Анализ методов и видов виброиспытаний изделий

При испытаниях на воздействие вибрации наибольшее распростране­ние получили методы фиксированных частот и качающейся частоты при воздействии гармонической (синусоидальной) вибрации и мето­ды широкополосной и узкополосной случайной вибрации. Иногда в лабораторных условиях проводят испытания на воздействие смешан­ной (гармонической и случайной) вибрации. Все методы испытаний характеризуются определенными значениями параметров, зависящими от степени жесткости испытаний.

Метод испытаний на фиксированных частотах вибрации. Метод позволяет выявить резонансы изделия, механические дефекты и ухуд­шение заданных характеристик на стадии разработки и выпуска изде­лия. Суть его заключается в последовательном воздействии гармони­ческой вибрации определенной частоты и амплитуды на испытуемое изделие в требуемом диапазоне частот. Испытания могут осуществ­ляться на одной частоте, на заранее определенной частоте механи­ческого резонанса или на ряде заданных частот.

Испытания на одной фиксированной частоте/(/) в течение задан­ного времени / с определенной амплитудой ускорения (перемеще­ния) малоэффективны. Действительно, вероятность того, что изде­лие в процессе эксплуатации или транспортирования подвергается воздействию вибрации на одной частоте, весьма мала. Возможность случайного совпадения ft с собственной резонансной частотой из­делия или какого-либо его конструктивного элемента также незначи­тельна. Данный вид воздействия вибрации иногда применяется в тех­нологическом процессе производства для выявления некачественных паяных и резьбовых соединений, а также других дефектов.

Испытания на заранее определенной частоте механического резонан­са испытуемых изделий требуют предварительного выявления указан­ной частоты, что для сложных многоэлементных конструкций пред­ставляет некоторую сложность. Испытуемое изделие последовательно подвергают воздействию вибрации на частотах резонанса, выдержи­вая его в каждом режиме в течение некоторого времени. Достоин­ством указанного метода испытаний является то, что он проводится на наиболее опасных для испытуемого изделия частотах вибрации. К недостаткам можно отнести сложность автоматизации процесса испы­таний, поскольку при их проведении резонансные частоты могут не­сколько изменяться.

Испытания на ряде заданных частот в рабочем диапазоне прово­дятся при необходимости снятия характеристик изделия по точкам для определения их виброустойчивости. Теоретически интервал между двумя соседними фиксированными частотами и fk выбирается не

больше ширины резонансной характеристики конструктивного эле­мента (в предположении возникновения резонанса) на основе извес­тной добротности Q:

fk+1 ~ fk — fk й fk/Q •

На практике весь рабочий диапазон частот разбивают на ряд под­диапазонов и для каждого из них в зависимости от степени жесткости устанавливают амплитуды перемещения или ускорения. Рекоменду­ется выбирать частоты из следующего ряда: 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200 Гц. При испытаниях, как правило, указанные частоты изменяют в пределах третьоктавных диапазонов. В каждом третьоктавном диапазоне частот поддерживают постоян­ной амплитуду перемещения (Sm), определяемую по формуле

Sm=250am/f2,

где ат — амплитуда ускорения, gf— средняя частотатретьоктавно — го диапазона, Гц.

Особое внимание при этом следует обращать на резонансные ча­стоты, при которых амплитуда колебаний испытуемого изделия (или отдельных его элементов) будет в 2 раза и более превышать амплиту­ду колебаний точек крепления. В случае обнаружения резонансных частот или частот, на которых наблюдается ухудшение контролируе­мых параметров, рекомендуется дополнительная выдержка изделия в условиях вибрации на данной частоте для уточнения и выявления при­чин нарушения. Продолжительность выдержки в обоих указанных слу­чаях устанавливается в соответствии с требованиями программы ис­пытаний (ПИ) и технических условий. При испытаниях на виброус­тойчивость выдержка должна быть не менее 5 мин., а при испытании на вибропрочность — от 1 до 10 ч при длительном воздействии и от 20 до 50 мин. при кратковременном. Погрешность установки частот не должна превышать +0,5%. Если за время испытаний не было об­наружено никаких нарушений и все параметры соответствовали тре­бованиям ПИ и ТУ, изделие признается выдержавшим испытания.

Метод фиксированных частот имеет следующие недостатки: слож­ность контроля перемещения, скорости, ускорения и частоты вибра­ции и регулирования этих параметров вручную из-за значительной неравномерности АЧХ тракта испытательного комплекса при испы­таниях в широком диапазоне частот; неспособность выявления пара­метрических резонансов; возможность пропуска резонанса отдельных элементов; последовательное возбуждение резонансов в изделии (а не одновременное, как это происходит в реальных условиях). Тем не менее этот метод до настоящего времени широко используют при заводских испытаниях серийно выпускаемых изделий, так как он по­зволяет применять простейшее оборудование и отработанные про­граммы испытаний для изделий каждого типа.

Метод испытания качающейся частотой вибрации. При реали­зации данного метода частоту вибрации плавно изменяют (разверты­вают — сканируют) в заданном диапазоне от нижней до верхней ча­стоты и обратно при постоянстве заданных параметров вибрации в течение определенного времени.

В программе испытаний на вибропрочность методом качающей­ся частоты необходимо указывать диапазон частот Af амплитуду ус­корения Аю, время прохождения диапазона частот tR и продолжи­тельность испытания tw Согласно рекомендациям МЭК, скорость качания частоты должна быть приблизительно равна одной октаве в минуту.

Доказано, что получаемая в режиме качающейся частоты резо­нансная кривая, называемая динамической, отличается от статичес­кой резонансной кривой (рис. 7.8), снятой методом фиксированных частот. Во-первых, максимальная амплитуда колебаний при резо­нансе в динамическом режиме меньше, чем в статическом (стацио­нарном) режиме. Во-вторых, максимум динамической характерис­тики наблюдается позднее, чем статической, т. е. он смещается по шкале частоты в сторону качания (смещение максимума S). В-треть­их, амплитуды колебаний при подходе к резонансу плавно нараста­ют, а при удалении от него скоротечно убывают. Это объясняется

Рис. 7.8. Статическая С и динамическая Сд резонансные кривые

биениями, возникающими между свободными колебаниями изделия и вынужденными колебаниями, создаваемыми вибростендами. В ре­зультате динамическая резонансная кривая получается асимметрич­ной — левый скат оказывается более пологим. В-четвертых, полоса пропускания при динамической резонансной кривой оказывается

шире, чем при статической, на величину S2 — S9 при том тем боль­ше, чем быстрее изменяется частота. Причинами указанных отличий являются нелинейность испытуемых изделий и наличие переходных процессов, происходящих в них.

Важным показателем рассматриваемого метода является скорость качания частоты. При выборе большой скорости качания динами­ческая резонансная кривая в большей степени отличается от стати­ческой, а, следовательно, оценка свойств испытуемого изделия бу­дет проводиться с большими погрешностями. Амплитуда резонансных колебаний изделия достигает меньших значений, чем при малой ско­рости, а также возможны пропуски (необнаружение) резонансов, возникающих в изделии. При выборе малой скорости качания дли­тельное прохождение диапазона рабочих частот может вызвать по­вреждение испытуемого изделия на частотах резонанса и увеличение длительности испытаний.

При оценке резонансных свойств испытуемых изделий представ­ляет интерес определение частот резонансов и добротности резони­рующих элементов конструкций или изделий. Очевидно, что указан­ные параметры будут определяться с наименьшими погрешностями при минимальных смещении S и изменении ширины полосы пропус­кания S2 — S{.

Из условия сохранения постоянного сдвига максимума резонанса S в зависимости от собственной частоты со0 и добротности Q скорость качания частоты

vkis = const = Sa$/(2Q2).

Выражение для vk s — s в зависимости от собственной частоты со0 и добротности Q при заданном значении изменения ширины по­лосы пропускания S2 — S имеет вид

Полученное для vk выражение справедливо при условии измене­ния частоты синусоидальной вибрации по линейному закону, т. е. при vk = const.

Из анализа приведенных выражений, а также исходя из того, что диапазон высоких частот вибрации (1000—5000 Гц) значительно шире диапазона низких частот вибрации (20—1000 Гц), следует, что при качании частоты с постоянной скоростью в пределах рабочего диапазона область низких частот будет проходить за меньшее время, чем высокочастотная область. В результате обнаружение резонансов на низких частотах будет затруднено. Поэтому желательно, чтобы изменение частоты в пределах диапазона рабочих частот осуществля­лось не по линейному, а по экспоненциальному и логарифмическому законам, обеспечивающим увеличение скорости качания с ростом частоты.

При реализации экспоненциального закона изменения частоты вибрации

/ = /„«*’ или / = /н -2,/,°)

где/— частота вибрации в момент времени /, Гц;^ — нижняя часто­та рабочего диапазона, Гц; к — показатель, характеризующий ско­рость качания; /0 — время прохождения диапазона частот, равного одной октаве.

Полагая vk = 1 окт./мин., получим к = ±1п2. В этом случае вре­мя одного цикла качания частоты может быть определено по форму­ле, с:

В соответствии с рекомендацией МЭК (Публикация 68-2В), ка­чание частоты должно осуществляться по логарифмическому закону, причем рекомендуемая скорость = 1 окт./мин. Время цикла кача­ния 7ц должно определяться в зависимости от заданной степени же­сткости испытаний, а также по специальному графику (рис. 7.9), позволяющему найти время изменения частоты в диапазоне.

При линейном законе изменения частоты время одного цикла качания частоты Тц = 2F/vk, где F — диапазон рабочих частот виб­рации: / = Л — /н •

Проведение испытаний методом качающейся частоты может быть реализовано в двух вариантах: все элементы конструкции испытуемо­го изделия нагружают в течение одинаковых интервалов времени; число циклов качания (т. е. изменений механической нагрузки) для всех элементов одинаково. Если исходить из теории накопления механи­ческих напряжений в конструктивных элементах изделий (деталях), то при проведении испытания по второму варианту следует полагать, что все детали испытывают постоянное число циклов изменений на­грузки для любой резонансной частоты. Это означает, что в пределах ширины полосы различных резонансных частот необходимо иметь раз­
личную скорость качания частоты. Однако технически проще прово­дить испытания по первому варианту, когда длительность механичес­ких воздействий на все элементы конструкции в рабочем диапазоне частот одинакова.

Стабилизация параметров вибрации (a, s) в процессе качания частоты осуществляется таким образом, чтобы при увеличении амп­литуды колебаний, фиксируемой контрольным вибропреобразовате­лем, автоматически уменьшалась мощность, подводимая к вибро­стенду, до установления исходного уровня. Очевидно, что время регулировки должно зависеть от добротности резонирующих механи­ческих систем, определяющих скорость нарастания резонанса, а так­же от скорости развертки частоты. Поскольку скорость регулировки зависит от частоты вибрации, то она должна быть переменной. Не­обходимое изменение скорости регулирования обеспечивается испы­тательным генератором.

Наличие нелинейных механических элементов в конструкциях испытуемых изделий приводит к тому, что хотя данное изделие воз­буждают чисто синусоидальной вибрацией, колебания возникают на частотах гармоник и, следовательно, сигнал управления, используе­мый для регулирования уровня вибраций, будет содержать гармони­ки, приводящие к ослаблению колебаний на основной частоте. В связи с этим в цепь обратной связи системы управления иногда вклю­чают так называемый сопровождающий фильтр, обеспечивающий подведение к схеме обратной связи сигнала на основной частоте, возбуждаемой вибростендом (рис. 7.10). При этом достигается синх­ронная фильтрация сигнала управления, исключающая попадание на генератор напряжения частот вибрации помех и высших гармоник.

Сопровождающий фильтр является узкополосным, средняя час­тота полосы пропускания его автоматически сопровождает основную

Рис. 7.10. Структурная схема испытаний методом качающейся частоты с сопровождающим фильтром: 1 — контрольный ВИП; 2 — согласующее уст­ройство; 3 — сопровождающий фильтр; 4 — управляемый генератор; 5 — усилитель мощности; 6 — вибростенд

частоту или одну из гармоник периодического сигнала. Средняя час­тота полосы пропускания, на которую настраивается фильтр, может находиться в диапазоне 2-2- 103 Гц. Эффективная фиксированная относительная ширина полосы пропускания фильтра определяется в процентах частоты настройки во всем рабочем частотном диапазоне. Для реализации разных испытательных программ в цепь обратной связи испытательного генератора может быть включено программное уст­ройство.

Достоинство метода качающейся частоты — возможность опреде­ления собственных частот и амплитуд перемещения или ускорения при механических резонансах испытуемых изделий в рабочем диапа­зоне частот, знание которых позволяет принять необходимые меры для повышения надежности изделия.

Испытания на виброустойчивость рекомендуется проводить ме­тодом фиксированных частот, а испытания на вибропрочность — ме­тодами фиксированной или качающейся частоты. Основным недо­статком указанных методов является то, что в каждый конкретный момент времени на изделие воздействуют одночастотные синусои­дальные колебания, а не спектр частот, как это происходит в реаль­ных условиях оксплуатации.

Метод испытаний на полигармонинескую вибрацию. Суть метода заключается в одновременном воздействии на изделие нескольких гармонических вибраций с различными фазами. При этом предус­матривается воспроизведение полигармонических вибрационных воз­действий, наиболее часто встречающихся в условиях эксплуатации изделий.

Метод основан на том, что любой периодический полигармони — ческий процесс можно представить рядом Фурье. Такой процесс мож­но воспроизвести, задаваясь значениями амплитуд, частот и фазовых сдвигов синусоидальных составляющих. Метод достаточно прост и отличается от метода испытаний на синусоидальную вибрацию в ос­новном числом задающих генераторов синусоидальных сигналов и не­обходимостью регулировки фазовых сдвигов между этими сигнала­ми. Испытания этим методом являются переходным этапом между испытаниями на синусоидальную и случайную вибрации. Однако во многих случаях (турбомашины, насосы, генераторы и т. д.) реальная вибрация имеет детерминированный периодический характер. По­этому испытания проводят методом полигармонической вибрации.

Метод испытания на широкополосную случайную вибрацию. Как указывалось выше, реальные вибрации в большинстве случаев явля­ются случайными. Спектры реальной вибрации непрерывны, мгно­венные значения амплитуд спектральных составляющих могут быть описаны только статистическим путем. Поэтому с целью приближе­ния условий виброиспытаний к реальным условиям эксплуатации изделий в последнее время резко повысился интерес к разработке испытательной техники, позволяющей воспроизводить случайные вибрации.

Современный уровень развития теории и техники виброиспыта­ний характеризуется описанием реальных вибропроцессов в рамках корреляционной теории. Такой подход отражает типичное состояние многих областей техники, в которых намечается отказ от детермини­рованных моделей, а реальные случайные процессы принимаются нормальными. Поэтому широкополосные случайные процессы с за­данным энергетическим спектром получили широкое распростране­ние в качестве физических моделей реальных вибропроцессов. Опи­сание моделей реальных вибропроцессов в рамках корреляционной теории позволяет характеризовать эквивалентность воспроизводимых и реальных вибраций степенью близости их энергетических спектров. При этом тракт воспроизведения вибрации виброиспытательного ком­плекса должен обеспечивать воспроизведение в контролируемой точ­ке или в совокупности контролируемых точек исследуемого объекта механических колебаний с требуемым энергетическим спектром.

Таким образом, испытания на воздействия широкополосной слу­чайной вибрации позволяют лучше, чем при синусоидальной вибра­ции, моделировать статистический характер воздействия и выявлять механизмы разрушения и повреждения различных изделий. Кроме того, одновременное возбуждение механических резонансов отдель­ных элементов изделия позволяет учитывать их взаимное влияние и сокращать срок испытания, приближая их к условиям реальной экс­плуатации.

Основной целью испытаний является определение способности изделий выдерживать воздействие случайной вибрации заданной сте­пени жесткости, выявлять возможные механические повреждения и (или) ухудшение заданных характеристик изделий, использовать по­лученные сведения для решения вопроса о годности изделий. Осо­бенностью указанных испытаний является необходимость тщатель­ной подготовки к их проведению и установления соответствия значений параметров испытуемого изделия заданным требованиям в связи с более сложным механизмом его реакции.

При испытаниях на воздействие широкополосной случайной виб­рации задают спектральную плотность ускорения и спектр, опреде­ляющий закон изменения спектральной плотности ускорения (СПУ) в пределах частбтного диапазона. Числовые значения указанных па­раметров могут устанавливаться по результатам эксплуатационных ис­пытаний. Известно, что для всех методов испытаний требуется опре­деленная степень воспроизводимости, под которой понимают полу­чение аналогичных результатов испытаний, проводимых в различных лабораториях различными испытателями.

МЭК рекомендует пользоваться тремя воспроизводимостями (вы­сокой, средней и низкой), характеризуемыми различными допуска­ми на истинное значение СПУ в основном направлении в измери­тельных точках, не являющихся контрольными, и в поперечном направлении в одной или нескольких выбранных точках при конкрет­ном уровне жесткости и обеспечении достоверности испытаний. Каж­дой воспроизводимости должен соответствовать конкретный метод под­тверждения (метод контроля) полученных результатов. Требование обеспечения воспроизводимости предусматривает контроль за уров­нем вибрации в пределах узкой полосы частот, так как выравнивание СПУ в узкой полосе дает лучшую воспроизводимость, чем в широ­кой полосе. В этом случае в меньшей мере учитывается влияние окружающей среды на испытуемые изделия, что практически имеет место в реальных условиях эксплуатации.

Выбор воспроизводимости и метода подтверждения существенно зависит от технических возможностей испытательного оборудования и измерительных приборов, которые обеспечивают приблизительно эквивалентные результаты для ряда измерений. Зависимость воспро­изводимости от технического уровня оснащенности различных испы­тательных лабораторий приводит к необходимости оговаривать при составлении ТУ на изделие наряду с параметрами испытательных ре­жимов и меру воспроизводимости.

Проведение испытаний на широкополосную случайную вибра­цию предполагает предварительное снятие АЧХ и определение соб­ственных частот механического резонанса изделий при воздействии синусоидальной вибрации. При снятии АЧХ амплитуда синусоидаль­ного возбуждения берется в зависимости от заданной степени жест­кости испытания на случайную вибрацию (табл. 7.1).

Метод испытания на воздействие широкополосной случайной вибрации предусматривает одновременное возбуждение всех резонан­сных частот объекта. Правильное воспроизведение вибрации связано с трудностями, обусловленными искажающим влиянием средства возбуждения вибрации. Поэтому перед проведением испытаний из­делия необходимо скорректировать или выравнять АЧХ вибростенда. При испытаниях в контрольных точках изделия возбуждаются стацио­нарные случайные вибрации. Их числовые характеристики должны быть близки к заданным, которые определяют по результатам натур­ных испытаний.

Испытания на обнаружение резонансных частот проводят до и после испытаний на воздействия случайной вибрации для выявления

Таблица 7.1 Зависимость амплитуды синусоидального возбуждения от заданной степени жесткости на случайную вибрацию Степень жесткости Требуемый уровень СПУ Амплитуда синусоидальной вибрации (пиковые значения) (мс_2)/Гц g/Гц МС’2 g I < 4,8 < 0,05 9,8 1,0 II 4,8-19,2 0,05-0,2 14,7 1,5 III > 19,2 >0,2 19,6 2,0

вызванных ими остаточных явлений, приводящих к изменению резо­нансных частот конструкции изделия.

До и после испытаний на воздействие случайной вибрации про­водят первоначальные и заключительные измерения параметров ис­пытуемых изделий и проверку их механических свойств. Выдержка изделия под воздействием случайной вибрации может проводиться в условиях нахождения изделия в рабочем положении или поочередно в трех взаимно-перпендикулярных положениях, или в положении, при котором выявляются все основные дефекты изделия. В зависи­мости от вида испытаний и предъявляемых требований во время вы­держки могут проводиться измерения электрических параметров из­делий.

Метод испытания на широкополосную случайную вибрацию по­зволяет воспроизвести те числовые вибрационные характеристики условий эксплуатации, которые влияют на надежность испытуемого изделия. За критерий подобия принята спектральная плотность виб­рационных ускорений, так как вероятность выхода изделия из строя или нарушение его режима работы возрастают с повышением уровня спектральной плотности вибрации.

В процессе испытаний методом широкополосной случайной виб­рации распределение СПУ по спектру может не соответствовать ре­альной вибрации, поэтому оно задается в программе испытаний. На­стройка выполняется по уровню ускорения или СПУ для заданной полосы частот.

Программу испытаний задают в виде графика, по оси ординат которого откладывают значения спектральной плотности, а по оси абсцисс полосы частот, в которых проводят эти измерения. Данная программа воспроизводится вибростендом в контрольной точке изде­лия с помощью формирователей энергетического спектра, которые в общем случае представляют собой источник широкополосного слу­чайного сигнала или белого шума и набор регулируемых полосовых фильтров.

К достоинствам испытаний на широкополосную случайную виб­рацию можно отнести: близость к механическим воздействиям при реальной эксплуатации; моделирование статистического характера вибрации; возможность выявления всех эффектов механического вза­имодействия различных элементов конструкции; наименьшую про­должительность испытаний. К недостаткам относятся: высокая сто­имость и сложность используемого оборудования, трудоемкость проведения испытаний.

Метод испытания на узкополосную случайную вибрацию. Для за­мены дорогостоящих испытаний в режиме широкополосной случай­ной вибрации предлагались различные методы испытаний с изменя­ющимся синусоидальным сигналом. Однако все они не позволяют воспроизводить такое же распределение амплитуд ускорения для ис­пытуемого объекта, как при режиме широкополосной вибрации, по­этому не были ему эквивалентны. Режим меняющейся узкополосной случайной вибрации является промежуточным между режимом ши­рокополосной случайной вибрации и режимом с изменяющимся си­нусоидальным сигналом. Он основан на замене возбуждения широ­кополосной плотности ускорения малой величины возбуждением узкополосной плотности ускорения большой величины, медленно изменяющейся на некотором участке частотного диапазона.

Системы, воспроизводящие узкополосную случайную вибрацию, менее дорогие и позволяют имитировать широкополосную вибрацию. Критерием замены испытаний на широкополосную случайную виб­рацию испытаниями на узкополосную с переменной средней часто­той (сканирование узкополосного сигнала по частоте) является иден­тичность распределений пиковых ускорений и напряжений на изделии.

Установлено, что идентичности в распределении ускорений и на­пряжений можно добиться в том случае, если средняя частота скани­рующего узкополосного сигнала изменяется по логарифмическому за­кону и среднеквадратическое значение ускорения узкополосного спектра возрастает как корень квадратный из величины частоты. При постоянной полосе сканирования шумового сигнала это увеличение будет соответствовать 3 дБ/окг. При этом необходимо поддерживать постоянным закон изменения первоначального заданного уровня ус­корения от частоты. Контролировать и поддерживать постоянным закон изменения ускорения на вибростоле неудобно и трудно. Для удобства вводят параметр — градиент ускорения который опре­деляют как частное от деления величины ускорения, вызванного уз­кополосным спектром возбуждения, на корень квадратный из часто­ты в радианах:

Заданный режим контролируют не по спектральной плотности ускорения, а по градиенту ускорения д, который поддерживают постоянным.

К наиболее важным преимуществам метода испытаний на узко­полосную вибрацию по сравнению с методом испытаний на широко­полосную случайную вибрацию относятся:

• возможность снижения уровня возбуждения приблизительно в Зраза;

• значительно более низкая стоимость приборов контроля и сис­темы усиления сигнала до требуемого уровня возбуждения виб­раций;

• возможность быстрого установления и измерения полосы час­тот, в которой возможны повреждения объекта, поскольку при возбуждении узкополосным спектром с переменной частотой резонансы объекта наступают последовательно.

Основной недостаток испытания при возбуждении узкополосным спектром состоит в медленном изменении средней частоты спектра, что приводит к возбуждению последовательных резонансов испытуе­мого изделия, тогда как в случае возбуждения широкополосным спек­тром эти резонансы возникают одновременно. Кроме того, увеличи­вается продолжительность испытаний.

Метод многокомпонентных испытаний. В общем случае свой­ства исследуемого изделия как среды, в которой распространяются вибрационные возмущения в условиях эксплуатации, не являются изотропными. Испытуемое изделие, как правило, представляет со­бой совокупность различных узлов и блоков, отличающихся моду­лями упругости, жесткостями, массами и т. д. В процессе эксплуа­тации между отдельными элементами происходят виброударные процессы, которые носят нелинейный характер, в результате чего вибрация оказывается многомерной. Поэтому для воспроизведения таких вибраций применяют многокомпонентные вибростенды или отдельные вибростенды, воздействующие на испытуемое изделие в трех взаимно-перпендикулярных направлениях. Для таких испыта­ний требуется дорогостоящее оборудование, поэтому они проводят­ся редко.

Методы ускоренных испытаний на вибропрочность и виброустой­чивость. Эти методы являются наиболее перспективными, так как позволяют значительно сократить время испытаний при тех же харак­теристиках вибропрочности и виброустойчивости. Различают следу­ющие методы ускоренных испытаний на вибропрочность:

а) качающейся частоты при повышенных ускорениях;

б) качающейся частоты или фиксированных частот для изделий, у которых резонансные частоты свыше 200 Гц;

в) качающейся частоты в области резонансов для изделий, у ко­торых низшая резонансная частота превышает верхнюю частоту диа­пазона, соответствующего заданной степени жесткости.

При действии вибраций в широком диапазоне частот разработать такую конструкцию, чтобы ее собственные частоты находились вне заданного диапазона, практически невозможно. Поэтому при работе объекта в условиях воздействия вибрации и наличия собственных ча­стот изделия в заданном диапазоне необходимо определить способ­ность конструкции выдерживать заданную вибрационную нагрузку, которая возникает на резонансных частотах. При этом определяю­щим фактором вибропрочности является допустимое время выдерж­ки испытания на резонансной частоте при заданной перегрузке.

Для оценки вибропрочности реальных конструкций, испытывае­мых на резонансных частотах при различных ускорениях вибрации, дополнительным критерием может служить изменение (уход) собствен­ной частоты элемента конструкции в зависимости от времени испы­тания и перегрузки.

В большинстве случаев конструктивный элемент при испытании на резонансной частоте разрушается не мгновенно. Поскольку каж­дый элемент конструкции обладает способностью сопротивляться виб­рационным нагрузкам, то в течение определенного времени собствен­ная частота остается стабильной в заданных пределах. По истечении этого времени и продолжении испытаний на резонансе собственная частота элемента начинает монотонно убывать, а затем резко снижа­ется до нуля, что соответствует разрушению.

Приведенные выше методы позволяют осуществлять различные виды виброиспытаний.

Виды виброиспытаний изделий. В практике наземной и летной отработки изделий авиационной и ракетно-космической техники и их составных частей используют следующие виды вибрационных ис­пытаний: стендовые (лабораторные), полунатурные и натурные в ус­ловиях эксплуатации.

Стендовые (лабораторные) вибрационные испытания проводят на вибростендах, которые приближенно воспроизводят реальные дина­мические механические нагрузки, действующие на объект испыта­ний при транспортировании и эксплуатации. При таких испытаниях проверяют качество изготовления, работоспособность и долговечность изделий.

Нормы стендовых испытаний должны соответствовать парамет­рам динамических механических нагрузок, полученным в реальных условиях эксплуатации изделий. Если таких данных нет, то при стен­довых испытаниях принимают ориентировочные, несколько завышен­ные нормы, которые определяют по прототипам, исходя из условий эксплуатации изделий, аналогичных разрабатываемому. Например, стендовые виброиспытания базового модуля «Заря» космической стан­ции третьего поколения проводились по нормам, характерным для тяжелых модулей орбитальной станции «Мир» второго поколения.

Порядок проведения стендовых вибрационных испытаний следу­ющий:

• определяют резонансные частоты в заданном диапазоне и про­водят испытания ОИ на вибропрочность на фиксированных ча­стотах (контрольные испытания);

• проводят испытания ОИ на вибропрочность в диапазоне час­тот, а затем на виброустойчивость. После конструкторской доработки ОИ, цель которой заключается в устранении выяв­ленных дефектов, изделие вновь подвергают вибрационным испытаниям.

Испытания по определению резонансных частот конструкций не­обходимы для оценки механической прочности и устойчивости изде­лий и их элементов, так как на этих частотах наиболее вероятна де­формация конструктивных элементов, приводящая к поломке или изменению значений параметров изделий. Поскольку конструкции изделий можно представить состоящими из ряда соединенных между собой элементов, характеризуемых различными значениями жестко­сти и коэффициента затухания, то число резонансных областей зави­сит от числа этих элементов изделия. Так как жесткость и коэффици­ент затухания являются нелинейными функциями воздействующей гармонической вибрации, то колебания возникают не только на ос­новной частоте, но и на частотах гармоник. В этом случае для суж­дения о резонансных явлениях помимо АЧХ изделия необходимо ис­пользовать данные анализа спектра полученных колебаний.

При определении резонансных частот ОИ подвергают воздействию гармонической вибрации при пониженных ускорениях, как прави­ло, не превышающих 20 м/с2, в диапазоне частот 10—150 Гц. Резо­нансные частоты регистрируются, а затем составляется график их спек­тра. После нахождения спектра резонансных частот, исходя из требований к испытаниям, назначают одну или несколько нерезо­нансных частот, при которых производят контрольные испытания ОИ на воздействие ускорения при различной длительности испытания. Так как испытания на фиксированной частоте предусматривают выяв­ление производственных дефектов изготовления изделия, то при кон­трольных испытаниях изделие не следует испытывать на резонансной частоте. Если испытания проводились на резонансной частоте, то в случае обнаружения какого-либо дефекта трудно установить причину разрушения, так как при длительных испытаниях разрушение может быть вызвано действием резонансных эффектов, а не дефектом изго­товления ОИ. Поэтому испытания рекомендуется начинать с опреде­ления резонансных частот при пониженных воздействующих ускоре­ниях гармонической вибрации.

Указанные испытания могут проводиться на стадиях проектиро­вания и производства изделия. Испытания на стадии проектирова­ния выполняются с целью выявления степени устойчивости к воз­действию вибрации в заданном рабочем диапазоне и определения предельно допустимых значений механических воздействий, уточне­ния норм на механические испытания и выбора метода испытаний на виброустойчивость, выявления частот механических резонансов для включения в нормативную документацию и расчетов параметров дем­пфирующих устройств, а также выбора амортизаторов. Испытания на стадии производства проводят с целью установления соответствия выпускаемых изделий заданным требованиям.

При испытаниях на определение резонансных частот используют виб­роустановки, воспроизводящие вибрацию в диапазоне 40—20 000 Гц. Если резонансная частота изделия определена расчетным путем или по результатам испытаний изделий аналогичной конструкции, то можно использовать виброустановки, воспроизводящие колеба­ния в диапазоне частот (0,2— l,5J/op — Амплитуда ускорения при испы­таниях должна быть минимально возможной, но достаточной для выявления резонанса. При испытаниях изделий, масса и габаритные размеры которых менее чем в 10 раз превышают массу и габаритные размеры контактных виброизмерительных преобразователей (ВИП), необходимо использовать бесконтактные ВИП. Они должны иметь чувствительность, обеспечивающую выявление амплитуд колебаний изделий или его элементов, в 2 раза и более превышающих соответ­ствующие амплитуды колебаний, измеряемые контрольным ВИП в точках крепления изделия.

Для более точного определения резонансных частот в схему изме­рений целесообразно включать фазометр, обеспечивающий измере­ние изменения фазы колебаний на 90° при прохождении резонанса. Желательно, чтобы погрешность определения частоты при этом не превышала 0,5% или 0,5 Гц.

Частоты механического резонанса находятся методом качающей­ся частоты при поддержании постоянной амплитуды ускорения и ско­рости качания, обеспечивающей обнаружение и регистрацию резо­нансов (но не более одной октавы в минуту). Допускается проводить

испытания и на широкополосную случайную вибрацию, однако в этом случае анализ получаемых результатов усложняется.

По результатам испытаний оценивают механические свойства изделий, получают исходную информацию для выбора методов про­ведения испытаний на вибропрочность, виброустойчивость и ряд дру­гих механических воздействий.

При испытании на вибропрочность изделие подвергается воздей­ствию гармонической вибрации с плавной разверткой частоты, а также широкополосной, узкополосной или смешанной вибраций. При этом общее время испытаний разделяют на равные промежутки, в течение которых осуществляют испытания на каждой выбранной частоте. Не рекомендуется проводить испытания на вибропрочность на резонанс­ных частотах, за исключением некоторых случаев, которые оговари­ваются особо.

На практике проводят как нормальные, так и ускоренные испы­тания на вибропрочность.

При нормальных испытаниях методом качающейся частоты рабо­чий диапазон частот вибрации, значения перемещения и ускорения, время цикла качания частоты, количество циклов и общую продолжи­тельность испытаний определяют по нормативной документации в за­висимости от выбранной или заданной степени жесткости. Установив заданный режим вибрации, проводят испытания путем непрерывного изменения частоты в рабочем диапазоне частот вибрации. Продолжи­тельность испытаний tv определяют по графику на рис. 5.39.

При ускоренных испытаниях длительность процесса может быть сокращена за счет увеличения испытательного ускорения или уста­новления качания частоты в области механического резонанса.

При увеличении испытательного ускорения, выбираемого из ус­ловия яуск * (1,5 — 2)а0 , продолжительность испытаний определяется по формуле

где а0 и Т0 — соответственно ускорение и продолжительность нор­мального испытания.

Увеличение испытательного ускорения должно находиться в пре­делах линейности прочностной характеристики испытуемого изделия, чтобы при проверке не возникало отказов, физика процессов кото­рых не соответствовала бы условиям реальной эксплуатации. Жела­тельно, чтобы при ускоренных испытаниях испытательное ускорение и длительность процесса не превышали допустимых воздействий и времени работы изделия при повышенных нагрузках в период эксплу­атации.

Продолжительность испытаний при установлении качания часто­ты в области механического резонанса в диапазоне частот (0,5—1,5)/q, где /0 — собственная частота механического резонанса испытуемого изделия, определяется по формуле

Г= 2/рл,

где /р — время испытаний, определяемое по графику (см. рис. 7.9); п — число циклов качания, зависящее от установленной степени же­сткости испытаний.

Испытания методом фиксированных частот также могут быть нор­мальными и ускоренными. При нормальных испытаниях весь диапа­зон частот разбивают на поддиапазоны, в пределах которых частоту плавно изменяют в течение 1 мин. с последующей выдержкой на верхней частоте поддиапазона при ускорении (амплитуде перемеще­ния) и продолжительности, предусмотренными нормативной доку­ментацией. При ускоренных испытаниях сокращение времени дос­тигается за счет уменьшения диапазона частот в области до 200 Гц, в пределах которого испытания не проводят.

Возможно выполнение испытаний на вибропрочность на одной фиксированной частоте, если собственная частота механического ре­зонанса в 1,5 раза превышает верхнюю частоту рабочего диапазона, и методом широкополосной случайной вибрации в тех случаях, когда:

• требуются кратковременные испытания изделий сложной мно­гоэлементной конструкции, механические напряжения в эле­ментах которой могут превышать предел прочности;

• собственные частоты механического резонанса изделий оказы­ваются в диапазоне возбуждаемых колебаний.

Испытания на виброустойчивость проводят во включенном состо­янии испытываемой аппаратуры. Поэтому к ней должны быть под­ключены измерительные приборы, с помощью которых контролиру­ют работоспособность и изменение параметров аппаратуры при воздействии на нее вибрации с заданной перегрузкой в конкретном диапазоне частот.

Перед проведением стендовых испытаний изделия осматривают и измеряют параметры, указанные в технических условиях. Время испытаний и требования к изменению параметров в условиях вибра­ционных испытаний установлены в НТД. Для проведения испыта­ний изделия закрепляют на платформе (столе) вибростенда так, что­бы вибрация передавалась с минимальными потерями. Выбирая способы закрепления, необходимо учитывать положение изделия при эксплуатации, а также особенности закрепления на столе вибростен­да его составных элементов. Возможны случаи, когда отдельный эле­мент, установленный на специальной плате, нормально выдержива­ет испытательный режим, но отказывает при испытаниях уже самого изделия. Это объясняется тем, что некоторые конструкции могут усиливать вибрационные нагрузки. Особую опасность представляют случаи, при которых возникают резонансные явления. Для повыше­ния эффективности испытания проводят в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации, или элементы испытывают при увеличении нагрузки в 1,5 раза.

Иногда элементы, установленные на специальных платах, не выдерживают испытаний из-за увеличения нагрузки вследствие резо­нансных явлений. Поэтому изделия (элементы), работающие в ка­ком-либо комплексе, целесообразно испытывать в сочлененном со­стоянии. При этом если изделие эксплуатируется под нагрузкой, то и испытания следует проводить под нагрузкой.

При наличии резонансных эффектов изделия рекомендуется до­полнительно испытывать на виброустойчивость на резонансных час­тотах. Если испытуемое изделие представляет собой сложную много­массовую систему, то оно обладает несколькими резонансными частотами. В процессе испытания надо определять и фиксировать в документации все резонансные частоты до 20 000 Гц, так как эти данные могут быть использованы при конструкторской доработке из­делия. В зависимости от демпфирующих свойств конструкции, за­тухания вибрации в элементах конструкции, свойств материала, из которого изготовлена конструкция, амплитуды колебаний при резо­нансе имеют то или иное конечное значение. Если амплитуда коле­баний не превышает заданного значения, например удвоенной амп­литуды вибрации, воздействующей на изделие, то резонанс считают допустимым.

В практике стендовых испытаний на виброустойчивость наиболь­шее применение находит прямой способ определения частоты соб­ственных колебаний конструкций, который заключается в выявле­нии резонанса и фиксировании частоты возмущающих колебаний. Однако этот способ несовершенен, так как из-за демпфирующих свойств конструкции резонансная частота элементов может отличать­ся от частоты возбуждения вибрации. Возможно также появление параметрических резонансов. Кроме того, на высоких частотах амп­литуды колебаний имеют малые значения и выявить резонансы пря­мыми методами оказывается весьма затруднительно. Тем не менее, несмотря на малые амплитуды колебаний, механические напряже­ния в опасных местах крепления элементов или в самих элементах при резонансе могут значительно превысить предел выносливости и вывести изделие из строя.

Испытания на виброустойчивость могут проводиться методами фиксированных частот и качающейся частоты. Однако предпочтение отдается последнему методу, при котором частота плавно изменяется в заданном диапазоне со скоростью, достаточной для проверки и ре­гистрации контролируемых параметров изделий. Рекомендует­ся, чтобы скорость изменения частоты не превышала 2 окт./мин. Если изделия испытываются в диапазоне низких частот (от 10 Гц), когда ускорение зависит главным образом от перемещения, которое может быть весьма значительным, то испытания рекомендуется про­водить при постоянной амплитуде перемещения. Постоянство амп­литуды перемещения при изменении частоты поддерживают до так называемой частоты перехода, начиная с которой (до верхней часто­ты рабочего диапазона) обеспечивают постоянство значения ускоре­ния (рис. 7.11).

Если в процессе испытаний изделий на виброустойчивость на не­которых частотах обнаруживается несоответствие значения установ­ленных параметров требуемым, то проводят дополнительную выдер­жку объекта испытаний на этих частотах в течение времени, указанного в нормативной документации, но не менее 5 мин.

Испытания на виброустойчивость, осуществляемые методом ка­чающейся частоты, могут быть нормальными и ускоренными. Мето­ды ускоренных испытаний могут реализовываться для изделий с из­вестными частотами механического резонанса. Ускорение процесса испытаний достигается за счет проведения их в наиболее опасной ре­зонансной зоне. При испытаниях сложных многоэлементных конст­рукций возможно использование методов случайной вибрации.

Испытаниям на вибрационные нагрузки подвергают одни и те же изделия, причем вначале их испытывают на вибропрочность, а затем на виброустойчивость. Положение изделия при испытаниях определя­ется нормативной документацией. Рекомендуется проводить испы­тания изделий при установке их в трех взаимно-перпендикулярных направлениях по отношению к воздействующей вибрации. Продолжи­тельность испытаний в каждом положении равна 1/3 общей продолжи­тельности. Иногда изделия испытывают в одном наиболее опасном положении. При необходимости допускаются перерывы в испытани­ях, но с условием сохранения их общей продолжительности.

В заключение отметим, что наиболее адекватными являются на­турные виброиспытания изделий, однако при их проведении должны быть решены сложные вопросы, связанные с передачей информации с объектов и высокой стоимостью таких испытаний.

Выявить резонансные явления в элементах конструкции изделий при натурных испытаниях без знания параметров возбуждающих сил объекта прямыми способами невозможно. Поэтому применяют полу-

s: а

5 10 20 60 100

0,5

0,1

Рис. 7.11. Амплитуды параметров вибрации (ат, sm) в зависимости от частоты (все уровни указаны в амплитудных значениях)

натурные испытания, используя магнитофонные записи натурных ис­пытаний на объекте, а также данные, переданные по каналам теле­метрии, для дальнейшего воспроизведения этих условий при стендо­вых испытаниях.

Все рассмотренные выше особенности различных видов виброис­пытаний должны оговариваться в программе испытаний и техничес­ких условиях на проверяемое изделие.