Испытания на воздействие вибрации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Испытания на воздействие вибрации



Введение

Вибрация ЛА является причиной усталостных разрушений элементов конструкции, сокращения ресурса работы двигателей, колебаний корпуса. Вибрационные перегрузки вызывают механические повреждения аппаратуры и нарушение режима работы, а в отдельных случаях могут быть причиной неработоспособности аппаратуры. При резонансной вибрации возможны обрыв проводов в местах их закрепления или соединения с деталью, нарушение герметизации, возникновение коротких замыканий между деталями и т.д. Практически причин разрушения может быть несколько, например превышение некоторого критического уровня амплитуд вибраций (что существенно для хрупких материалов, устройств типа реле и переключателей и т.п.) или накопление усталостных деформаций при уровне амплитуд вибраций, меньшем критического.

Основное назначение вибрационных испытаний -- это проверка и обеспечение работоспособности и надежности разрабатываемых ЛА. С помощью этих испытаний проверяются состояние и характеристики элементов ЛА. При выявлении отклонения отдельных характеристик от заданных значений производится доводка элементов ЛА до требований технического задания.

Основными задачами испытаний являются:

-- проверка прочности конструкции ЛА при экспериментальных и расчетных нагрузках, определение фактических запасов прочности;

-- определение коэффициентов динамичности в узлах крепления комплектующих агрегатов;

-- определение собственных частот и форм колебаний отдельных

элементов конструкции и всего ЛА в целом;

-- определение коэффициентов демпфирования отдельных агрегатов и ЛА в целом;

-- оценка работоспособности комплектующих агрегатов, включая функционирующие агрегаты и кинематические узлы, после воздействия вибрационных ускорений;

-- проверка виброустойчивости комплектующих агрегатов;

-- определение и оценка характеристик ЛА, в том числе сохранности положения посадочных плоскостей под приборы с высокой точностью установки по отношению к осям ЛА в процессе и после воздействия вибрационных ускорений, а также при динамических возмущениях, создаваемых функционированием бортовой аппаратуры;

-- проверка устойчивости ЛА к качке и длительным наклонам;

-- определение характеристик ЛА при имитации условий транспортировки.

При нелинейных вибрационных испытаниях ЛА подвергается воздействию нагрузок, превышающих эксплуатационные, установленные в технических требованиях. Кроме того, испытания проводятся при совместном воздействии эксплуатационных нагрузок. Поэтому после испытаний изделие непригодно для использования в полете.

испытание двигатель колебание корпус



Момент эксплуатации при котором возникает воздействующий фактор

Из динамических аэроупругих явлений, характеризующихся взаимодействием аэродинамических, упругих и инерционных сил и проявляющихся в виде опасных колебаний и вибраций конструкции, отметим колебания частей самолета, вызванные порывами ветра в турбулентной атмосфере, имеющими зачастую циклический характер, а также явления, носящие название "бафтинг" и "флаттер". Бафтинг (англ. buffeting - биение, соударение) - вибрация какой-либо части ЛА (чаще всего - хвостового оперения) под воздействием периодически изменяющихся аэродинамических сил, возникающих при обтекании этой части ЛА потоком, который завихряется срывами с находящегося впереди крыла, различных надстроек на фюзеляже, с выпущенных стоек шасси, открытых тормозных щитков и створок грузовых люков. Бафтинг оперения возникает из-за периодических ударов по нему спутной струи за крылом и проявляется в виде "раскачки", т. е. увеличения амплитуды колебания оперения.

Флаттер (англ. flutter - вибрация) - самовозбуждающиеся при определенной скорости полета (критической скорости флаттера) незатухающие колебания, для возникновения и развития которых не требуется воздействия на конструкцию периодических возбуждающих сил. Флаттер крыла может возникнуть под воздействием какой-либо силы (отклонение элерона, порыв ветра), вызвавшей отклонение крыла за счет его изгиба из исходного нейтрального положения, например, вверх.

Низкочастотная неустойчивость рабочего процесса чаще всего наблюдаются в мощных ЖРД тягой более 100 кН (10 тс). Неустойчивость развиваются в двигателе в пределах десятых долей секунды и вызывает колебания давления в камере сгорания с частотой от единиц до сотни Гц. На частотах в пределах от единиц до 20 Гц колебания тяги двигателя могут привести к колебаниям напора топлива, которые, в свою очередь, вызывают колебания тяги. Нестабильность сильно возрастает и преврещается в автоколебания. Такую тряску двигателя с одновременными бросками давления в камере сгорания и напора топлива и называют «колебаниями типа Пого» (англ. Pogo oscillation).

Последствия могут быть самыми различными, от несущественных вроде дискомфорта до катастрофических со взрывами и разрушениями в полёте. Ракета, испытывая сильные нерасчётные знакопеременные нагрузки или, что ещё хуже, войдя в резонанс, может просто развалиться на части, что происходило неоднократно, не говоря уже об отключении двигателей по броскам давления, повреждении двигателей и их креплений, обрывах трубопроводов, пожарах или о проблемах с автоматикой.

Условия воспроизводимые при испытании объекта

1. При виброиспытаниях требуется обеспечить:

1) диапазон частот вибраций в контрольных точках испытуемого изделия;

2) необходимую продолжительность испытаний, которая ограничивается испытательным ресурсом изделия;

3) настройку системы на заданный режим в установленное время;

4) точность воспроизведения и поддержания заданных спектральных характеристик в ходе испытаний.

В табл. 1 приведены численные значения этих параметров для испытаний подвижных объектов.



Таблица 1

2.К испытуемому изделию предъявляется ряд требований:

-- изделие изготавливается по рабочим чертежам ЛА, с который оно должно быть идентично геометрически, механически, электрически и т.д.;

-- масса M, центровка м и моменты инерции Jx; Jy; Jz изделий должны экспериментально определяться перед испытаниями для каждого конкретного ЛА;

-- замена отдельных элементов изделия массогабаритными макетами допустима лишь в том случае, если это не окажет влияния на прочность и работоспособность конструкции;

-- в необходимых случаях следует обеспечить герметичность испытуемых изделий;

-- аппаратура испытуемого изделия проверяется на автономное комплексное функционирование с измерением основных параметров;

-- комплектующие элементы и рабочие вещества, используемые механизмах и агрегатах ЛА, должны точно соответствовать чертежам, необоснованные замены на стадии испытаний не допускаются;

-- специальные узлы, устанавливаемые на изделии для его крепления или приложения нагрузки, не должны изменять прочность и жесткость конструкции, не должны препятствовать ее деформациям при испытаниях;

-- На изделии устанавливаются преобразователи, необходимые для фиксирования параметров.

1. Стендовое оборудование должно удовлетворять ряду требований, основными из которых являются следующие:

-- обеспечение идентичности или динамического подобия эксплуатационных процессов;

-- применение конструкции узлов крепления аппарата и его агрегатов, соответствующей реальной;

-- обеспечение воспроизводимости (повторяемости) процесса испытаний;

-- минимальные побочные воздействия на испытуемый аппарат;

-- максимальная автоматизация и механизация ручных операций, использование ЭВМ, особенно в части программного управления, контроля, регистрации данных, измерения параметров, обработки результатов;

-- удобство и возможность проведения испытаний в короткие сроки и с минимальными затратами;

-- мощность стенда, достаточная для обеспечения режимов испытания изделий;

-- стабильность частотных параметров в пределах установленного допуска при изменении массы или нагрузки;

-- наименьшее время выхода на заданный режим работы;

-- использование стандартных источников подводимой мощности.

Основным характеристиками рассматриваемых объектов являются собственные частоты, формы колебаний, коэффициенты демпфирования и обобщенные массы.

Методы проведения испытаний на воздействующий фактор

Применение теоретических методов позволяет в настоящее время получать собственные частоты и формы колебаний только в сравнительно простых случаях. C помощью экспериментальных методов могут быть определены все динамические характеристики для самых сложных конструкций. Рассмотрим основные методы определения собственных частоту форм колебаний, обобщенных масс и коэффициентов демпфирования, получившие наибольшее распространение на практике при проведении динамических испытаний натурных объектов и их моделей.

Все эти методы подразделяются на две основные группы. К первой группе относятся методы, в которых возбуждение колебаний объекта производится простейшим способом, при помощи одной силы (или момента), и искомые величины находятся путем анализа (иногда достаточно сложного) экспериментальных частотных характеристик, полученных для различных точек системы. Эти методы называются методами анализа. Ко второй группе относятся методы многоточечного возбуждения колебаний. Конструкция возбуждается при помощи специальной многоканальной вибрационной установки, включающей систему электродинамических силовозбудителей, так, чтобы ее колебания происходили лишь по собственной форме одного тона колебаний, представляющего интерес. В этом случае не требуется проведение сложного анализа результатов, так как все необходимые характеристики конструкции определяются как для системы с одной степенью свободы.

Метод свободных колебаний

В общем случае задача состоит в том, чтобы из суммы тонов колебаний, которые могут возбуждаться в системе, выделить тон, представляющий интерес, и определить его частоту, форму и коэффициент демпфирования.

При использовании рассматриваемого метода колебания системы могут возбуждаться различными способами:

-- приложением импульсов;

-- заданием начального прогиба;

-- возбуждением в резонансе с последующим снятием возбуждения

Собственные частоты в данном методе обычно определяются по осциллограмме процесса затухания свободных колебаний.

Собственные формы находятся путем измерения амплитуд колебаний в различных точках конструкции для одного и того же момента времени.

При этом свободные колебания конструкции возбуждаются заданием ее отдельным точкам начальных отклонений или скоростей, что осуществляется путем приложения ударных импульсов различной формы или мгновенного снятия предварительно приложенной статической нагрузки.

Рис. 1 Определение собственных частот и коэффициентов демпфирования методом свободных колебаний

q -- вектор обобщенных координат, уr - собственные частоты;

Коэффициенты демпфирования, так же как и собственные частоты, определяются по осциллограмме затухающих колебаний и вычисляются по следующей формуле:

(1) 

к -- число периодов; Arij , Aij + k -- амплитуды начала и конца рассматриваемого участка осциллограммы (индекс i соответствует номеру точки).

Резонансный метод

Данный метод основан на использовании вынужденных колебаний испытуемого объекта. Колебания возбуждаются гармонической силой (или моментом), при этом измеряются амплитуды колебаний в различных точках системы в зависимости от частоты и строятся амплитудные частотные характеристики (или резонансные кривые). Искомые собственные частоты, формы колебаний и коэффициенты демпфирования определяются по резонансным пикам амплитудных характеристик.

Пьезоэлектрический метод

Данный метод предусматривает использование малых пьезодатчиков для определения резонансных частот испытуемых изделий. Достаточная точность определения основных характеристик обеспечивается при испытаниях изделий, размеры и масса которых в 10 раз превышают размеры и массу малого пьезодатчика. Частоты собственных колебаний таких пьезодатчиков более 100 кГц; чувствительность 0,05 -- 1 мВ. Принципиальная схема установки для определения резонансных частот пьезоэлектрическим методом представлена на рис. 2. Для согласования высокоомного выхода пьезопреобразователей 3, 5 с низкоомным входным сопротивлением электронных вольтметров 7, 9 необходимо применять усилители или катодные повторители 6, 10, имеющие входное сопротивление Rax > 300 МОм. При плавном изменении частоты колебаний вибростенда 1 и при поддержанием постоянства ускорения крепежной платы 2 на резонансной частоте образца 4 будет наблюдаться увеличение напряжения на малом преобразователе 3. На экране осциллографа 8 этому будет соответствовать поворот эллипса на 90°.

Рис. 2 Схема установки для определения резонансных частот пьезоэлектрическим методом

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.

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 

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.

Размещено на Allbest.ru