Испытания реальной вибрацией
Под испытанием реальной вибрацией понимают воспроизведение на выходе вибросистемы, состоящей из вибростенда в испытуемого изделия, мгновенных значений параметров вибропроцессов, записанных в натурных условиях на один из носителей информации. Такие испытания проводят, когда при нормальной эксплуатация на исследуемую конструкцию воздействуют существенно нестационарные процессы, которые не удовлетворяют гипотезе локальной стационарности. Схема установки для испытания реальной вибрацией представлена на рис. 7
Рис.7
Способы воспроизведения широкополосной случайной вибрации в данном случае оказываются неприемлемыми.
Анализируя методы испытания случайной и реальной вибрацией, применяемые при наземной отработке ЛА, можно сформулировать рекомендации по их выбору:
1.Если испытуемые конструкции являются простейшими колебательными системами с одной степенью свободы или вынуждающие воздействия в натурных условиях являются узкополосным случайным процессом со значительной мощностью, сосредоточенной в окрестности некоторой центральной частоты, то достаточно провести испытания на узкополосную случайную вибрацию.
2.При широкополосном возбуждении сложных механических конструкций с большим числом степеней свободы необходимо проводить испытание широкополосной случайной вибрацией. Если в данной конструкции возможны сложные пространственные движения, то для наилучшего приближения условий эксперимента к натурным следует воспроизводить многомерные (векторные) вибрации.
3.Если сложные многорезонансные объекты необходимо испытать в короткий отрезок времени, в течение которого невозможно определить, является вибрация стационарным или нестационарным процессом, следует применять испытание реальной вибрацией.
Средства проведения наземных вибрационных испытаний
Вибрационные испытания ЛА и их элементов осуществляются с помощью специального оборудования. В состав этого оборудования входят:
-- стенды, имитирующие механические воздействия;
-- приспособления для крепления ЛА или его элементов к испытательным установкам;
-- приборы для измерения параметров вибрации.
Современные вибрационные установки дают возможность изменять амплитуды колебаний в процессе испытаний, управлять установкой автоматически, проводить испытания различными методами.
Вибростенды для испытаний ЛА и их элементов можно классифицировать по назначению, исполнению, типу и направлению создаваемых колебаний, числу компонент и форме колебаний, принципу работы возбудителя, динамической схеме и принципу возбуждения переменной силы в возбудителе колебаний.
1.По назначению:
-- вибростенды для испытаний на вибропрочность и вибронадежность;
-- вибростенды для испытаний на усталость и выносливость образцов материалов, деталей и агрегатов;
-- вибростенды для градуировки, калибровки и проверки виброизмерительной аппаратуры.
2.По исполнению:
-- переносные вибростенды для нормальных и специфических условий эксплуатации;
-- стационарные вибростенды с одним или несколькими возбудителями колебаний.
3.По типу создаваемых механических колебаний:
-- вибростенды прямолинейных колебаний;
-- вибростенды крутильных колебаний.
4.По направлению действия механических колебаний:
-- вибростенды, создающие колебания вдоль или вокруг вертикальной оси;
-- вибростенды с переменным углом установки направления создаваемых колебаний по отношению к горизонтальной плоскости.
5.По числу компонент механических колебаний:
-- вибростенды однокомпонентные для создания прямолинейных и крутильных колебаний;
-- вибростенды многокомпонентные для создания плоскостных и объемных колебаний.
6.По форме создаваемых механических колебаний:
-- вибростенды для создания гармонических или квазигармонических колебаний;
-- вибростенды для создания полигармонических колебаний;
-- вибростенды для создания колебаний широкого спектра частот.
7.По принципу работы возбудителя механических колебаний:
-- нерезонансные вибростенды;
-- резонансные вибростенды с внешним возбуждением и с автоколебанием.
8.По динамической схеме:
-- вибростенды с кинематическим ограничением смещения стола;
-- вибростенды с кинематическим неограниченным прямым возбуждением колебательного смещения стола;
-- вибростенды с кинематически неограниченным косвенным возбуждением колебательного смещения стола.
9.По принципу возбуждения переменной силы в возбудителе колебаний (по виду энергетического привода):
-- механические;
-- электрогидравлические;
-- пьезоэлектрические;
-- электромагнитные;
-- резонансные;
-- пневматические;
-- магнитострикционные;
-- электродинамические.
Механические вибростенды
Механические вибростенды обычно выполняют с вибровозбудителями следующего типа: центробежными, эксцентриковыми, кривошипно-шатунными с жесткой связью, с гибкой связью, кулисными и маятниковыми. Основное преимущество данных вибростендов заключается в том, что они обеспечивают с определенной точностью постоянство амплитуды вибрации при частотах до 400 Гц. Грузоподъемность промышленных стендов может достигать значений до 1000 кг. Все механические стенды -- низкочастотные, частота ограничена прочностью звеньев передаточного механизма. Многозвенный механизм таких стендов имеет большое количество резонансных частот, оказывающих влияние на режим испытания объектов. В качестве примера рассмотрим схемы работы механических вибростендов с эксцентриковым и центробежным вибратором.
Стенд с эксцентриковым вибровозбудителем (рис.7, а) достаточно прост, но из-за сильной изнашиваемости подшипников стенды, выполненные по такой схеме, применяют для частот, не превышающих 50 -- 60 Гц.
Рис. 8
Амплитуду вибрации регулируют изменением эксцентриситета, частоту -- изменением частоты вращения двигателя. Основные преимущества таких стендов -- возможность получения очень низких частот, независимость амплитуды от частоты и экономичность.
Недостатком является невозможность получения высоких частот и малых амплитуд (менее 0,1 мм).
Для разгрузки подшипников применяются эксцентриковые стенды, включающие упругие элементы и реактивную массу (рис. 8, б). Реактивная масса 2 служит для управления вибрационными силами, действующими на основание. Пружины 1 являются основными. Через упругий элемент 5 осуществляется передача колебаний от эксцентрика 6 с постоянным эксцентриситетом а к платформе 3. Пружины 4 служат для связи элементов вибростенда с основанием. Изменением длины рабочих пружин регулируется амплитуда вибрации платформы.
Колебательную систему стенда с центробежными вибраторами (рис. 9, а) составляют пружина 4 и подвижная часть стенда, состоящая из платформы 1 с испытуемым объектом, штока 2 и собственно вибратора 3.
Рис. 9
В вибратор входят два вращающихся в разные стороны параллельных вала, на которых находятся два стальных сектора (рис. 9, б). Радиальные оси симметрии секторов в каждой из четырех пар можно сдвинуть относительно друг друга. Тем самым достигается некоторая неуравновешенность, вследствие которой при вращении возникают центробежные силы. Составляющие центробежных сил в направлении, перпендикулярном продольной оси штока, взаимно уничтожаются, а в направлении, совпадающем с продольной осью штока, -- складываются, вызывая прямолинейную синусоидальную вибрацию подвижной части стенда, подвешенной на пружине 4 (см. рис. 9 б). Амплитуда вибрации регулируется изменением угла между секторами. Частота вибрации, равная частоте вращения вала, регулируется пусковым реостатом.
Электрогидравлические вибростенды
Характерными особенностями электрогидравлических вибростендов является возможность:
1) создания больших переменных сил (свыше Н);
2) проведения испытаний при частотах до 100 Гц и в отдельных случаях -- при частотах до 500 Гц;
3) получения больших амплитуд перемещения при испытаниях на низких частотах
В зависимости от типа задающего механизма различают стенды:
а) с гидромеханическим возбуждением;
б) с гидроэлектромагнитным возбуждением;
в) с гидроэлектродинамическим возбуждением.
Наиболее совершенными являются стенды с гидроэлектродинамическим возбуждением вибрации, в которых электродинамический возбудитель приводит в движение золотник или клапан системы управления, изменяющий давление в основной гидравлической системе. Однако воздействие сложных динамических процессов в жидкости затрудняет получение заданного закона колебаний. Многоступенчатое усиление позволяет получать на столе стенда силы до -- Н. Верхний предел частотного диапазона ограничивается динамическими свойствами жидкости и составляет 200 -- 300 Гц.
Рассмотрим принципиальную схему работы электродинамического вибрационного стенда (рис. 10).
Рис. 10
Возбудитель вибрации 1 малой мощности жестко связан с управляющим золотником 2 четырехкромочного типа. Золотник 3 гидравлического усилителя перемещается при изменении давления Py, действующего на торцевые плоскости золотника.
Во втором каскаде гидравлического усилителя применен поршень 4 дифференциального типа с отношением рабочих площадей 1:2. При движении золотника 3 нижняя полость гидроцилиндра попеременно сообщается с полостью высокого давления Р0 или со сливной ветвью гидросистемы. Прямолинейное движение стола обеспечивается специальными центрирующими поясками на штоке, соединенном с поршнем. Обратные связи осуществляются с помощью датчиков ускорения 5 и датчиков скорости 7. Среднее положение стола контролируется с помощью датчика 6 потенциометрического типа.
Пьезоэлектрические вибростенды
Проведение испытаний приборов и датчиков при частотах свыше 10 000 Гц возможно с использованием пьезоэлектрических вибростендов. Важнейшие особенности вибростендов с пьезоэлектрическим возбуждением вибрации следующие:
-- амплитуды перемещения в плоскости крепления испытуемого прибора составляют обычно доли микрометра;
-- допускаемая полезная нагрузка мала, а вынуждающая сила только в некоторых конструкциях достигает 10 Н;
-- частотный диапазон испытаний составляет 1 -- 20 кГц;
-- в зоне испытаний отсутствует магнитное поле.
Стенды с пьезоэлектрическим возбуждением вибрации предназначены в основном для точных приборов. Работа таких стендов основана на способности пьезокристалла испытывать деформацию под действием приложенного к нему электрического напряжения. Изменение направления вектора напряженности внешнего поля на противоположное меняет деформацию сжатия на деформацию растяжения (и наоборот). Если напряжение будет синусоидальным, то и деформация также будет происходить по синусоидальному закону.
На рис. 11 приведена принципиальная схема пьезоэлектрического стенда, состоящего из нескольких десятков колец 3, изготовленных из титаната бария и склеенных между собой в столбик, закрепленный в специальном зажиме 5. Кольца поляризованы в осевом направлении. К кольцам через усилитель подводят напряжение от генератора 4, К плоскостям столбика приклеены платформы 1 для крепления испытуемых приборов или датчиков 2.
Рис. 11
Первая собственная частота продольных колебаний пьезоэлектрического стержня весьма велика (до 50 кГц), и испытания обычно проводят в дорезонансном режиме. Стенды, предназначенные для испытаний в резонансном режиме, позволяют получать ускорения с амплитудами до 250 м/
Электромагнитные вибростенды
Вибростенды с электромагнитным возбуждением имеют следующие особенности:
-- испытания проводятся на фиксированных частотах 50 и 100 Гц;
-- в отдельных конструкциях возможны испытания с переменными частотами от 15 до 500 Гц;
-- возможно проведение испытаний на резонансных режимах с переналадкой механической части стенда;
-- получаются значительные вынуждающие силы (до 5 104 кН);
-- невозможно воспроизвести вибрации по заданной программе (вибрация близка к гармонической только при резонансных режимах);
-- конструкция стенда и системы управления относительно проста;
-- стенды устойчивы к воздействию внешней среды;
-- практически отсутствуют магнитные поля в зоне проведения испытаний.
В практике применяются две основные схемы работы стендов:
1) с подмагничиванием постоянным током;
2) без подмагничивания.
В первом случае можно получить режим с частотой, равной частоте переменного тока; во втором случае частота колебаний вибростенда удваивается.
На рис. 12 представлена схема вибростенда с одним электромагнитом для испытания вибрацией, возбуждаемой в вертикальном направлении при работе в резонансных режимах. Электромагнит 1, установленный на упругом основании 2, взаимодействует с подвижной системой стенда; она состоит из стола с изделием 3 и упругих элементов 4. Настройка на резонанс осуществляется изменением длины элемента 4 путем перестановки опор или изменением массы стола с помощью дополнительных грузов. Возможна также замена упругих элементов. На стенде проводят испытания в диапазоне частот от 60 до 300 Гц. Максимальная вынуждающая сила при частотах до 150 Гц составляет до H при кратковременной работе; максимальная масса испытуемого изделия до 20 кг.
Рис. 12