книги из ГПНТБ / Максимов Л.С. Измерение вибрации сооружений справ. пособие

Рис. 8.1. Кинематические схемы центробежных вибраторов

Направленные вибраторы, работающие по такой схеме, могут ис­ пользоваться для возбуждения и вертикальных, и горизонтальных сил. В последнем случае оси вращения располагаются вертикально или же горизонтально, но в одной вертикальной плоскости.

Если у вибратора, изображенного на рис. 8.1, б, угловое положе­ ние одного из дебалансов изменить на 180°, то получится вибратор, который, строго говоря, должен рассматриваться как ненаправленный, поскольку кроме знакопеременной силы, ориентированной по оси X, он возбуждает также знакопеременный момент Мѵ относительно оси У

(рис. 8.1, в).

Можно получить схемы направленных двухвальных вибраторов, генерирующих знакопеременные моменты Мх и Мг, если использовать две пары дебалансов (рис. 8.1, г и 8.1, д), причем плоскости вращения пар дебалансов при этом будут удалены друг от друга и расположены на равном расстоянии а/2 от плоскости XOZ. Дебалансы, находящи­ еся на одной оси вращения, развернуты относительно друг друга на

Направленные трехвальные вибраторы (рис. 8.1, е, ж, з, и) гене­ рируют гармонические силы, действующие по осям Z или X, а также гармонические моменты сил Мх или Mz. Для обеспечения направленно­

знакопеременный момент относительно вертикальной оси, не прибегая к перестановке вибратора на конструкции, а лишь меняя положение дебалансов. В случае же использования трехвального вибратора по схеме рис. 8.1, э, и можно в зависимости от положения дебалансов возбуждать вертикальную или горизонтальную силу, момент относи­

риситетом Гі относительно оси вращения.

Направленные вибраторы делают как с постоянным, так и с регу­ лируемым кинетическим моментом.

Для определения динамических характеристик конструкций с по­ мощью вибратора необходимо изменять в широких пределах его число оборотов. Поэтому в электроприводе используется обычно электродви­

двигатель постоянного тока»), что обеспечивает возможность измене­ ния числа оборотов вибратора в 15—20 раз. Применяются также трех- и четырехскоростные двигатели переменного тока совместно с меха­ ническими редукторами [41]. Перспективным является, по-видимому, использование электродвигателей постоянного тока с питанием от сило­ вых полупроводниковых управляемых вентилей — тиристоров [191, 268],

194

а также двигателей переменного тока, питаемых от тиристорных пре­ образователей частоты. Вибратор соединяется с электродвигателем че­ рез клиноременную передачу, гибкий вал, редуктор или, в редких слу­ чаях, посредством соединительной муфты на валах.

Отечественной промышленностью не выпускаются вибраторы, спе­ циально предназначенные для динамических испытаний сооружений и строительных конструкций. Налажено серийное производство вибро­ погружателей, в которых используются кинематические схемы направ­ ленных вибраторов. Они имеют обычно большой кинетический момент, значительный вес и оснащаются электродвигателями переменного тока. Использование вибропогружателей для динамических испытаний соору­ жений и конструкций хотя и затруднительно, но в принципе воз­ можно. Для этого необходимо только частичное переоборудование виб­ ропогружателя: замена электродвигателя переменного тока машиной постоянного тока, разработка дополнительных устройств для крепления вибратора на испытуемой конструкции и т. д. В табл. 8.1 для сведения приведены характеристики некоторых вибропогружателей малой и сред­ ней мощности с регулируемым кинетическим моментом [42, 184]. Чаще всего организации, проводящие динамические испытания сооружений и строительных конструкций, используют специально изготовленные вибраторы [41].

Для регистрации колебаний конструкций, возбуждаемых при дина­ мических испытаниях, наиболее пригодны электрические дистанцион­ ные вибрографы, работающие в режиме записи перемещения с коэффи­

ственных колебаний, которую хотят выявить при испытаниях. Вибро­ датчики должны допускать регистрацию колебаний как минимум по двум направлениям: вертикальному и горизонтальному. В случае ис­ пытания конструкции с криволинейными формами, например типа обо­ лочек, предпочтительнее использовать датчики, которые могут быть установлены в любом положении: вертикальном, горизонтальном и на­

195

индукционные вибрографы с вибродатчиками ВЭГИК или СМ-2М и

Для испытаний выбирают вибромашину, способную воспроизводить динамическую нагрузку в диапазоне частот ■—0,5 fn-i-2 fB.

Место установки вибромашины на конструкции определяют в со­ ответствии с изучаемой формой колебаний. Чем ближе располагается вибромашина к узлу, тем меньше амплитуда колебаний соответствую­ щей формы. Вес вибромашины не должен превышать 5—8% веса кон­ структивного элемента (балки, плиты перекрытия и пр.), на который она устанавливается.

Желательно размещать пульт управления вибромашиной рядом с оператором, ведущим запись вибрации.

Серьезное внимание следует обратить на систему крепления вибра­ тора к конструкции.

Для соединения вибратора с железобетонным элементом неболь­ шой толщины можно охватить конструкцию хомутом или пропустить анкерные болты через отверстия в конструкции. Если же эти способы неприменимы, то анкеры необходимо соединить с основной арматурой, (по возможности, без сварки). Хотя направленные вибраторы имеют очень хорошую (теоретически идеальную) характеристику направленно­ сти, тем не менее следует предусмотреть анкеры или другие приспособ­ ления, которые препятствовали бы раскачке вибратора в направлениях, перпендикулярных направлению вектора знакопеременной силы.

Количество вибродатчиков и места их расположения выбираются с таким расчетом, чтобы полностью выявить фактическую форму коле­ баний конструкции. Поэтому при испытаниях сложных конструкций необходимо применение многоканальной измерительной аппаратуры.

Процесс динамического испытания конструкции методом вынуж­ денных колебаний заключается в ступенчатом изменении числа оборо­ тов вибратора и осциллографировании показаний вибродатчиков или измерении амплитуды (и фазы, если определяют и фазочастотную ха­ рактеристику) колебаний по стрелочному прибору или другому инди­ катору.

Если количество имеющихся измерительных каналов недостаточно для выполнения синхронных записей во всех точках, предусмотренных схемой испытаний, то записи делают последовательно по отдельным группам приборов с использованием контрольных датчиков (см. § 7.2). В этом случае для совместной обработки последовательно зарегистри­ рованных показаний разных групп датчиков необходимо возбуждение колебаний конструкции с несколькими строго фиксированными часто­ тами.

Амплитуды колебаний конструкции при испытаниях должны быть таковы, чтобы, во-первых, не произошло нарушения нормальной работы конструкции, во-вторых, эти колебания могли бы быть зарегистриро­ ваны с достаточной точностью вибрографами и, в-третьих, помехи (микросейсмы) не повлияли бы существенно на качество записей.

Если кинетический момент вибратора регулируется, то испытание рекомендуется начинать, установив наименьший Мк, а затем посте­ пенно его увеличивать. Поскольку кинетический момент вибратора из­ вестен, нетрудно определить для каждой частоты со амплитуды возму­ щающей силы или момента по формулам, указанным на рис. 8.1. Далее вычисляются амплитудно-частотные характеристики

196

где А (со) — амплитуды колебаний конструкции по определенной форме, зарегистрированные вибрографом, установ­ ленным близко к пучности для этой формы коле­ баний;

Р(ш) и М(со)— амплитуды возбуждающей силы и возбуждающего момента.

По амплитудно-частотным характеристикам можно определить ре­ зонансные частоты Шрез и соответствующие логарифмические декре­ менты колебаний б (рис. 8.2):

шинству строительных конструкций, резонансные частоты для несколь­

ций методом собственных колебаний, возбуждаемых ударом или на­ чальным смещением, необходимо иметь в виду следующее.

В этом случае практически не удается уловить высшие формы ко­ лебаний, а если и удается, то не более одной гармоники.

При испытаниях многопролетной конструкции возникают колеба­ ния с частотой, близкой к частоте собственных колебаний соответствую­ щей однопролетной конструкции. Истинные собственные частоты мно­ гопролетной конструкции могут быть выявлены лишь при гармониче­ ском возбуждении.

Подъем груза для производства вертикальных ударов осуществ­

197

Выбор измерительной и регистрирующей аппаратуры, ее градуи­ ровка, регистрация колебаний при меняющихся режимах источников вибрации и пр., т. е. те процессы, описанию которых посвящены пре­ дыдущие главы, могут рассматриваться как первый этап измерения вибрации сооружения. Вторым, не менее важным, этапом является обработка полученных материалов и их интерпретация с инженерной

сведений о колебаниях сооружения, которые должны быть представлены в виде ограниченного по объему числового материала, представляет са- 'мостоятельную и в ряде случаев достаточно трудную задачу *.

В данной главе рассмотрены методы и аппаратура, с помощью ко­ торых по графическим и электрическим аналогам колебаний можно определить кинематические характеристики различных колебательных процессов **.

Вопросы инженерной интерпретации параметров колебаний, полу­ ченных в результате измерений, представляющие, по существу, одно из направлений экспериментальной динамики сооружений, здесь не обсуждаются, поскольку выходят за рамки поставленных авторами задач.

В § 9.1, носящем методический характер, даются формулы и ре­ комендации, позволяющие найти кинематические характеристики для различных типов колебательного движения по соответствующим за­ писям колебаний.

Описание принципов работы и технические характеристики анали­ зирующей аппаратуры приведены в § 9.2. В § 9.3 дано краткое описа­ ние автоматических и полуавтоматических устройств для преобразова­ ния осциллограмм и другого графического материала в числовой мас­ сив с целью последующего ввода его в ЦВМ для обработки измери­ тельной информации.

Наконец, заключительный § 9.4 представляет собой обзор основных норм, инструкций и руководств, которые содержат те или иные крите­ рии о допустимых уровнях колебаний строительных конструкций.

Основное внимание при изложении уделяется периодическим и ста­ ционарным случайным колебаниям.

* Об особенностях работы анализирующей аппаратуры непосредственно на месте измерений (см. рис. 2) было сказано во введении.

** Приведенные в этой главе рекомендации по методике обработки осцилло­ грамм механических колебаний относятся в равной мере и к осциллограммам переменных давлений и деформаций. Некоторые специфические особенности ого­ ворены отдельно.

199

§ 9.1. МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

Обработка осциллограмм колебаний обычно начинается с о п р е ­ д е л е н и я м а с ш т а б о в з а п и с и : горизонтального (масштаба вре­ мени) и вертикального. Временной масштаб легко определяется по маркам времени, имеющимся на осциллограмме. Рекомендуется ис­ ключать из обработки участки записей, где марки времени располо­ жены неравномерно.

Вертикальный масштаб записи вибрации вычисляют по рабочему участку амплитудно-частотной характеристики данного вибрографа (см. § 4.1) и коэффициенту ослабления (загрубления), который был использован при получении данной записи.

Вертикальный масштаб записи пульсации давления может быть

летки и лупы. Широко распространены палетки с миллиметровой сет­ кой. Их изготовляют чаще фотографическим способом на фотоплас­ тинке или пленке. Размеры палеток определяются шириной обрабаты­ ваемых осциллограмм (часто используются форматы 9x12, 13X18 см и др.). При обработке осциллографических кривых с очень малой тол­ щиной линии и небольшой амплитудой, например, записей, сделанных царапающим пером, удобно пользоваться лупой с масштабной сеткой в фокальной плоскости.

Методика обработки экспериментального материала зависит от ха­ рактера зарегистрированных процессов и поставленных задач. Ниже приведены практические рекомендации по обработке применительно к нескольким типам колебательных процессов, с которыми часто при­ ходится встречаться при экспериментальных исследованиях вибрации сооружений. Отнесение исследуемого колебательного процесса, пред­ ставленного реальной осциллографической кривой, к той или иной теоретической модели зачастую вызывает трудности. В особенности это относится к случайным колебаниям. Поэтому сама задача правиль­ ного выбора и обоснования модели колебательного процесса может быть решена лишь после накопления некоторого объема информации.

Гармонические колебания сооружений и конструкций (или близ­ кие к гармоническим) могут возбуждаться, например, машиной с не­ уравновешенным ротором.

вой, очевидно, не представляет трудностей. Для повышения точности определения частоты рекомендуется брать для обработки участок ос­ циллограммы, соответствующий нескольким периодам колебаний.

Амплитуда перемещения (скорости, ускорения) при частоте коле­

200

можно воспользоваться соответствующей ветвью амплитудно-частотной характеристики.

Амплитуда пульсации давления при частоте пульсации f, лежа­ щей в пределах рабочего ^диапазона частот измерителя,

k (2А 0Сц)

(9.2)

2

где k — коэффициент чувствительности измерителя пульсации давления

(см. гл. 6).

Записи колебаний сооружений, которые! можно считать гармони­ ческими, строго говоря, никогда не представляют собой синусоиду. Они всегда в большей или меньшей мере искажены вследствие действия различных случайных факторов. Если эти искажения невелики и кри­ вая незначительно меняет амплитуду, то размах 2А0сц можно опреде­ лить как среднее арифметическое из нескольких замеренных значений.

Сумма двух гармонических колебаний разной частоты на практике встречается, например, в случае, когда динамическая нагрузка вызы­

В зависимости от отношения частот гармонических составляющих следует отдельно рассмотреть два характерных случая:

1. Периоды колебаний значительно отличаются друг от друга. Здесь может быть использован так называемый «метод огибаю­

щих», сущность которого ясна из рис. 9.1. Соединяя плавной линией максимумы (или минимумы) осциллографической кривой, получают огибающую. Период и амплитуда низкочастотной составляющей опре­ деляются по огибающей, а период и амплитуда высокочастотной со­

201

202