольного стержня и электромагнитного вибратора

При испытаниях исследуемая стержень (лопатка) жестко закреплялся на опоре специальным приспособлением. Возбуждение колебаний стержня осуществлялось электромагнитом, линии магнитное поле которого замыкались через два воздушных зазора и тело стержня (см. рис.4 и 5). Стержень выполнен из магнитного материала.

На электромагните имелись катушки постоянного и переменного магнитного поля. На катушку переменного поля подавалось переменное напряжение различной частоты. Последнее задавало частоту магнитных сил, воздействующих на стержень.

При помощи описанного устройства стержень удавалось ввести в состояния резонансов, то есть удавалось добиться совпадений собственных частот лопатки и частоты переменных магнитных сил. Данное устройство позволило возбудить колебания стержня в широком диапазоне частот, охватывающем основную часть спектра его собственных колебаний. При резонансе, определяемом на слух с помощью стеклянной палочки или с помощью акустического канала измерительного комплекса К5000, производился отсчет частоты по частотной шкале генератора, управляющего вибратором.

Метод собственных колебаний предполагает возбуждение лопатки одиночным и весьма кратковременным импульсом. Спектр короткого импульса широк и непрерывен (рис.6), следовательно энергия сигнала распределена по всему частотному диапазону, а не сосредоточена на нескольких отдельных частотах.

Рис.6. Временной и частотный анализ одиночного импульса возбуждения

Начиная с определенной частоты, уровень спектра равен нулю. Эта частота обратно пропорциональна длительности импульса, поэтому чем короче импульс, тем шире его частотный состав. Если бы в природе существовал бесконечно короткий импульс (дельта-функция), то его спектр занимал бы весь частотный диапазон от 0 до + Гц.

Вибрационный отклик конструкции на единичный импульс непрерывен в широком частотном диапазоне и будет иметь пики на собственных частотах конструкции. Схема ударного теста представлена на рис.7а. Получающаяся в результате теста кривая в координатах амплитуда-частота будет имеет пики, положение которых вдоль горизонтальной координаты (частоты) будет соответствовать значениям собственных частот конструкции (рис.7б).  

а) б)

Рис.7. Схема возбуждения колебаний и результат анализа собственных частот

Методика ударного теста предполагает наличие специального анализатора сигнала с пъезодатчика - анализатора, выполняющего быстрое преобразование Фурье (БПФ). На рис.7б приведена типичная кривая отклика конструкции на удар, полученная с помощью анализатора БПФ.

В соответствии с методикой ударного теста были определены собственные частоты консольном стержне 510×60×15 мм. Кривая отклика консольного стержня на удар представлена на рис.8.

Рис.8. Кривая отклика на удар консольного стержня 510×60×15 мм

Сопоставление измеренных и вычисленных значений собственных частот стержня указывает на их хорошее совпадение (см. рис.8 и 3). Отсутствие дискретной составляющей отклика на частоте 186 Гц (рис.8) объясняется ортогональностью оси чувствительности пъезоакселерометра к плоскости прогиба стержня при колебаниях по соответствующей форме (см. рис.3 и 4).