Nawet jeśli maszyna sama kontroluje, kiedy osiąga zadaną prędkość, to jeśli jedna osiąga ją w czwartym cyklu ruchu, a inna w ósmym, to te testy mogą wykazywać różnice. W zależności od konstrukcji, mocy, działania regulatora, itp. czasy rozpędzania mogą być bardzo różne (a zdarzyło mi się nawet sprawdzać tester, który nie osiągał deklarowanej prędkości max! – brakowało 2-3% po piećdziesięciu cyklach). Rysunek 3 przedstawia typową charakterystykę rozpędzania maszyny z mimośrodem, w postaci średniej prędkości osiągniętej w kolejnych cyklach od startu. Prędkość 200 obr./min. (oczekiwana Vmax = 1047 mm/s dla nastawionego skoku 100 mm) osiągnięto w piątym cyklu od startu, z przyjętym błędem nie przekraczającym 1% obrotów zadanych.

Rys. 3    Rozpędzanie do prędkości zadanej w kolejnych pełnych obrotach od startu dla nastawy 200 obr/min.

Dla maszyn z serwonapędem stosowane są także inne sposoby dochodzenia do prędkości zadanej. Tu parametrem zmienianym przy rozpędzaniu może być i skok i częstotliwość. Jednak prędkości zadane powyżej 500 mm/s przy skoku 100 mm uzyskuje się typowo także po kilku cyklach rozpędzania od startu ruchu.
2) Dokładność i powtarzalność utrzymania prędkości nastawianej (w kolejnych cyklach ruchu)
Dokładność tę interpretujemy jako odchyłkę średnią od wartości zadanej, a powtarzalność, jako max. odchyłkę w pojedynczym cyklu od wartości zadanej.
Parametry te bezpośrednio wpływają na osiąganą prędkość max. ruchu w cyklu. Rysunek 4 przedstawia (w powiększeniu skali na osi Y ) prędkość chwilową w kolejnych cyklach po osiągnięciu prędkości zadanej z przebiegu wg rysunku 3. Tu zmierzona z czternastu cykli/obrotów wartość średnia prędkości wynosiła 199,994 obr./min., jednak rozrzut max. w pojedynczych cyklach dochodził do 1 obr./min.

Rys. 4    Powtarzalność prędkości zadanej w pojedynczych cyklach ruchu ustalonego (n = 200 obr./min.)

Najczęściej do charakterystyki tłumienia wykonuje się pomiar w jednym cyklu danej prędkości, więc oba parametry – dokładność i powtarzalność mają znaczenie. W przypadku z rysunku 4 wartość średnia nastawy była bliska wartości zadanej, natomiast gorzej wypadła powtarzalność w kolejnych cyklach, mimo, że spełnione zostało wymaganie 1% odchyłki od wartości zadanej prędkości. Tu główną przyczyną błędów osią­ganej prędkości max. była niepowtarzalność.
Na rysunku 5 przedstawiono inną sytuację, dla maszyny o konstrukcji z serwonapędem. Tu dla oczekiwanej Vmax.= 800 mm/s (wynikającej z nastaw skoku 30 mm i częstotliwości f = 8,488 Hz) błąd dokładności Vmax. wyniósł ok. 3,4%, a powtarzalność ok. 0,5%. W tym przypadku główną przyczyną błędu uzyskanej Vmax. był przeregulowany skok (30,73 mm), przy poprawnie realizowanej częstości ruchu f..

Rys. 5    Dokładność i powtarzalność Vmax maszyny serwonapędowej – wycinek z pięciu cykli dla Vmax. „ugięcia” – nastawa 800 mm/s

3) Sposób pomiaru Vmax.
W omawianych ma­szynach spotyka się różne sposoby wyznaczania uzyskanej prędkości max. Rysunek 6 przedstawia zarejestrowany urządzeniem wzorcowym rzeczywisty przebieg prędkości w czasie, dla maszyny testującej z napędem liniowym, na wycinku czasowym ±10ms, wokół pozycji środkowej skoku.

Rys. 6    Fragment 20 ms wokół położenia środkowego skoku na ugięciu i odbiciu dla nastawy 500 mm/s (zaznaczone położenia ±0,5 mm od środka skoku – ok. 2 ms) – a (odbicie), b (ugięcie)

Weryfikuje on dość popularny sposób wyznaczania Vmax. poprzez próbkowanie z określoną częstotliwością chwilowych położeń z wybranego okna względem pozycji środkowej skoku, w której (przy zachowaniu teoretycznego przebiegu sinusoidalnego), znajduje się Vmax.. Wyznacza się tę prędkość jako droga/czas w wybranym wycinku pomiarowym (w omawianym przypadku jest to czas przemieszczenia w oknie ±0,5 mm wokół pozycji środkowej, gdzie teoretycznie osiągamy Vmax. dla ruchu sinusoidalnego – czas przemieszczenia o 1 mm dla V = 500 mm/s wynosi 2 ms). Działanie zmiennych sił od regulatora (przyśpieszanie i hamowanie) i amortyzatora (tłumienie) powoduje zniekształcenia teoretycznej sinusoidalnej trajektorii ruchu – widoczne są nakładające się drgania i trudne do przewidzenia przesunięcia osiągniętej prędkości max. względem położenia środkowego skoku – zbyt małe okno pomiarowe może nie objąć rzeczywistej max. prędkości (Rys. 2b), a zbyt duże zaniżyć wynik. Odnalezienie zaś samej Vmax w wybranym oknie (Rys. 2a), najczęściej zawyża wynik, gdyż dokładają się drgania, szumy itp., poza tym nie mamy gwarancji, że wybrane okno obejmuje Vmax.. Wszystko to może powodować także błędy pomiaru. Dla zweryfikowania czy sposób pomiaru Vmax. nie wprowadza błędów pomocna byłaby informacja, o sposobie wyznaczania Vmax. przez układ pomiarowy maszyny, jednak często nie jest ona dostępna. Jeśli nie mamy tej informacji, trudno czasem wyjaśnić, co może być przyczy­ną niepowtarzalności i róż­nic pomiędzy nastawą oczekiwaną, a pomiarem Vmax.

Proponowana metodyka weryfikacji dokładności nastaw testerów amortyzatorów samochodowych
Omawiane powyżej czynniki mogące mieć wpływ na dokładność nastawianej Vmax. potwierdzają moje początkowe spostrzeżenia, że przy sprawdzaniu dokładności omawianych maszyn testujących, największe błędy mogą wynikać z charakterystyk dynamicznych ruchu. Charakterystyki statyczne powinny być punktem wyjścia do badań dokładności tych maszyn.
W związku z tym, poniżej proponuję zakres badań, który pozwala na uzyskanie znacznie wyższej powtarzalności i porównywalności testów charakterystyk tłumienia, oraz korelacji wyników z różnych maszyn, niż tylko w oparciu o charakterystyki statyczne dokładności.

Proponowany zakres sprawdzeń/weryfikacji
1) Dokładność statyczna przemieszczenia lub dokładność nastaw mimośrodu w deklarowanym zakresie ruchów/nastaw.
2) Dokładność i powtarzalność dynamiczna skoku w funkcji zadanej prędkości/częstotliwości (charakterystyka czasowa przemieszczenia).
3) Dokładność uzyskanej Vmax w stosunku do wartości oczekiwanej, wynikającej z nastaw i jej powtarzalność odniesiona do pojedynczego cyklu ruchu z uwzględnieniem (jeśli możliwe) sposobu wyznaczania Vmax (charakterystyka czasowa prędkości chwilowej ruchu cyklicznego).
4) Charakterystyka przejściowa rozpędzania do zadanej prędkości/częstotliwości.
5) Na podstawie charakterystyki czasowej prędkości chwilowej (pkt. 3) wyznaczenie charakterystyki powtarzalności obrotów lub częstotliwości (w zależności od konstrukcji tych maszyn) odniesionej do pojedynczego cyklu ruchu.
Pomiary wymienionych charakterystyk dynamicznych powinno się wykonać z typowymi nastawami dla przeprowadzanych testów sił tłumienia, bez obciążenia amortyzatorem, oraz z co najmniej jednym reprezentatywnym obciążeniem.
Zalety przedstawionego zakresu weryfikacji/sprawdzania maszyn testujących amortyzatory są następujące:

• Charakterystyka rozpędzania jest koniecznym elementem poprawnego ustalenia programów badawczych (np. od którego cyklu ruchu można zacząć pomiary, lub czy można od założonego), a także pozwala ocenić możliwości dynamiczne maszyny,
• Wyniki pomiarów dynamicznych charakterystyk ruchu cyklicznego dają możliwość korygowania nastaw prędkości obrotowej lub częstotliwości i skoku, aby uzyskać oczekiwane wartości prędkości maksymalnej w cyklu ruchu,
• Uwzględniając jeszcze nieomawiane tu charakterystyki dokładności pomiarów siły, możemy skorelować i porównywać ze znacznie zawężoną niepewnością wyniki z różnych maszyn, w stosunku do porównywania ich na podstawie samych charakterystyk statycznych.

Podsumowanie
Normy i specyfikacje dotyczące metod badań maszyn testujących, z którymi się zapoznałem, nie do końca przystają do sprawdzania maszyn testujących amortyzatory, gdyż nie uwzględniają wysokiej dynamiki ruchu cyklicznie zmiennego i występujących sił, gdzie najbardziej istotne są same przebiegi czasowe i parametry chwilowe, a nie charakterystyki statyczne. Zaproponowane dodatkowe charakterystyki dynamiczne (pkt. 2, 4 i 5 zakresu sprawdzeń tych maszyn) uzupełniają te lukę. Przedstawiona metodyka weryfikacji ma duże możliwości diagnostyczne przyczyn niepowtarzalności i braku dostatecznej porównywalności testów. Przeprowadzane badania testerów amortyzatorów wg wymienionego zakresu sprawdzeń potwierdzają, że znajomość wymienionych charakterystyk dokładności ruchu testerów pozwala wyjaśnić większość różnic pomiędzy uzyskanymi wynikami.

Robert Jastrzębski
SciLab Measurements

Literatura:
[1] Gardulski J.: Badania diagnostyczne amortyzatorów, Diagnostyka, 2 (38) 2006, s. 187-197
[2] Stańczyk T.L.P.: Analiza porównawcza metod badania amortyzatorów hydraulicznych, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów,
zeszyt 4 (100) 2014, s. 25-45

artykuł pochodzi z wydania 11 (110) listopad 2016

Czytaj także:

Weryfikacja wytrzymałościowa wysięgnika ładowarki górniczej

Rurowa turbina Kaplana; badania modelowe i założenia typoszeregu

Modyfikacja częstotliwości drgań własnych maszyn z wykorzystaniem MES

Polskie „GADy” Część I: Przed wojną