R-5602
DYNBAL_V1 - SOFTWARE PRO VYHODNOCENÍ DYNAMICKÉ NEVÝVAHY V JEDNÉ ROVINĚ
ING. JAN CAGÁŇ ING. JINDŘICH ROSA
VÝZKUMNÝ A ZKUŠEBNÍ LETECKÝ ÚSTAV, a. s. BERANOVÝCH 130, 199 05 PRAHA-LETŇANY © 2013
R-5602
OBSAH 1
Úvod.............................................................................................................................................. 4
2
Program DynBal_v1 ..................................................................................................................... 5 2.1
Spuštění programu a výběr souboru pro vyhodnocení ............................................................ 6
2.2
Nastavení základní geometrie měření ..................................................................................... 7
2.3
Zpracování a vyhodnocení naměřených dat ............................................................................ 8
2.4
Další nastavení a možnosti programu ................................................................................... 10
3
Stručný postup dynamického vyvažování rotoru v jedné rovině ................................................ 13
4
Závěr ........................................................................................................................................... 14
5
Příloha 1 ...................................................................................................................................... 15
6
Literatura, odkazy ....................................................................................................................... 16
Použitá symbolika n
[ot/min]
velikost nevývahy rotoru
N0 [gcm] [°]
úhlová poloha nevývahy N0 vzhledem k polohové značce velikost zkušebního rozvážení rotoru
N1 [gcm] [°]
úhlová poloha nevývahy N1 vzhledem k polohové značce velikost dovažku rotoru
NV [gcm] [°]
úhlová poloha dovažku NV vzhledem k polohové značce efektivní hodnota vibrací rotoru rozváženého nevývahou N0
A0 [ms-2] [°]
fázový posun maxima vibrací A0 a středem pulsu polohové značky efektivní hodnota vibrací rotoru rozváženého nevývahou N0+N1
A01 [ms-2] [°] A1 [ms-2]
otáčky rotoru
fázový posun maxima vibrací A01 a středem pulsu polohové značky efektivní hodnota vibrací rotoru rozváženého pouze nevývahou N1
[°]
fázový posun maxima vibrací A1 a středem pulsu polohové značky
[°]
úhel polohové značky (vztaženo ke zvolenému souřadnému systému)
-2-
R-5602
[°]
úhel akcelerometru (vztaženo ke zvolenému souřadnému systému) velikost nevývahy rotoru při běhu se zkušebním rozvažkem
N01 [gcm] [gcm]
rozšířená nejistota velikosti nevývahy
[°]
rozšířená nejistota polohy nevývahy
[gcm]
nejistota velikosti zkušebního rozvažku
[°]
nejistota polohy rozvažku
[m/s2]
nejistota měření zrychlení vibrací
[m/s2]
nejistota měření zrychlení vibrací [°]
nejistota měření úhlu
Použité zkratky ZKLV
Zkušebna leteckých vrtulí
VZLÚ
Výzkumný a zkušební letecký ústav, a.s. Praha
EXE
typ souboru (spustitelný soubor)
KNF
typ souboru (soubor obsahující konfiguraci DAQ karty)
DAQ
data acquisition board
-3-
R-5602
1 ÚVOD Základní algoritmus pro dynamické vyvažování při zvolených otáčkách je velmi dobře znám a je uváděn v nejrůznějších učebnicích a kurzech dynamiky. Stručný postup pro vyvažování v jedné rovině je například nastíněn v analýze Ing. Z. Doležala z roku 1998 [1] k problematice dynamického chování chystaného inovovaného pohonu aerodynamického tunelu. Software DynBal_v1 realizuje tento principiální postup do ucelené softwarové aplikace, která využívá souborů dat naměřených vibrací v jednotlivých krocích dynamického vyvažování, provádí vlastní výpočet nevývahy a následně po provedení ověřovacího měření i vyhodnocení úspěšnosti. Důležité je zejména zpracování signálů ze snímačů, neboť v reálném provozu se jen málokdy setkáváme se „školním“ případem v podobě čistého harmonického kmitání vybuzeného nevývahou. Naměřený signál je obvykle superpozicí kmitání různých frekvencí s různou intenzitou, ze které je nutné složku první harmonické otáček vyseparovat analytickými postupy. Software také umožňuje základní odhad nejistoty naměřené nevývahy. Celkový postup výpočtu nevývahy a jejích nejistot je součástí ucelené metodiky [2]. Tato zpráva vznikla za podpory Ministerstva průmyslu a obchodu na dlouhodobý koncepční rozvoj výzkumné organizace.
-4-
R-5602
2 PROGRAM DYNBAL_V1 Software zpracovává datové soubory *.dat s hlavičkovými soubory *.hdr ve formátu TaffMat (standardní výstup záznamových zařízení např. firmy TEAC). Software dále může zpracovávat soubory ve formátu TaffMat s rozšiřujícím souborem *.hdr, jenž je standardním výstupem programu „DynMer_v1.vi“ [3] (soubor *.knf rozšiřuje informace normálně uložené v *.hdr o nastavení měřící DAQ karty). Na následujícím blokovém schématu jsou stručně naznačeny kroky výpočtu polohy nevývahy a její velkosti.
Pásmová filtrace 1. harmonické dynamického signálu
Čtení dat plovoucím oknem s nastavitelnou velikostí a překrytím
Vyhodnocení
Zadání N1 a φ1,
(Δψ01-Δψ0),
výpočet N0, φ0
A0 a A01
a A1
Vyhodnocení otáčkové frekvence tachosignálu
Obr. 2-1 Blokové schéma vyhodnocení Program umožňuje vybrat časový interval naměřených dat získaných v ustáleném režimu. Tento časový interval je následně rozdělen na menší časové úseky, jejichž délka je dána velikostí plovoucího okna. Velikost okna je třeba volit s ohledem na nastavenou vzorkovací frekvenci a na velikost tachosignálu, který přísluší ustálenému stavu (ve kterém je vyhodnocení prováděno) tak, aby okno pokrylo minimálně 6 period signálu. Vyhodnocení otáčkové frekvence tachosignálu je realizováno na základě typu signálu. Pokud jsou k dispozici rozšiřující informace o signálech ze souboru *.knf (a tedy záznam byl proveden pomocí programu DynMer.vi), může být nositelem informace o hodnotě tachosignálu složka UDC, UAC, UAC+DC, frekvence AC signálu atd. Není-li k dispozici soubor *.knf (a tedy záznam byl proveden např. některým ze záznamníků firmy TEAC) je v programu přednastaveno, že nositelem informace je frekvence AC signálu. Na základě frekvence tachosignálu je dále nastavena hodnota frekvence pásmové propusti, která připraví dynamický signál k vyhodnocení fázového posuvu. Vyhodnocení fázového posuvu probíhá ve dvou krocích. Nejprve jsou nalezeny časové okamžiky počátků period filtrovaného dynamického signálu a to v podobě indexů pořadí vzorků v plovoucím okně. V dalším kroku jsou nalezeny časové okamžiky středů všech pulsů polohové značky také v podobě indexů pořadí vzorků. Následně jsou odečteny jednotlivé dvojice poloh period a poloh středů a v rámci plovoucího okna je vyhodnocena
-5-
R-5602
průměrná hodnota fázového posuvu. V grafu v příloze 1 jsou pro názornost zobrazeny nalezené časové okamžiky dynamického signálu (vibrací) a polohové značky reálného signálu.
2.1 SPUŠTĚNÍ PROGRAMU A VÝBĚR SOUBORU PRO VYHODNOCENÍ Program lze spustit souborem DynBal.vi (a nebo DynBal.exe). Pro spuštění souboru EXE je nutné, aby byl na PC nainstalován LabVIEW Run-time Engine. Po spuštění programu se program nachází v kartě „Soubor“ (viz obrázek Obr. 2-2) a je provedeno načtení naposledy použité konfigurace a tedy i naposledy použitého pracovního adresáře. Zároveň jsou vypsány všechny soubory výše zmíněného formátu do přehledného seznamu.
Obr. 2-2 Úvodní okno programu – karta“ Soubor“ Je-li načten soubor KNF svítí kontrolka pod indikátorem pracovního adresáře zeleně. Fyzické otevření vybraného datového souboru se děje až po přechodu do karty „Čtení/Zpracování“. Zavření souboru se provádí při výstupu z této karty anebo při stisku tlačítka „STOP“ a tedy při ukončení programu.
-6-
R-5602
2.2 NASTAVENÍ ZÁKLADNÍ GEOMETRIE MĚŘENÍ V první fázi vyhodnocení je nutné definovat základní geometrii měření. V okně pro zadání geometrie měření (viz Obr. 2-3) je třeba nastavit orientaci celého systému, polohu polohové značky, akcelerometru, počet listů rotoru nebo i fázový posun řetězce akcelerometru. Do tohoto okna se lze dostat stiskem tlačítka „Popis geometrie měření“, které je v dolní části karty „Soubor“ z předchozího odstavce.
Obr. 2-3 Okno pro popis základní geometrie měření
Pro nadefinování přidané nevývahy slouží okno na následujícím obrázku, kde je nutné zadat polohu a velikost zkušebního rozvažku.
-7-
R-5602
Obr. 2-4 Okno pro popis přidaného rozvažku a nebo dovažku Do karty je opět možné vstoupit tlačítkem „Popis přidané nevývahy“, které je v kartě „Soubor“. V posledním kroku měření, a tedy při měření zbytkové nevývahy, je třeba nadefinovat polohu dovažku, k čemuž slouží stejné okno jako pro definici zkušebního rozvažku.
2.3 ZPRACOVÁNÍ A VYHODNOCENÍ NAMĚŘENÝCH DAT
Po vstupu do karty „Čtení/Zpracování“ jsou automaticky načtena data ze začátku záznamu o délce jednoho časového okna, jehož délka je přednastavena na 16384 vzorků. Vpravo vedle grafu je potřeba nastavit indexy správného pořadí kanálů dle typu signálu. Dále vpravo je možné nastavit velikost časového okna, překrytí, pořadí harmonické pro vyhodnocení kmitání a velikost pásma pásmové propusti. Začátek a konec časového intervalu, který bude vyhodnocen, je možné vybrat pomocí posuvníků pod grafem. Posuvníky jsou vztaženy k ose x udávající polohu danou pořadím vzorku v signálu. Samotná osa x na grafu je v sekundách. Okno pro zpracování naměřených dat je možné vidět na následujícím obrázku.
-8-
R-5602
Obr. 2-5 Okno pro vyhodnocení naměřených dat Po vybrání časového úseku pro vyhodnocení je možné spustit vyhodnocení tlačítkem „Zpracovat sig.“ Časový úsek bude po stisku tlačítka postupně vyhodnocen plovoucím oknem a jednotlivé výsledky zapsány do čtyř grafů ve spodní části okna. Levý horní graf zobrazuje efektivní hodnotu signálu vibrací. Pravý horní graf zobrazuje průběh tachosignálu. Graf vlevo dole zobrazuje průběh fází signálů vibrací vztažený k polohové značce a graf vpravo průběh rozptylu hodnot fází. V grafu efektivních hodnot vibrací je možné vybrat časový úsek. V ostatních grafech se polohy kurzorů automaticky nastavují do stejné polohy, jako v grafu efektivních hodnot vibrací. Z tohoto intervalu je pak spočtena střední hodnota měřených signálů, která je následně použita pro vyhodnocení nevývahy. Pod grafy je možné pomocí prvku s roletkovým menu vybrat, ze kterého signálu vibrací bude vyhodnocení nevývahy probíhat. Po vybrání časového úseku zpracovaných dat je možné přejít k samotnému vyhodnocení nevývahy přechodem do karty „Vyhodnocení“, viz následující obrázek.
-9-
R-5602
Obr. 2-6 Karta pro vyhodnocení dynamické nevývahy
Podle toho, v jakém kroku se nachází vyhodnocení, je zobrazena (poodkryta) příslušná tabulka s mezivýsledky či výsledky. Pořadí kroku vyhodnocení je dáno posledním vstupem do jednoho z oken pro nastavení geometrie v kartě „Soubor“ viz předchozí podkapitola 2.2. Bylo-li naposledy vstoupeno do okna pro popis základní geometrie, vyhodnocuje program výchozí stav nevývahy a tedy A0, Δψ0. Pokud bylo naposledy vstoupeno do karty pro zadání parametrů zkušebního rozvažku, potom program vypočte velikost a polohu nevývahy a tedy N0, φ0. Pokud byly naposledy zadávány parametry dovažku, pak program vypočte zbytkovou nevývahu.
2.4 DALŠÍ NASTAVENÍ A MOŽNOSTI PROGRAMU Program dále umožňuje v kartě „Nástroje→Help/Nastavení nejistot“ nastavit vstupní hodnoty pro výpočet nejistot. Zároveň je zde stručný návod a legenda ke značení jednotlivých veličin.
-10-
R-5602
Obr. 2-7 Karta s nápovědou a nastavením vstupních hodnot pro výpočet nejistot
Program také obsahuje nástroj pro vektorový součet, a to jak s numerickým, tak i grafickým výstupem. Tento nástroj je užitečný ve chvíli, kdy není možné na rotor umístit dovažek do místa, které bylo programem vypočteno, a tedy kdy je potřeba výsledný dovažek rozložit do dvou složek. Kartu pro vektorový součet lze nalézt v „Nástroje→Vektorový součet“ a lze ji shlédnout na následujícím obrázku.
-11-
R-5602
Obr. 2-8 Karta pro vektorový součet
V kartě servis jsou pak zobrazeny některé pomocné či důležité hodnoty, které mají informační charakter při ladění programu.
-12-
R-5602
3 STRUČNÝ POSTUP DYNAMICKÉHO VYVAŽOVÁNÍ ROTORU V JEDNÉ ROVINĚ Jak vyplývá z popisu software, bude proces dynamického vyvažování rozdělen do několika kroků. Veškeré kroky musí být prováděny ve stejném otáčkovém režimu. Dále je vhodné jednotlivé odměry provádět dostatečně dlouho tak, aby průměrné hodnoty byly dostatečně reprezentativní pro daný časový interval. Výpočty jsou prováděny z průměrných hodnot z vybraného časového intervalu.
1. Odměření vibrací (na nominálních anebo kritických otáčkách) výchozího stavu nevývahy → A0, Δψ0 2. Odměření vibrací se zkušebním rozvažkem umístěným náhodně (velikost zkušebního rozvažku je třeba volit s ohledem na hmotnost rotoru a velikost otáček) → A01, Δψ01 3. Zadání hodnot N1 a φ1 a výpočet velikosti nevývahy a její polohy → N0, φ0 4. Na základě tohoto hrubého výsledku umístit zkušební rozvažek o velikosti 2·N0 do polohy φ0+180° a provést další odměr → A01, Δψ01 5. Znovu vyhodnotit velikosti nevývahy a její polohy → N0, φ0 6. Umístit dovažek o velikosti NV=N0 na polohu φV =φ0+180° 7. Odměření vibrací zbytkové nevývahy.
-13-
R-5602
4 ZÁVĚR Software nabízí uživatelsky příjemné prostředí pro post-processing dynamických signálu za účelem vyhodnocení dynamické nevývahy rotoru v jedné rovině. Program byl odzkoušen a odladěn na laboratorním přípravku. Poté byl úspěšně použit při řešení reálného problému, kterým byly zvýšené vibrace ventilátorové jednotky aerodynamického tunelu VZLÚ.
-14-
R-5602
5 PŘÍLOHA 1
20.0
6.0
15.0
5.0
10.0
5.0 3.0 0.0 2.0 -5.0
1.0 -10.0
0.0
-15.0
-20.0 5000
6000
7000 8000 9000 index pořadí vzorku (vz)
10000
Dynamický signál Dynamický signál - filtrováno pásmovou propustí Poloha začátků period Signál polohové značky Poloha středu polohové značky
-15-
-1.0 11000
amplituda polohové značky (V)
amplituda vibrací (ms^-2)
4.0
R-5602
6 LITERATURA, ODKAZY [1]
Doležal, Z. Studie k vázanému kmitání pohonové soustavy cirkulačního tunelu VZLÚ. Informační zpráva VZLÚ (bez čísla), červen 1999. 34 s.
[2]
Rosa, J., Cagáň, J. Dynamické vyvažování rotoru v jedné rovině, Interní zpráva VZLÚ, číslo U-KMT-0130, duben 2012.
[3]
Cagáň, J. DynMer – Software pro sběr dat pomocí NI-DAQmx, Zpráva VZLÚ, číslo R5603, leden 2013
-16-
R-5602
Výzkumný a zkušební letecký ústav, a. s., Beranových 130, 199 05 Praha - Letňany
DOKUMENTAČNÍ LIST ZPRÁVY 1. Číslo zprávy
2. Datum vydání
R-5602
3. Číslo zakázky
leden 2013
4. Počet stran
IP3303
5. Kód zveřejnění
17
FIR
6. Název
DYNBAL_V1 - SOFTWARE PRO VYHODNOCENÍ DYNAMICKÉ NEVÝVAHY V JEDNÉ ROVINĚ 7. Autorský útvar (zkratka - číslo - název)
KMT – 3300 – Kompozitní technologie 8. Autor/ři (jméno, podpis)
Ing. Jan Cagáň 9. Odpovědný pracovník (jméno, podpis)
Ing. Jindřich Rosa
Ing. Jindřich Rosa 10. Vedoucí útvaru (jméno, podpis)
Ing. Vilém Pompe, Ph.D.
11. Technický ředitel (jméno, podpis)
Ing. Viktor Kučera
12. Abstrakt
Tato zpráva popisuje způsob použití software DynBal_v1, který umožňuje post-processing naměřeného dynamického signálu za účelem vyhodnocení dynamické nevývahy rotoru v jedné rovině.
13. Klíčová slova
software, dynamické vyvažování v jedné rovině, post-processing, nevývaha
-17-
