Электретный метод
Использование электретных преобразователей позволяет определять резонансные частоты испытуемых изделий различных форм. Материалом для поляризованного диэлектрика служит керамика T-150 или полиэтилентерефталатная пленка (лавсан). В результате поляризации на поверхности электрета образуется электрический заряд большой поверхностной плотности, который может сохраняться в течение продолжительного времени. Для определения резонансных частот электрет должен быть расположен на расстоянии 1--3 мм от поверхности испытуемого образца. При этом между электретом и образцом действует электростатическое поле, напряженность которого изменяется с изменением расстояния между ними.
Таким образом, при вибрации промежуток между образцом и электретом становится генератором переменного электрического напряжения, частота которого равна частоте вибрации, а числовое значение пропорционально виброскорости V = бщ (а -- амплитуда колебаний образца).
Принципиальная схема установки показана на рис. 3.
Рис. 3 Схема установки для определения резонансных частот электретным методом
Испытуемый образец крепят на крепежной плате 2 к столу 1 вибростенда и плавно изменяют частоту колебаний. При резонансе образца 3 увеличивается амплитуд его колебаний, что вызывает увеличение напряжения на электретном преобразователе 4. Это фиксируется по милливольтметру 5 и осциллографу 7 и записывается на самописце 6 Резонансную частоту измеряют частотомером 8 при максимальном напряжении на электрете.
Емкостный метод
В данном методе используется увеличение сигнал емкостного преобразователя при резонансе, которое происходит в результате изменения емкости неподвижным электродом и вибрирующим испытуемым образцом (рис.4).
Рис. 4 Схема установки для определения резонансных частот емкостным методом
Исследуемый образец 4 крепят на платформе 2 к столу 1 вибростенда. Над образцом на расстоянии 1--3 мм располагают искусственный электрод 3. К промежутку образец -- искусственный электрод прикладывают постоянное напряжение U = 400 + 500 В. Изменение при вибрации емкости между образцом и электродом вызывает в цепи с резистором R переменный ток I, который будет пропорционален скорости вибрации. Следовательно, напряжение на peзисторе R будет пропорционально виброскорости v = бщ.
Сигнал с резистора R поступает на электронный вольтметр 9 и вертикальные пластины осциллографа 8. На горизонтальные пластины осциллографа приходит сигнал от задающего генератора 6. Моменту резонанса испытуемого образца будет соответствовать увеличение напряжения на вольтметре 9 и поворот эллипса на 90° на экране осциллографа. Предусматривается также контрольный пьезопреобразователь 5 и вольтметр 7.
Метод многоточечного возбуждения
При определении динамических характеристик рассмотренными выше методами основные трудности возникают из-за наличия в получаемой информации составляющих от нерезонансных тонов колебаний. Эти трудности присущи всем методам, при которых возбуждение конструкции производится в одной точке. В последние годы все шире внедряется в практику метод определения динамических характеристик, основанный на многоточечном возбуждении колебаний конструкции. Применение многоточечного возбуждения позволяет путем специального подбора возбуждающих сил выделить поочередно «чистые» собственные формы колебаний и определить соответствующие этим формам динамические характеристики конструкции как для системы с одной степенью свободы. Принципиальная возможность получения «чистых» собственных форм колебаний конструкции с помощь многоточечного возбуждения вытекает из общей теории вынужденных колебаний линейных систем. Задача состоит в том, чтобы найти такое распределение сил, при котором возбуждается «чистая» собственная форма колебаний. Методы многоточечного возбуждения позволяют определять с высокой степенью точности динамические характеристики для самых сложных конструкций, однако они требуют сложных и дорогостоящих вибрационных установок. Современные многоканальные вибрационные установки основаны на фазовом критерии резонанса: если все возбуждающие силы находятся в фазе или сдвинуты по фазе на 180° относительно друг друга, а общий фазовый сдвиг соответствует резонансному фазовому сдвигу, то частота вынужденных колебаний системы совпадает с собственной частотой, а форма вынужденных колебаний -- с соответствующей собственной формой.
Методы испытаний на вибропрочность и виброустойчивость
Виброустойчивостью называется способность ЛА, его систем и аппаратуры сохранять работоспособность в условиях воздействия вибрации. Виброустойчивость определяет степень чувствительности испытуемого объекта к динамическим нагрузкам. Она характеризуется амплитудой ускорений и частотой вибрации, при которых не нарушается нормальное функционирование испытуемого объекта. Вибропрочность -- это свойство узлов, аппаратуры и ЛА в целом противостоять разрушающему действию вибрации в заданных диапазонах частот и оставаться работоспособными после воздействия вибрационных нагрузок. Она характеризуется максимальными амплитудами ускорений, собственными частотами колебаний испытуемой конструкции, демпфирующими свойствами материала конструкции и продолжительностью действия вибрационной нагрузки.
Испытания на вибропрочность и виброустойчивость могут быть реализованы следующими основными методами:
-- испытание гармонической вибрацией на фиксированных частотах;
-- испытание гармонической вибрацией с использованием метода качающейся частоты;
-- испытание полигармонической вибрацией;
-- испытание широкополосной случайной вибрацией;
-- испытание узкополосной случайной вибрацией;
-- испытание натурной (реальной) вибрацией.
Методы испытаний на вибропрочность и виброустойчивость. Испытание гармонической вибрацией на фиксированных частотах
Метод заключается в последовательном воздействии на испытуемое изделие гармонической вибрации определенной частоты и амплитуды в требуемом диапазоне частот. При испытаниях на вибропрочность (усталость) контролируют переменную и статическую силу, приложенные к испытуемому объекту и число циклов его нагружения. В процессе испытаний на виброустойчивость контролируют амплитуду либо размах перемещения стола вибростенда. В программе испытаний изделий на вибропрочность и виброустойчивость в этом случае указывают поддиапазоны частот, время испытаний и амплитуды ускорений. Рекомендуется выдерживать изделия на высшей частоте каждого поддиапазона. Продолжительность выдержки устанавливают в соответствии с требованиями технических условий.
Рис. 5
Погрешность поддержания частоты не должна превышать ±10% на частотах до 200 Гц и ±5% на частотах более 200 Гц. Если за время испытаний не было обнаружено нарушений и все параметры соответствовали требованиям технических условий, то изделие признают выдержавшим испытания. При испытании изделий и аппаратуры методом фиксированных частот особенно важно обнаружить резонансные частоты, на которых амплитуда колебаний испытуемого изделия будет в два раза и более превышать амплитуду колебаний точек крепления. В случае обнаружения резонансных частот или частот, на которых наблюдается ухудшение параметров изделия, рекомендуется дополнительная выдержка изделия при вибрации с данной частотой с целью уточнения и выявления причин несоответствия параметров техническому заданию. Иногда проводят длительные испытания на резонансных частотах для проверки ресурса работы конструкции.
Метод фиксированных частот имеет недостатки:
-- сложность контроля перемещения, ускорения и частоты вибрации и их регулирования вручную из-за значительной неравномерности амплитудно-частотной характеристики тракта испытательного комплекса при испытаниях в широком диапазоне частот;
-- невозможность выявления параметрических резонансов, вероятность пропусков резонансов отдельных элементов;
-- последовательное возбуждение резонансов.
Однако этот метод до настоящего времени широко распространен в практике виброиспытаний. Он дешев и прост. Для него пригодны все виды вибростендов. Используется он в основном при заводских испытаниях серийно выпускаемых изделий.
Испытание гармонической вибрацией с использованием метода качающейся частоты
Такой метод испытаний характеризуется тем, что частоту вибрации плавно изменяют в заданном диапазоне от нижней до верхней частоты и обратно при постоянстве заданных параметров вибрации в течение определенного времени (рис. 6). В программе испытаний на вибропрочность методом качающейся частоты необходимо указывать диапазон частот, амплитуду ускорения, время прохождения диапазона частот и продолжительность испытаний. Изменение частоты вибрации широко применяют для испытаний объектов на вибропрочность и виброустойчивость. Они пригодны для определения резонансных частот изделий и частотных характеристик. Для этих испытаний можно использовать вибростенды с вибровозбудителями, позволяющими плавно изменять частоту колебаний стола вибростенда в некоторых пределах. Испытания с переменной частотой гармонической вибрации, как правило, ведут при постоянной амплитуде вибросмещения до частот в несколько десятков герц, а затем поддерживают постоянную виброскорость или постоянное виброускорение.
Рис. 6
Преимущества этого вида испытаний -- в относительно низкой стоимости оборудования. Они дают информацию для корректировки испытуемого объекта, так как может быть легко зафиксирована частота, при которой происходит его разрушение или отказ.
Недостатком испытаний с переменной частотой гармонической вибрации является то, что возбуждение различных резонансов в испытуемом объекте происходит последовательно, а не одновременно. Испытания на виброустойчивость конструкции и ее элементов рекомендуется проводить методом фиксированных частот, а испытания на вибропрочность -- методом фиксированных частот или методом качающейся частоты. Недостаток обоих методов заключается в том, что в каждый данный момент времени на изделие воздействуют одночастотные синусоидальные колебания, а не спектр частот, как при реальных условиях.
Испытание полигармонической вибрацией
Испытание полигармонической вибрацией позволяет более точно моделировать реальную вибрацию, чем испытание на одной частоте.
Метод заключается в одновременном воздействии на изделие нескольких гармонических вибраций с различными фазами. Метод достаточно прост и отличается от методов испытания гармонической вибрацией числом задающих генераторов синусоидальных сигналов и необходимостью регулирования фазовых сдвигов между этими сигналами.
При испытаниях на вибропрочность, в частности на усталостную прочность, получило распространение бигармоническое возбуждение переменных нагрузок. На относительно низкочастотные, с большим размахом колебания нагружающей силы накладывают высокочастотную составляющую переменной силы с малой амплитудой. Подобная программа легко реализуется на испытательных стендах с электрогидравлическими возбудителями колебаний. Виброиспытания с полигармоническим возбуждением более общего вида проводят на стендах с электродинамическими вибраторами, позволяющими осуществлять возбуждение с кратными и с произвольными частотами. В последнем случае имеется возможность имитации некоторых характеристик случайной вибрации достаточно простыми средствами, с помощью частотных синтезаторов.
Для максимального приближения условий виброиспытаний к натурным условиям эксплуатации испытуемого объекта используют полигармоническое возбуждение такого спектрального состава, чтобы имитировалось случайное возбуждение. Для этого формируют полигармонический сигнал, содержащий сравнительно небольшое число составляющих, статистически эквивалентных стационарному случайному процессу.
Испытание случайной вибрацией
Исследования реальных вибраций различных ЛА показали, что вибрации являются случайными функциями времени. Их статистические характеристики определяются в результате обработки записей реальной вибрации. Целью испытаний является воспроизведение на вибростенде вибрации с заданными статистическими характеристиками в контрольных точках испытуемого объекта. Поскольку в качестве заданных статистических характеристик используются результаты обработки натурной вибрации, испытания случайной вибрацией наиболее точно воспроизводят реальное вибрационное состояние испытуемого изделия.
Режим испытаний случайной вибрацией определяется спектральной плотностью виброускорения, контролируемого в одной точке и в одном направлении, или матрицей спектральных плотностей при анализе векторной вибрации. Вибрационные испытания в широкой полосе охватывают обычно частотный диапазон в одну-две декады. Случайная узкополосная вибрация возбуждается и исследуется в полосе единиц или десятков герц.