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
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] otáčky rotoru N 0 [gcm] velikost nevývahy rotoru [ ] úhlová poloha nevývahy N 0 vzhledem k polohové značce N 1 [gcm] velikost zkušebního rozvážení rotoru [ ] úhlová poloha nevývahy N 1 vzhledem k polohové značce N V [gcm] velikost dovažku rotoru [ ] úhlová poloha dovažku N V vzhledem k polohové značce A 0 [ms -2 ] efektivní hodnota vibrací rotoru rozváženého nevývahou N 0 [ ] fázový posun maxima vibrací A 0 a středem pulsu polohové značky A 01 [ms -2 ] efektivní hodnota vibrací rotoru rozváženého nevývahou N 0 +N 1 [ ] fázový posun maxima vibrací A 01 a středem pulsu polohové značky A 1 [ms -2 ] efektivní hodnota vibrací rotoru rozváženého pouze nevývahou N 1 [ ] fázový posun maxima vibrací A 1 a středem pulsu polohové značky [ ] úhel polohové značky (vztaženo ke zvolenému souřadnému systému) -2-
[ ] úhel akcelerometru (vztaženo ke zvolenému souřadnému systému) N 01 [gcm] [gcm] velikost nevývahy rotoru při běhu se zkušebním rozvažkem rozšířená nejistota velikosti nevývahy [ ] rozšířená nejistota polohy nevývahy [gcm] nejistota velikosti zkušebního rozvažku [ ] nejistota polohy rozvažku [m/s 2 ] [m/s 2 ] nejistota měření zrychlení vibrací nejistota měření zrychlení vibrací [ ] nejistota měření úhlu Použité zkratky ZKLV VZLÚ EXE KNF DAQ Zkušebna leteckých vrtulí Výzkumný a zkušební letecký ústav, a.s. Praha typ souboru (spustitelný soubor) typ souboru (soubor obsahující konfiguraci DAQ karty) data acquisition board -3-
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-
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. Čtení dat plovoucím oknem s nastavitelnou velikostí a překrytím Pásmová filtrace 1. harmonické dynamického signálu Vyhodnocení (Δψ 01-Δψ 0), A 0 a A 01 Zadání N 1 a φ 1, výpočet N 0, φ 0 a A 1 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 U DC, U AC, U AC+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-
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-
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-
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-
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-
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 A 0, Δψ 0. Pokud bylo naposledy vstoupeno do karty pro zadání parametrů zkušebního rozvažku, potom program vypočte velikost a polohu nevývahy a tedy N 0, φ 0. 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-
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-
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-
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 A 0, Δψ 0 2. Odměření vibrací se zkušebním rozvažkem umístěným náhodně (velikost zkušebního rozvažku je třeba volit s ohledem na hmotnost rotoru a velikost otáček) A 01, Δψ 01 3. Zadání hodnot N 1 a φ 1 a výpočet velikosti nevývahy a její polohy N 0, φ 0 4. Na základě tohoto hrubého výsledku umístit zkušební rozvažek o velikosti 2 N 0 do polohy φ 0 +180 a provést další odměr A 01, Δψ 01 5. Znovu vyhodnotit velikosti nevývahy a její polohy N 0, φ 0 6. Umístit dovažek o velikosti N V =N 0 na polohu φ V =φ 0 +180 7. Odměření vibrací zbytkové nevývahy. -13-
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-
amplituda vibrací (ms^-2) amplituda polohové značky (V) R-5602 5 PŘÍLOHA 1 20.0 6.0 15.0 5.0 10.0 4.0 5.0 3.0 0.0 2.0-5.0-10.0 1.0-15.0 0.0-20.0-1.0 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 index pořadí vzorku (vz) Dynamický signál Dynamický signál - filtrováno pásmovou propustí Poloha začátků period Signál polohové značky Poloha středu polohové značky -15-
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-
Výzkumný a zkušební letecký ústav, a. s., Beranových 130, 199 05 Praha - Letňany DOKUMENTAČNÍ LIST ZPRÁVY 1. Číslo zprávy 2. Datum vydání 3. Číslo zakázky 4. Počet stran 5. Kód zveřejnění R-5602 leden 2013 IP3303 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 Ing. Jindřich Rosa 9. Odpovědný pracovník (jméno, podpis) 10. Vedoucí útvaru (jméno, podpis) 11. Technický ředitel (jméno, podpis) Ing. Jindřich Rosa Ing. Vilém Pompe, Ph.D. 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-