Регистрация / Вход
Прислать материал

К системе азимутальной акустической коррекции инклинометра: Исследование движения электро-механического акустического излучателя на основе гибкого вала

Сведения об участнике
ФИО
Чулков Виталий Евгеньевич
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Математика. Механика
Раздел области наук
Механика
Тема
К системе азимутальной акустической коррекции инклинометра: Исследование движения электро-механического акустического излучателя на основе гибкого вала
Резюме
В качестве генераторов акустического поля в системе азимутальной коррекции показаний инклинометра автором выбраны вибрационные излучатели на основе гибкого вращающегося вала. Их конструкция представляется простой для технической реализации и экономичной с точки зрения потребляемой энергии. Однако несмотря на простую механическую схему, исследование работы источника представляет сложную задачу, т.к. в данном случае имеет место сложная динамическая система с распределенными инерционными и жесткостными параметрами. В этой связи возникает особая необходимость исследования движения акустического источника. Полученные результаты и представлены данной работе.
Ключевые слова
Азимутальная коррекция, гибкий вал, резонанс, вибрационный источник, акустические колебания
Цели и задачи
Задача проекта заключается в исследовании движения вибрационного источника акустических колебаний, используемого для создания низкочастотного акустического излучения в системе азимутальной акустической коррекции показаний инкинометра.
Введение

В системах сейсмической разведки широко используются мощные акустические излучатели, монтируемые на автомобилях и представляющие собой многотонную конструкцию, требующие для своей работы значительных энергетических затрат. Для изучаемого автором варианта системы азимутальной акустической коррекции данные источники излучения являются непригодными для использования. В этой связи возникает необходимость использования в системе акустической коррекции менее мощных акустических излучателей, энергетические затраты на работу которых были бы существенно ниже, однако создаваемый акустический сигнал был бы достаточен для реализации способа акустической коррекции.

Методы и материалы

Для моделирования динамической системы используются программные пакеты Matlab и Maple. На первом этапе моделирования исследование динамики акустического излуччателя производится на основе усеченной нелинейной модели, обладающей 5-ю степенями свободы. Эффективность исследования указанной модели представляется оправданной тем, что были получены численные результаты моделирования, качественно согласующиеся с данными натурных экспериментов, проведенных на реальной конструкции, и которые подтвердили возможность достижения устойчивых резонансных режимов излучения вибрации данной конструкцией генератора. Динамические характеристики вибратора изучались с помощью плоской расчетной схемы. Основные допущения, которые сделаны в расчетной схеме:

1. Не учитываются массы отдельных элементов конструкции акустического излучателя, таких как сильфона, шарикоподшипниковых опор вала, деформации опорных узлов, сухое трение, суточное вращение Земли, влияние температуры.

2Герметичный корпус излучателя и статор электродвигателя считаем одним твердым телом. Ось вращения ротора совпадает с продольной осью корпуса и является для ротора главной центральной осью инерции. Корпус излучателя опирается на податливый грунт конечной жесткости. Окружающая среда и грунт оказывают линейно- упругое и линейно- вязкое сопротивление перемещениям корпуса. 

Описание и обсуждение результатов

В качестве расчетной системы используется податливый в поперечном направлении гибкий вал, который моделируется системой из трех тел: невесомой радиальной направляющей, жестко связанной с ротором, вдоль которой перемещается точечный груз и пружины с коэффициентом линейной жесткости с. Значение жесткости пружины выбрано из условия равенства проектной величины угловой скорости вращения ротора электродвигателя частоте малых свободных колебаний груза вдоль направляющей, вращающейся с этой угловой скоростью. Центр масс груза расположен на направляющей груза и отстоит от упругой линии вала на величину эксцентриситета е. Разгон двигателя осуществляется медленно с тем, чтобы успевали развиться колебания гибкого вала с требуемой величиной изгиба. Для такого разгона на разработанном макете используется система управления двигателем. В расчетной схеме величина крутящего момента электродвигателя определяется разностью текущей угловой скорости вращения ротора относительно статора и величины номинальной (паспортной) угловой скорости вращения ротора. Рассматриваемая система твердых тел с безмассовыми упруго-диссипативными элементами имеет 5 – степеней свободы. Дифференциальные уравнения ее движения относительно неизвестных функций обобщенных координат получены компьютерным методом на основании принципа «Уравнения Лагранжа 2-го рода». Составленная математическая модель позволяет исследовать влияние масс тел, жесткостей упругих элементов и вязкого трения на собственные частоты системы с невращающимся ротором и амплитудно-частотные характеристики установившихся вынужденных колебаний. Необходимо отметить, что даже для упрощенной расчетной схемы ее математическая модель описывается нелинейной системой дифференциальных уравнений.

По итогам исследования было замечено, что при определенном подборе параметров системы и при управляемом поступлении энергии от электродвигателя в данной системе могут возникать автоколебательные режимы движения по характеру близкие к основным и комбинационным резонансам. Данные режимы движения и были положены за основу при создании вибрационного источника акустического излучения. Таким образом теоретические предположения о существовании управляемых автоколебательных режимов движения вала даже при сравнительно небольших энергетических затратах подтверждаются результатами численного анализа динамики рассматриваемой механической системы, а также проведенными экспериментами с макетом излучателя. В соответствие с этим возможно использовать несбалансированный гибкий вращающийся вал для генерации акустического поля в рамках способа азимутальной коррекции. Данный вид излучателя не потребует больших затрат энергии акустических излучателей и при этом способен развить мощность, достаточную для регистрации акустической посылки на отдалении от источника.

 

Используемые источники
1. Способ азимутальной акустической коррекции инклинометра [Текст] : Заявка на пат. № 2015109279 Российская Федерация : МПК G 01 S 11/02, E 21 B 47/02 / С.Ф. Кjновалов [и др.] ; заявитель и патентообладатель С.Ф. Коновалов. Заявл. 18.03.15 : ил.
2. Chong-Won Lee. Vibrational analysis of rotors. Kluwer academic publishers. London, 2011. – 311 c.
3. Ковалевский, В.В. Исследование акустосейсмических волновых полей, генерируемых поверхностными сейсмическими вибраторами // Акустический журнал. - 2005. - т.51. – С. 104-114
4. Капица, П.Л. Устойчивость и переход через критические обороты быстро вращающихся роторов при наличии трения. - ЖТФ, 1939, с. 124.
5. Диментберг, Ф.М. Изгибные колебания вращающихся валов. - М.: Издательство Академии Наук СССР, 1959. — 248 с.
Information about the project
Surname Name
Vitaly Evgenievich Chulkov
Project title
To azimuth correction system of an inclinometer: Investigation of motion of electromechanical acoustic source with flexible shaft
Summary of the project
The report deals with modeling of motion of vibrational radiators with flexible shaft which were chosen by Author as generators of acoustic field for implementation of acoustic azimuth correction system of inclinometer' readings. Design of radiators seem uncomplicated for technical implementation and cost-effective in energy consumption. However investigation of acoustic source is a complex problem despite the simple mechanical system of it. It is possible because of a complex dynamic system with distributed parameters of inertia and rigidity which depends on power options and parameters of environment. In this case there is a strong necessity of investigation of motion of acoustic source. Results of study are presented in the paper.
Keywords
Azimuth correction, flexible shaft, resonance, vibrational source, acoustic oscilations