Исследование колебаний трубопровода методом цифровой спекл-интерферометрии Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 681.787

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ ТРУБОПРОВОДА МЕТОДОМ ЦИФРОВОЙ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

© 2002 С.Ю. Комаров1, А.Б. Прокофьев1, Ю.Н. Шапошников1, Ю.Д. Щеглов2

1 Самарский государственный аэрокосмический университет 2 ОАО "Моторостроитель", г. Самара

Рассмотрены особенности оптической схемы созданного цифрового спекл-интерферометра при исследовании колебаний модельного трубопровода. Приводится анализ полученных спеклограмм при изменении в конструкции модели. Методом сравнения с данными расчетной модели показаны преимущества рассматриваемой измерительной системы.

Важной задачей в решении проблемы снижения виброакустических нагрузок в гидромеханических системах энергетических установок различного назначения является определение собственных частот и форм колебаний трубопроводов. При этом, если экспериментальное определение собственных частот (по крайней мере, первых трех-четырех) может быть достаточно просто осуществлено методом простукивания [1], то исследование форм колебаний с использованием традиционных методов тензометрии является достаточно сложной задачей. Поэтому в последнее время интенсивно развиваются методы численного расчета собственных форм и частот колебаний трубопроводов [1, 2]. Однако для оценки степени достоверности результатов математических моделей колебаний трубопроводов необходима их экспериментальная проверка.

Роль экспериментальных методов возрастает по мере усложнения исследуемых объектов. Сюда относятся распределенные системы, характеризующиеся нелинейными свойствами за счет взаимодействия динамических процессов в рабочей среде со стенками трубопровода (так называемые, связанные колебания); необходимость учета присоединенных подсистем, включая узлы крепления трубопровода.

Эффективным средством проверки различных расчетных методик и моделей колебаний конструкций являются голографическая и спекл-интерферометрия, которые позволяют связать форму полос в наблюдаемой

интерференционной картине с проекцией вектора амплитуды колебания элемента поверхности объекта на вектор чувствительности оптической схемы интерферометра [3].

Преимуществами голографической интерферометрии является бесконтактность метода, а также возможность визуализации форм собственных колебаний по всей исследуемой поверхности. Но метод голографической интерферометрии трудоемок, что связано с необходимостью применения фотоматериалов, и характеризуется низкой автоматизацией процесса измерений.

Более современным и не менее информативным методом изучения собственных форм колебаний объектов является метод электронной спекл-интерферометрии [3]. К его достоинствам можно отнести простоту обслуживания установки и высокий уровень автоматизации измерений, наглядность получаемых результатов и возможность вести наблюдение в реальном масштабе времени.

На кафедре АСЭУ Самарского государственного аэрокосмического университета на базе разработанного цифрового спекл-интер-ферометра [4] была проведена апробация его применения для трубопровода путем сравнения результатов с данными в [1], полученными на основании аналитических расчетов и метода простукивания.

Отрезок исследуемого трубопровода 1 (рис.1) с помощью металлических накладок 2 притягивался к двум опорам, выполненным в виде массивных стоек высотой "80 мм, которые жестко закреплялись на станине 3. По

Область обзора телекамеры

1 2 Верхний винт

Вибратор

Область освещения

Нижний винт

Рис.1. Схема установки трубопровода и возбудителя на оптическом столе: 1 - отрезок трубопровода; 2 - металлическая накладка; 3 - станина

станине 3 экспериментальная модель фиксировалась на платформе интерферометричес-кого стола. Рассмотренная на рис.1 схема трубопровода при проведении расчетов в [1] классифицировалась как трубопровод на двух упругих опорах и свободным концом. Трубопровод возбуждался электромагнитным вибратором в области одной из опор. Ось толкателя вибратора была перпендикулярна образующей поверхности трубопровода и лежала в плоскости оптической схемы интерферометра.

В схеме возбуждения и регистрации колебаний на рис.2 сигнал звукового генератора 1 фиксировался на цифровом табло частотомера 2 и поступал на вибратор 3, толкатель которого касался поверхности трубопровода 4. Акустический сигнал отклика возбуждаемого объекта регистрировался микрофоном 5, установленным вблизи трубопровода, усиливался и фильтровался третьоктавными фильтрами шумомера 6.

Сигнал отклика с шумомера 6 подавался на один из входов электронного осциллогра-

Рис.2. Блок-схема системы возбуждения и регистрации резонансных колебаний: 1-звуковой генератор; 2-частотомер; 3-вибратор; 4-трубопровод; 5-микрофон; 6-шумомер; 7-осциллограф

фа 7, на другой вход которого поступал сигнал звукового генератора 1. При сканировании частоты возбуждения в момент резонанса происходило резкое возрастание уровня сигнала отклика, и на экране осциллографа наблюдаемая фигура Лиссажу вырождалась в линию или эллипс. Резонансная частота определяется при максимальном уровне сигнала отклика. Необходимо отметить, что кроме схемы на рис.2, резонансная частота колебаний трубопровода уверенно выделялась с помощью самого цифрового спекла-интерфе-рометра. Это связано с тем, что при возбуждении колебаний объекта на мониторе ЭВМ установки в реальном времени наблюдается интерференция спеклов в неподвижных областях поверхности трубопровода. Если при сканировании частота возбуждения приближается к резонансной, то интерференционная картина размывается по всей поверхности объекта, за исключением узловых областей. На этой частоте по команде оператора и регистрируется интерферограмма.

Известно, что если резонансные частоты близки, то возможно одновременное возбуждение двух резонансных форм. Этот эффект можно легко заметить по поведению интерференционной картины. При смещении частоты возбуждения в ту или иную сторону, одна из форм будет проявляться сильнее до полного исчезновения другой формы. В любом случае для проверки факта является ли наблюдаемая интерференционная картина собственной формой колебания необходимо исследовать характер преобразования формы при малом изменении частоты возбуждения. Если при этом узловые линии остаются в фиксированном положении, частота является резонансной, в противном случае возбуж-

дается суперпозиция форм и необходимо принять меры по их разделению. Методы цифровой спекл-интерферометрии дают уникальную возможность в реальном времени наблюдать эти изменения.

Кроме возбуждения суперпозиции форм или возбуждения форм на частотах кратных резонансной возможен пропуск отдельных резонансов, если возбуждающая сила приложена в неподходящем месте (например, в пучности колебания формы). В связи с этим при использовании контактного способа возбуждения обязательным является неоднократное изменение точки приложения возбуждающего усилия. В нашем случае точка приложения возбуждающего усилия смещалась на 2-3 см от опоры в ту и другую сторону от нее.

При возбуждении трубопровода были зарегистрированы следующие резонансные частоты: 144 Гц, 162 Гц, 292 Гц, 700 Гц. Регистрируемые на указанных частотах спек-лограммы визуализируют формы возбуждаемых колебаний, дают количественную информацию о распределении амплитуд колебаний в каждой точке исследуемой поверхности. На рис.3 приведен характерный вид спеклограм-мы трубопровода на резонансной частоте 144 Гц. Из рис.3 видно, что узловая линия (самая широкая светлая полоса) находится на поверхности накладки (см. рис.1, поз.2). Форма наблюдаемых справа и слева от узловой линии интерференционных полос позволяет утверждать, что трубопровод совершает из-гибные колебания в плоскости, проходящей через ось трубопровода и ориентированной перпендикулярно поверхности рис.3. Меньший период интерференционных полос справа от нулевой линии (см. рис.3) говорит о том, что на свободном конце трубопровода скорость нарастания амплитуды колебаний по длине трубопровода выше, чем на межопор-ном участке.

Характерным является то, что в расчетной модели [1] информация о собственной частоте 144 Гц отсутствовала. Это можно объяснить тем, что указанная частота относится скорее к субгармонической, предшествующей собственной. Известно, что наличие субгармоник является критерием нелинейности исследуемой модели трубопрово-

Рис.3. Характерный вид спеклограммы участка колеблющегося на резонансной частоте144 Г ц трубопровода: 1 - накладка; 2 - трубопровод

да. В то же время математическая модель в [1] была разработана в линейной постановке. В ней не учитывались, например, нелинейные свойства опор, приводящие к заметному перераспределению спектра колебаний и росту энергетического вклада субгармоник. Приведенная на рис. 3 форма колебаний свидетельствует о взаимодействии подсистем на указанной частоте с выделением нелинейных эффектов. Для остальных экспериментально полученных результатов расхождение с расчетом в [1] растет с увеличением номера частоты и составляет 2,9 % для первой формы, 7,4 % для второй форы, 6,3 % для третьей. Увеличение погрешности с номером формы можно объяснить ростом влияния не учтенных в математической модели факторов - нелинейность характеристик опор и материала трубопровода, отличие геометрии оболочки (стенки) от идеально цилиндрической и т.д.

На рис.4 для исходной частоты 144 Гц даны спеклограммы, полученные при изменении усилия затяжки винтов, прижимающих одну из накладок (см. рис. 1, поз. 2) к стойке опоры. Рис.4а характеризует колебания трубопровода при ослабленном верхнем винте (см. рис.1). Из рис.4а видно, что по сравнению с рис. 3, период интерференционных полос, а, следовательно, и скорость нарастания амплитуды колебаний как накладки, так и трубопровода существенно возросла.

Когда верхний винт был полностью ослаблен, уровень колебаний накладки и трубопровода уменьшился (рис.4б). Была изменена частота возбуждения и зарегистрирован новый резонанс на частоте 140 Гц (рис.4в),

Рис.4. Влияние уровня затяжки винтов накладки на резонансную частоту и амплитуду колебаний трубопровода. а, б - 144 Гц., в,г,д - 140 Гц., е - 132 Гц

Затем был ослаблен нижний винт (рис.4г). Из рис. 4г. видно, что форма колебаний при этом не изменилась, а амплитуда - возросла. Когда был полностью ослаблен нижний винт, трубопровод практически не колебался (рис.4д). Снова была изменена частота и произведена настройка на резонанс на частоте 132 Гц (рис.4е). Из рис. 4е видно, что нулевая полоса сместилась влево с поверхности накладки на трубопровод. При этом накладка колеблется как целое со свободным концом трубопровода.

Таким образом, в результате проведенных исследований показано, что метод цифровой спекл-интерферометрии позволяет детально исследовать пространственные колебания таких сложных объектов как трубопроводная система, отслеживая влияние нелинейных характеристик заделки на собственные частоты и формы колебаний.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Прокофьев А.Б. Расчет собственных частот и форм колебаний трубопроводов с помощью программного комплекса // Известия Самарского научного центра РАН. 1999. №2.

2. Шахматов Е.В., Прокофьев А.Б. Вибро-акустическая модель прямолинейного неоднородного трубопровода при его силовом возбуждении пульсациями рабочей жидкости // Известия Самарского научного центра РАН. 2000. №1. Т.2.

3. Джоунс Р, Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. М.: Мир, 1986.

4. Электронный спекл-интерферометр для виброакустической диагностики энергоустановок / О.А.Журавлев, С.Ю. Комаров, Ю.Н. Шапошников, Ю.Д. Щеглов // РКтех-ника. 2000. Сер.ХП. Вып.1.

INVESTIGATION PIPE VIBRATION BY DIGITAL SPECKLE PATTERN INTERFEROMETER

© 2002 S.Yu. Komarov1, A.B. Prokofiev1, Yu.N. Shaposhnikov1, Yu.D. Scheglov2

1 Samara State Aerospace University

2 JSC "Motorostroitel", Samara

The properties of the optical scheme of the digital speckle pattern interferometer applied to the investigation of the model pipe vibration are considered. The analysis of the pattern image obtained by changing the structure of the model is given. By using comparison with the data obtained by calculation the advantages of the considered system are shown.