Авторка: Mila Kanevsky
Вібрація — поширена проблема під час створення дронів. Надмірна вібрація спричиняє проблеми в польоті та під час випробувань.
Покажемо два підходи до вібрації стенда: моделювання й експеримент. Зміна власних частот за допомогою демпферів подібна до рішень для дрона.
Зміст:
- Передумови
- Вібрація стенда тяги
- Моделювання вібрації
- Експериментальні випробування
- Вібрація дронів
Передумови: проєктування Flight Stand
Новий Flight Stand 15/50 випробовує установки до 50 кгс. Порожниста труба поліпшує аеродинаміку та приховує кабелі всередині.
Одне із завдань — обмежити вібрацію вертикальної труби, яка утримує FMU, двигун і пропелер угорі (рисунок 1).
Двигун і пропелер неминуче збуджують коливання, які можуть пошкодити обладнання. Ми провели тести, подібні до перевірки променів квадрокоптера; нижче метод і результати.
Рисунок 1. Рання концепція Flight Stand
Вібрація стенда тяги
Різні двигуни й пропелери змінюють параметри конструкції. Суттєвий чинник власної частоти — загальна маса.
Рівняння показують: більша маса знижує власну частоту. Через широкий діапазон тяги стенд працює з різними масами двигунів і пропелерів, тому частота змінюється [1].
Діапазон робочих частот широкий, і резонанс конструкції може потрапляти всередину нього.
Збудження власної частоти створює резонанс із великою амплітудою. Тривале утримання цього режиму може пошкодити або зруйнувати конструкцію.
Відомий приклад небезпеки коливань — руйнування мосту Такома 1940 року, коли аеродинамічна нестійкість спричинила неконтрольоване кручення.
Моделювання вібрації
Власні частоти очікувано потрапляли в робочий діапазон. Тяга 1,5–50 кгс відповідає приблизно 1000–10 000+ об/хв, або близько 16–200 Гц.
Моделювання показало різні форми коливань (рисунок 2). Не слід довго працювати в режимах, що їх збуджують.
Рисунок 2. Ранні форми коливань; вони не відображають поточні значення Flight Stand 15/50
Експериментальні випробування
Прототип дав змогу перевірити вплив у реальності, доповнюючи моделювання.
Замість FMU встановили адаптивне кріплення двигуна, а підрізаний з одного боку пропелер створював дисбаланс.
Рисунок 3. Прототип для вібраційних випробувань
Flight Stand записував динаміку. Стабільна основа критично важлива: недостатнє кріплення до підлоги збільшує рух, знижує резонансну частоту й підвищує вібрацію.
За плавного зростання обертів великі стрибки вібрації вказують на резонансні частоти (рисунок 4).
Рисунок 4. Вібрація зі зростанням обертів
Розглядали стандартні гумометалеві опори, але демпфер має працювати в напрямку вібрації. Кріплення доступні вертикально, тоді як основні коливання — бокові.
Перший саморобний прототип замінили професійно виготовленим із правильними допусками. Він був жорсткішим і тихішим; важливість основи підтвердилася.
Безпосереднє кріплення до бетону давало малу вібрацію й шум. На рейках рух і шум також невеликі, але вібрація вища, а стабільність трохи нижча.
Якщо на рейках є значний шум або вібрація, додайте бетонні анкери для обмеження руху.
Вібрація дронів
Джерело коливань в обох випадках — двигун і пропелер. Дрон складніший через постійний рух і чутливу електроніку.
Попри бортові датчики положення й швидкості лабораторні тести допомагають прогнозувати пошкодження конструкції та електроніки.
Рисунок 5. Дрон у польоті з камерою
У джерелі [2] спочатку визначають оберти найбільшої вібрації силової установки.
Потім виконують модальний аналіз і експериментальне збудження для перевірки впливу частот.
Дисбаланс — одне з головних джерел. Докладніше в нашому матеріалі: Наслідки дисбалансу пропелера для характеристик дрона.
Висновок
Перевірка стендів і компонентів дронів подібна: розрахунки та моделювання доповнюються експериментом.
Результати допомагають розробникам зменшити вібрацію як обладнання, так і літальних апаратів.
Читайте також: Як побудувати стенд тяги: підшипники та шарніри
Джерела
[1] Engineering ToolBox, 2017. Власні частоти коливань балок. Доступно онлайн: https://www.engineeringtoolbox.com/structures-vibration-frequency-d_1989.html
[2] J. Verbeke, S. Debruyne, “Vibration analysis of a UAV multirotor frame,” In Proc. ISMA2016, 2016, pp.2329-2338.