Организация помещения для проведения вибрационных испытаний
Перевод брошюры «What’s required to bring
vibration testing in-house?» (www.sentekdynamics.com) под редакцией Александра Кисина, зам. руководителя направления «Испытательное оборудование»
aikisin@dipaul.ru
При выполнении вибрационных тестов следует воспользоваться услугами внешней организации или же приобрести оборудование и провести испытания на своем предприятии? Очевидно, что первый подход позволит избежать капитальных вложений в строительство и оснащение собственной испытательной лаборатории. Мы исключим расходы, связанные с работой лаборатории и обслуживанием испытательного оборудования, нам не понадобится собственный опыт в проведении испытаний. Однако при втором варианте наличие собственного оборудования обеспечивает гораздо лучшее планирование работ, позволяет исключить повторяющиеся издержки, связанные с упаковкой и транспортировкой, и увеличивает безопасность. Кроме того, наличие «под рукой» такого оборудования и специалистов, умеющих его эксплуатировать, может принести большую пользу, если при испытаниях новых (или модифицированных) изделий обнаружатся проблемы.
Элементы системы для вибрационных испытаний
Что нужно при создании собственной лаборатории вибрационных испытаний? Во-первых, правильно подобрать оборудование, на котором будут выполняться испытания. Чаще всего вертикальную вибрацию нужно воспроизводить с помощью имеющего воздушное охлаждение вибростенда малой или средней силы. В таком случае в составе системы должны быть, как минимум, вибрационный контроллер, виброгенератор (шейкер), усилитель и вентилятор. Контроллер — это «мозг» системы. Он принимает сигнал от сенсора (акселерометра), установленного на столе шейкера (иногда на тестируемом образце), чтобы измерять значения виброускорений в ходе испытаний случайной тряской, синусоидой с качанием ее частоты или ударными воздействиями. Требуемые профили (характеристики) испытаний загружаются в контроллер оператором с помощью персонального компьютера (ПК).
Контроллер постоянно сравнивает измеряемый акселерометром сигнал с желаемым эталонным сигналом профиля и вычисляет необходимый управляющий сигнал для вибростенда таким образом, чтобы контрольный сигнал оказался равным профильному. Контроллер также может выполнять множество дополнительных аналитических функций, включая предварительный анализ реализуемости профиля и предельные значения вибрации для защиты оборудования во время испытаний.
Усилитель — это преобразователь, который обеспечивает умощнение управляющего сигнала. Его основная задача — пропорциональное усиление выходного сигнала контроллера и подача этого усиленного сигнала на подвижную катушку шейкера. Кроме того, усилитель выдает постоянный ток на соленоиды, формирующие постоянное магнитное поле шейкера, и 3-фазное электрическое питание для вентилятора охлаждения соленоидов шейкера. Модуль управления усилителя постоянно следит за тем, чтобы все высоковольтные компоненты системы работали в безопасном режиме и все напряжения, токи, температуры и силы вибрации находились в рамках указанных допустимых значений.
Шейкер — это «мышцы» системы, ее электромеханические «мускулы», необходимые для обеспечения достаточных усилий для вертикальных перемещений тестируемого устройства (ТУ) с требуемым уровнем ускорений. Для этого шейкер должен иметь достаточные значения силы, перемещения и ускорения. К тому же должен обладать диапазоном частот, соответствующим характеристикам испытаний или превышающим их. Шейкер должен обеспечить статическую поддержку тестируемого устройства и располагать достаточно большим нагрузочным столом, позволяющим надлежащим образом закрепить и удерживать ТУ. Иногда важно обеспечить тряску ТУ в горизонтальном направлении. Для этого должен быть приобретен скользящий стол. Причем подтвержденным практикой конструктивным решением является монтаж скользящего стола и шейкера на едином основании. Таким образом, можно гарантировать прочность конструкции и значительно упростить переход из горизонтального в вертикальный режим использования. Поэтому при планировании покупки оборудования надо сразу решить, какой вибростенд приобретать: только для вертикальной тряски или же для вертикальной и горизонтальной.
Для выполнения горизонтальной вибрации шейкер поворачивается горизонтально и соединяется со скользящим столом с помощью приводного адаптера.
Вентилятор охлаждает шейкер. Он всасывает прохладный воздух из лаборатории через кожух шейкера. Воздух проходит сквозь соленоиды мимо деталей магнитных полюсов в воздушную камеру, откуда откачивается через гибкий шланг, ведущий к вентилятору. Нагретый воздух выходит из вентилятора через его глушитель. В небольших системах вентилятор может быть расположен внутри шейкера. Чтобы избежать рециркуляции горячего воздуха в помещении, выпуск может быть выведен на улицу. В мощных системах вентилятор целиком располагают вне помещения, чтобы снизить уровень шума и рециркуляцию тепла.
Планирование пространства в лаборатории
Помимо выбора оборудования, которое требуется купить, существует множество аспектов, которые следует принять во внимание при планировании лаборатории для вибрационных испытаний. Точки на рис. 2 соответствуют 21 аспекту «что и где», которые не следует упускать из виду. Очевидно, что для начала нужно уточнить размеры и вес всего оборудования, которое будет установлено в лаборатории. Потребуется помещение достаточной площади, чтобы удобно разместить и обеспечить эффективную эксплуатацию и обслуживание оборудования. Необходимо предусмотреть, чтобы расстояния между шейкером, усилителем, вентилятором и стенами, скамьями и прочими препятствиями составляли не меньше метра. Пол должен быть строго горизонтальным и достаточно прочным для того, чтобы в дальнейшем выдержать все оборудование, перемещение испытательного инструментария и тестируемых устройств. Также понадобится место для шкафа для хранения приборов, инструментов и всех видов дополнительного оборудования.
Необходимо, чтобы потолки были достаточно высокими для перемещения крупных ТУ. Если планируется испытывать тяжелые изделия, понадобится мостовой кран возле шейкера и, возможно, трап для тележки. Также потребуется трехфазное электропитание для усилителя и однофазное — для рабочего освещения и питания электроинструментов возле всех элементов системы. Проводки будет много, поэтому надо планировать ее упорядоченную прокладку предпочтительно в защитных кабель-каналах, обеспечивающих доступ для обслуживания. Шейкеру для функционирования требуется чистый сжатый воздух (ИСО 8573-1: класс 1.7.1, размер частиц 0,01 мкм, содержание масла 10 в минус шестой степени 6 %).
Между шейкером и вентилятором должен находиться гибкий воздуховод (шланг). Он должен быть защищен и иметь минимальное количество изгибов под прямым углом. Вентилятор (или по крайней мере его выпуск) должен располагаться за пределами рабочей зоны.
Потребуется и кондиционирование воздуха помещения, так как вибросистема создает дополнительную тепловую нагрузку. Пол в лаборатории должен быть прочным и строго горизонтальным (уклон не более 1 мм на расстоянии 1 м) — на нем будет размещено много тяжелого оборудования. К сожалению, его установка непосредственно на пол здания может вызвать неудовольствие прочих обитателей предприятия: пол способен передавать силы реакции вибростенда по всему зданию, приводя к шумам и даже резонансным вибрациям. В качестве идеального решения проблемы можно посоветовать размещение шейкера на отдельном фундаменте, изолированном от фундамента здания. Если это невозможно, неоценимую помощь могут оказать стандартные изолирующие цапфы или пневматические опоры-амортизаторы под основанием шейкера.
Рекомендации по проводке: прокладка кабелей питания, заземления и передачи сигналов
Подключение всегда является вопросом, заслуживающим тщательного проектирования. Нужно планировать отдельные каналы или желоба для сигнальных кабелей, чтобы минимизировать электрические наводки. Понадобится и трехфазное, и однофазное электроснабжение. Вполне вероятно, что оно будет раздельным. В России наиболее распространена промышленная трехфазная сеть 380 В переменного тока, 4-проводное подключение «звездой». Это то, что нужно для питания усилителя, вибростенда и вентилятора. Тем не менее во многих промышленных зданиях для освещения используется напряжение между фазой и нейтралью в 220 В переменного тока. Для питания контроллера и иного управляющего оборудования, а также электроинструмента понадобится 220 В.
Чрезвычайно важно создать надлежащее заземление системы — и для обеспечения безопасной эксплуатации, и для исключения помех в измерительном тракте, вызванных петлей заземления, образованной неправильно проложенной сигнальной «землей». Заводская шина заземления должна быть подключена к усилителю, а шейкер и контроллер должны подсоединяться к заземлению в этой же точке с использованием медных проводов сечением не менее 4 мм2. Сигнальные кабели заслуживают отдельного внимания. Во избежание шумовых наводок и проблем петли заземления, проводники для аналоговых сигналов должны иметь минимально возможную длину (желательно также изолировать корпус акселерометра от корпуса шейкера). Следует иметь в виду, что контроллер принимает от шейкера контрольный сигнал виброускорения, а также, возможно, другие сигналы — например, мониторинговые от установленного на шекере ТУ. Соответственно, контроллер надо расположить рядом с шейкером. Очевидно, что шейкер, усилитель и контроллер необходимо установить близко друг к другу. Но это не означает, что оператор с компьютером должен находиться вблизи шейкера.
Обеспечение комфортных условий для персонала, который выполняет вибрационные испытания, приводит к заметному росту производительности труда. То есть компьютер надо установить в чистом звукоизолированном помещении с кондиционером, прилегающем к месту установки вибростенда. Все рекомендуемые контроллеры Crystal Instruments в качестве интерфейса между собой и компьютером используют Ethernet®, что позволяет разносить ПК и контроллер на большие расстояния без ущерба для скорости передачи или надежности системы. Важно подчеркнуть тот факт, что в Ethernet не применяется каких-либо сигналов, привязанных к «земле». Поскольку все цифровые сигналы в нем дифференциальны, подключение к Ethernet не может привести к петле заземления между удаленным компьютером и системой управления (в отличие от USB и прежних интерфейсов связи с ПК).
Нормативы по безопасности электроустановок могут накладывать свои требования на проводку в лаборатории. Например, хоть вентилятор и питается от усилителя, может потребоваться наличие трехфазного выключателя рядом с ним. Это особенно вероятно, если вентилятор установлен снаружи здания. Нормативы безопасности могут также потребовать установки кожуха или ограждения для предотвращения случайного контакта с вентилятором.
Особые рекомендации по комнате для оператора
В идеале комната управления должна прилегать к помещению, в котором установлен вибростенд. Она должна быть разделена с помещением звукоизолированной стеной (или двойной стеной). Комната должна хорошо проветриваться и быть оснащена системой кондиционирования воздуха. Требуется отличное освещение и несколько удобных розеток на 220 В переменного тока. В комнате должно быть предусмотрено достаточно места для стола для размещения ПК и работы с документами и для хранения офисных принадлежностей. У стола оператора должно находиться окно с двойным остеклением, через которое виден вибростенд, а также должна быть дверь для прохода между помещениями.
Для удобства оператора следует разместить на его столе опциональный блок дистанционного управления усилителем (SCU-200). Он подключается к модулю управления усилителя четырьмя кабелями. SCU-200 дублирует сообщения модуля управления, индицируя состояния узлов вибросистемы. Этот блок (совместно с ПК), установленный в удобном месте вдали от эксплуатационного шума и тепла, обеспечивает полный контроль.
Как быть с тепловыделением
Тепловыделение всегда представляет проблему при установке электродинамического вибростенда, поскольку значительное количество электроэнергии, поглощаемой при эксплуатации, преобразуется в тепло. Важное значение имеет исследование тепловых нагрузок для предполагаемого пространства. Вероятно, могут потребоваться дополнительные мощности кондиционирования. Такое исследование нужно провести до ввода лаборатории в эксплуатацию. Все усилители Sentek Dynamics серии PA являются высокоэффективными коммутирующими усилителями класса D с КПД 90%. Эффективность охлаждения охарактеризовать непросто, она значительно варьируется в зависимости от конфигурации системы. Общий принцип заключается в том, что совокупное количество тепла, выделяемое системой (тепловая мощность системы) равна мощности электропитания, поданного на усилитель. Для вибростенда при максимальной нагрузке тепловыделение, оцениваемое в кВт, в худшем случае равно номиналу мощности потребления усилителя, измеряемому в кВ·А. Тепло в системе рассеивается усилителем, шейкером и выпуском вентилятора. Выпуск теплого воздуха из вентилятора на улицу рассеивает более 50% этого тепла. Установка вентилятора снаружи еще больше снижает тепловую нагрузку на лабораторию и уровень шума.
Мы здесь, чтобы помочь
Создание лаборатории для вибрационных испытаний — это большая работа. Но, как и с любым другим инженерным проектом, разделение ее на последовательное выполнение предстоящих задач позволяет оптимизировать затраченные усилия. Сотрудники, занимающиеся прикладным инжинирингом в Sentek Dynamics, и представители компании «Диполь» в России имеют опыт в размещении и отладке вибростендов. Они готовы оказать помощь в ходе планирования размещения, запуска и обслуживания оборудования Sentek Dynamics.
