Резонансные (камертонные) вибростенды
Для получения высоких значений ускорений применяют стенды с резонансными возбудителями колебаний. Такие возбудители представляют собой балку или камертон, колебания которых с резонансной частотой поддерживаются специальным электромагнитным устройством.
Стенд (рис. 13) состоит из восьми специальных камертонов, имеющих собственные частоты от 200 до 3000 Гц. Концы обеих ветвей каждого камертона 1 (на схеме изображен только один камертон №1) помещены в магнитное поле торцевой системы возбуждения, состоящей из двух звуковых катушек 2 и катушки подмагничивания 3, установленных на Ш-образном сердечнике 4. При питании катушки подмагничивания постоянным током, а звуковых катушек -- переменным током от звукового генератора сила, образующаяся при взаимодействии магнитных полей, заставляет ветви камертона колебаться с частотой переменного тока. В момент резонанса амплитуда колебаний достигает максимума. Одинаковые испытуемые приборы симметрично крепятся на концах ветвей камертона.
Рис. 13
Пневматические вибростенды
Вибростенды, использующие энергию сжатого воздуха, имеют следующие преимущества:
-- возможность работы во взрывоопасных условиях;
-- относительно несложное регулирование амплитуды и частоты вибрации с помощью простой дроссельной установки;
-- широкий диапазон возможных частот (верхний предел 500 --800 Гц);
-- широкий диапазон изменения амплитуд и сил.
Для работы таких стендов используют промышленные пневмосистемы с давлением 2-7 Па .
По принципу действия различают вибровозбудители:
1) с пульсатором; применяют их при сравнительно низких частотах (до 15 Гц), значительных амплитудах (до 20--30 мм) и значительной развиваемой силе;
2) автоколебательные; примерный диапазон частот 15--60 Гц; можно создать достаточно большие амплитуды и силы;
3) центробежные; применяют при частотах 20--400 Гц;
4) использующие автоколебательные процессы в потоке сжатого воздуха; достигаются большие частоты (до 2000 Гц), но амплитуды небольшие (до 0,2 мм).
Преобразование пульсирующего давления в переменную силу реализуют следующие устройства: пневмокамеры; поршень-цилиндр; мембраны; элементы из высокоэластичного материала.
Рис. 14 Схема вибровозбудителя с пульсатором
В качестве примера рассмотрим вибровозбудители с использованием мембраны (рис. 14).
Мембраны изготавливают главным образом из резинотканевых материалов. У металлических мембран делают гофры специального профиля. Для возвращения мембраны в исходное положение служат дополнительные пружины 5. Мембрана 1 соединена со штоком 2 с помощью металлических, фланцев 3 и 4.
Магнитострикционные вибростенды
Принцип действия магнитострикционных вибраторов основан на изменении размеров ферромагнитного тела при внесении его в магнитное поле.
Принципиальная схема механической части стенда (рис. 15) состоит из трех основных частей: магнитострикционного вибратора, концентратора 2, помещенных в жидкости 8, 11, и испытуемого образца 3. Собственная частота продольных колебаний всех этих деталей одинакова и равна рабочей частоте стенда. Вибратор, концентратор и образец являются полуволновыми элементами, и при жестком соединении их образуется система, хорошо резонирующая на третьем тоне (третьей гармонике) продольных колебаний.
Рис. 15
Возбудителем этих колебаний является вибратор 1, использующий явление магнитострикции, суть которого состоит в изменении линейных размеров магнитострикционного стержня, помещенного в магнитное поле, в соответствии с изменениями этого поля. Для создания переменного магнитного поля в стержнях вибратора к его обмоткам подводится переменный ток, частота которого равна рабочей частоте установки.
Магнитострикционные вибраторы используются в автоколебательных системах с вынужденным режимом работы для испытаний на высоких частотах (30 кГц и выше) небольших деталей и образцов материалов, когда требуется возбуждать небольшие усилия при малых перемещениях, составляющих доли миллиметра.
Электродинамические вибростенды
Электродинамические вибростенды применяются в тех случаях, когда при вибрационных испытаниях необходимо обеспечить следующие условия:
-- большие амплитуды вынуждающей силы;
-- широкий частотный диапазон;
-- слабые магнитные поля в зоне испытаний; -- воспроизведение вибрации различного типа (гармонической, случайной, по заданной программе);
-- малый коэффициент нелинейных искажений;
-- строгую направленность создаваемой вибрации;
-- возможность изменения направления вибрации.
Типовая схема электродинамического вибрационного стенда представлена на рис. 15. В корпусе электромагнита 3, выполненного из электротехнической стали, помещается бескаркасная катушка подмагничивания 2. Корпус электромагнита 3 и кольцо 7 составляют магнитопровод вибратора. Каркас подвижной катушки 8 выполнен из стеклотекстолита. Стол стенда 5 выполнен из магнитного сплава.
Рис. 15
Вся подвижная система -- катушка 8, шток 6, стол 5 и испытуемое изделие 4 -- подвешивается на двух упругих мембранах 7, которые центрируют подвижную катушку и всю систему в воздушном зазоре магнитопровода.
В вибраторе использована электродинамическая приводная система, состоящая из электромагнита с кольцевым воздушным зазором и подвижной системы, подвешенной на двух упругих мембранах. Электромагнит представляет собой магнитопровод с катушкой подмагничивания, по которой пропускается постоянный ток, создающий постоянное магнитное поле. При пропускании через катушку 8 переменного тока от задающего генератора образуется переменное магнитное поле. В результате взаимодействия постоянного и переменного магнитных полей возникает переменная сила, заставляющая всю подвижную систему совершать колебания в соответствии с направлением этой силы. Если по обмотке подвижной катушки пропускать синусоидальный ток, то колебания стола вибратора будут иметь синусоидальную форму; частота колебаний стола определяется частотой тока в подвижной катушке.
Амплитуда виброускорений, создаваемых вибратором, зависит от тока неподвижной катушки и массы испытуемого изделия. Упругие мембраны подобраны так, чтобы собственная частота колебаний системы, зависящая от упругости мембраны и массы подвижной части вибратора, составляла 20 ± 5 Гц.
Увеличение амплитуды вынуждающей силы, создаваемой стендом, -- одна из важных задач при разработке новых конструкций.
Для этого используются такие пути:
-- увеличение магнитной индукции в рабочем зазоре магнитопровода (применение специальных материалов, рациональные конфигурации магнитопроводов, правильное расположение подвижной обмотки в рабочем зазоре магнитопровода, малый зазор и постоянство магнитного потока);
-- увеличение плотности тока в подвижной обмотке (для этого применяют принудительное воздушное или водяное охлаждение подвижной обмотки).
Возможность проведения испытаний ЛА в широком диапазоне частот обеспечивается конструкцией вибростенда и возможностями его системы управления и контроля.
Нижний частотный диапазон определяется жесткостью подвески и массами подвижной системы и объекта. Для понижения этой частоты может быть использована магнитная подвеска, состоящая из дополнительных катушек, которые помещены в магнитное поле рабочего зазора. Однако при этом понижается верхний диапазон частот, так как необходима установка направляющих для центрирования подвижной системы.
Верхний частотный диапазон во многом зависит от первой собственной частоты продольных колебаний подвижной системы. Она определяется величинами и распределением масс подвижной системы и ее жесткостью в продольном направлении.
Заключение
В комплекс аппаратуры, определяющей работу вибрационного стенда, входят следующие устройства:
1) задающий генератор электрических колебаний;
2) усилитель мощности;
3) согласующий трансформатор;
4) автоматический регулятор уровня;
5) система узкополосных фильтров;
6) вибродатчики;
7) виброизмерительная аппаратура;
8) магнитофон;
9) анализирующая и регистрирующая аппаратура.
Физические свойства вибровозбудителей, применяемых в испытательных стендах, во многом определяют их частотные, силовые и другие характеристики. Поэтому независимо от схемы, конструкции и размеров стенда можно определить область использования стендов с различными вибровозбудителями для заданного вида испытаний.