Испытания на ударные воздействия

7.2.1. Условия испытаний и применяемое испытательное оборудование

Ударные испытания осуществляются с помощью специальных удар­ных установок, в которых воздействие достигается за счет соударения тел. При этом наиболее часто соударения осуществляются через уп­ругий элемент сопротивления, нелинейный элемент сопротивления безгистерезисного типа (пара «сфера-плоскость»), элемент сопро­тивления, работающий в зоне пластической деформации (жесткий конический наконечник через свинцовую прокладку).

Структурная схема ударной установки приведена на рис. 7.12. В общем случае в нее входят: средство разгона — ускоритель 5; подвиж­ной стол; платформа или контейнер 6 вместе с испытуемым изделием 4; измерительный преобразователь 7; контрольный преобразователь 8; тормозное устройство 7(соударяющиеся элементы); система управле­ния и регулирования режима испытаний 9; средства измерения 2 и регистрации 3, позволяющие определять значения некоторых пара­метров и регистрировать характер ударной перегрузки.

Ударные установки классифицируются по следующим основным признакам:

1. По структурно-конструктивному решению различают средства разгона и торможения, применяемые для получения заданного удар­ного нагружения.

Разгон может осуществляться принудительно или в результате свободного падения с определенной высоты. При принудительном разгоне ускорение зависит от длины пути и скорости движения изде­лия, создаваемой ускорителем за счет дополнительной энергии. При разгоне за счет свободного падения платформа с испытуемым изде­лием фиксируется на определенной высоте Я, где перегрузка равна единице; затем платформа освобождается и, падая, приобретает к

Рис. 7.12. Структурная схема ударной установки

моменту соударения скорость v0 = y/2gH. Потери на трение в данном случае не учитываются.

Кинетическая энергия ударной нагрузки, приобретаемая плат­формой совместно с испытуемым изделием при разгоне, гасится в процессе взаимодействия с тормозным устройством. Таким образом, заданные параметры ударной нагрузки зависят от условий воспроиз­ведения, т. е. скорости v0 в момент начала взаимодействия с тормоз­ным устройством и пути торможения до остановки.

Заданное ударное нагружение за счет торможения (с помощью тормозных устройств) может быть получено с использованием нео­братимых или упругих деформаций. Эффект торможения достигается двумя способами. В первом случае используют подвергающиеся смя­тию при ударе необратимо деформируемые тормозные устройства одноразового действия. Упругопластические деформируемые элементы в виде пластин, изготовляемые, например, из стали, латуни, меди, свинца и резины, обеспечивают получение ударных ускорений от 100 м/с2 (при падении на резину) до 1 000 000 м/с2 (при падении на сталь, латунь) с длительностью фронта ударного импульса от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд. Во втором случае пласти­чески деформируемый элемент используется в совокупности с вне­дряющимся в него жестким наконечником. Это позволяет моделиро­вать закон изменения ускорения с большой длительностью фронта ударного импульса, доходящего до десятков миллисекунд. Необра­тимо деформируемые тормозные устройства целесообразно исполь­зовать в установках с разгоном, осуществляемым в результате сво­бодного падения с конкретной высоты.

Недостатком рассматриваемых тормозных устройств является воз­можность воспроизведения только одного ударного импульса с опре­деленными характеристиками.

Упругодеформируемые тормозные устройства многоразового при­менения выполнены на таких элементах, которые при соударении изменяют свою форму в пределах упругих деформаций, а по оконча­нии ударного процесса восстанавливают ее.

В качестве упругодеформируемых элементов используют проклад­ки из резины или пластиков и пневматические, гидравлические, пневмогидравлические устройства. В зависимости от конструкции и материалов, применяемых для изготовления прокладок, указанные тормозные устройства позволяют воспроизводить ударные нагрузки симметричных форм, изменять максимальное ударное ускорение и длительность ударного импульса, а в некоторых случаях и его форму. Недостатками этих устройств являются их конструктивная сложность и определенная трудность управления ударным процессом. Для пре­дотвращения повторных ударов, возникающих в установках, исполь­зуют специальные пневматические и электромагнитные тормозные устройства, а также механические пружинные захваты.

2. По принципу действия ускорителя, создающего принудитель­ный разгон, различают установки: механические (эластичные, пру­жинные, ротационные и т. д.), пневматические, электрогидравли — ческие, электродинамические и др. Возможно обеспечение разгона с помощью баллистического маятника.

Для качественной работы установок необходимо, чтобы в про­цессе разгона перегрузка была минимальной и не превышала 10% ускорения, возникающего при взаимодействии платформы с тормоз­ным устройством.

3. По системе управления различают установки с неуправляемым и управляемым ударным воздействием. Управление ударными уста­новками может быть ручным, дистанционным и автоматическим.

К установкам с неуправляемым ударным воздействием относятся механические (эластичные, маятниковые) и пневматические, а к ус­тановкам с управляемым ударным воздействием — электродинами­ческие и электрогидравлические. Отметим, что воспроизведение удар­ного воздействия в электродинамических установках может достигаться с помощью синтеза амплитудного спектра ^(со) аналоговым и циф­ровым методами.

4. По характеру воспроизводимых ударных воздействий различают ударные установки, воспроизводящие многократные и одиночные удары, транспортную тряску и комбинированные нагрузки, а также имитирующие падения и столкновения.

Основным элементом измерительного тракта являются измери­тельные преобразователи, служащие источниками сигналов измери­тельной информации. Для индикации, регистрации и анализа этих сигналов используются электронные радиоизмерительные приборы общего назначения (осциллографы, анализаторы спектра и АЧХ и др.). Основные параметры ударных установок и их возможные значе­ния приведены в табл. 7.2.

Установки одиночных ударов могут быть с разгоном принудитель­ным и за счет свободного падения. Среди установок с принудитель­ным разгоном наиболее распространены электродинамические, пнев­матические, гидравлические и ротационные ускорители. Кроме того, применяются копры маятникового (баллистического) типа. В уста­новках со свободным падением используется вертикальное сбрасыва­ние по направляющим. Определенные формы импульсов обеспечи­ваются механическими, пневмогидравлическими, пневматическими тормозными устройствами. Установки данного типа могут быть не­управляемыми и управляемыми.

Установки с вертикальным сбрасыванием конструктивно выполня­ют в виде каретки, свободно перемещающейся вверх и вниз между вертикальными стальными стойками по роликам. Испытуемое изде­лие закрепляется болтами на каретке и потом вручную или подъем­ником с приводом поднимается вверх. Форма ударного импульса определяется свойствами соударяющихся поверхностей, которые мо­гут изменяться в зависимости от их материала и формы, а также ис­пользования специальных тормозных приспособлений. Так, напри­мер, на нижней стороне каретки может быть смонтировано тормозное приспособление в виде пневматического плунжера, состоящего из цилиндра и поршня с регулируемым клапаном. Изменяя объем воз­духа в цилиндре, можно регулировать интенсивность удара. Чем боль­ше воздуха, тем меньше сила удара. Наличие пневматического плун­жера позволяет изменять ударное ускорение и длительность импульса. Высота сбрасывания обычно изменяется в пределах 0,3—1,5 м. Отре­гулировав плунжер на заданную перегрузку, освобождают поднятую вверх каретку с испытуемым изделием и они падают на стальную плиту основания — наковальню. Этим методом могут быть созданы удар­ные импульсы с ускорением 800 000 м с“2.

Преимуществами данной установки являются ее относительная простота, возможность контроля положения до и во время удара. Основной недостаток — заедание каретки при ее перемещении, что приводит к ложным эффектам.

Действие установок, основанных на гидравлических или пневмати­ческих принципах, не зависит от силы тяжести для создания ударной силы. Недостатки пневматических ударных установок: трудность по-

Основные параметры установок для воспроизведения ударов

Таблица 7.2 Параметр Установка, воспроизводящая удары одиночные многократные Форма ударных импульсов Полусинусоидаль- Полусинусои- ная, пилообразная с резким спадом и трапецеидальная дальняя Диапазон пикового ударного ускорения, м/с2 15-1 000 000 30 -10 000 Диапазон длительности действия ударного ускорения, мс 0,5-120 0,5-20 Коэффициент наложенных колебаний ударного ускорения (в зависимости от формы импульса), % 10-15 10-15 Ударное ускорение в поперечном Не более 30% значения пикового направлении ускорения. Желательно иметь значение не более 6% Допустимые отклонения: • ударных ускорений во времени, % + 10 + 10 • длительностей действия ударного ускорения, % ± 15 ± 15 Число ударных импульсов в 1 с (по МЭК) 1-3 1-3 Число ударных импульсов в 1 мин. (по ГОСТ) 40-120 40-120 Допустимое отклонение по числу ударов, % ±5 ±5

лучения импульсов заданной формы, ограниченные диапазоны амп­литуд ускорений и длительностей ударных импульсов.

Копры маятникового типа основаны на использовании силы инер­ции массы молота, прикладываемой через наковальню к испытуемо­му изделию. Работа копра маятникового типа заключается в том, что молот поднимается на угол 160—180° в верхнее исходное положение и удерживается там защелкой фиксирующего устройства. После осво­бождения защелки молот падает на наковальню, которая передает силу удара изделию. Запасенная молотом энергия Е, определяемая его массой и расстоянием от оси качания до центра тяжести, частич­но расходуется при ударе по наковальне с изделием, а частично зат­рачивается на отскок молота. Энергия удара, воздействующего на изделие, определяется как разность между первоначальным запасом

энергии Еи фиксируемой энергией отскока Е{: Еуя = Е — Е{.

В процессе удара наковальня перемещается незначительно; бла­годаря ее гибкой связи со станиной обеспечивается хорошая форма кривой ударного импульса, на которую не накладываются посторон­ние колебания. Параметры и характеристики ударного импульса мо­гут изменяться в зависимости от изменения скорости v0 молота в мо­мент соударения, отношения масс наковальни и молота, а также механических характеристик деформируемого элемента — проклад­ки, помещаемой в зоне контакта молота и наковальни.

Преимущество маятниковых копров заключается в отсутствии направляющих, которые искажают результаты измерений. Основ­ными недостатками являются сложность конструкции и невозмож­ность получения больших ускорений.

Маятниковый копер (баллистический маятник) может применять­ся как для испытаний, так и для динамической тарировки преобразо­вателей ударных ускорений.

Установки многократных ударов могут быть основаны на принципе либо принудительного разгона, либо свободного падения. Распрост­ранение получили электродинамические и механические ускорите­ли. Большинство используемых установок — управляемые. Рассмот­рим принципы действия и конструкции установок многократных ударов.

В механических установках многократных ударов ускорение в вер­тикальном направлении создается при ударе свободно падающего стола об упругие элементы прокладки. Подъем и сброс рабочего стола ус­тановки могут осуществляться с помощью профильного кулачка, кри­вошипно-шатунного механизма и копра.

Форма кривой изменения ускорения за время ударного импульса зависит от средств торможения, определяющих нарастание ускорения с момента соприкосновения рабочего стола с упругими элементами до максимального значения и последующий спад. Следует отметить, что максимальное ударное ускорение соответствует наибольшему про­гибу наковальни.

Механические средства торможения основаны на соударении спе­циальных элементов, выполненных из различных материалов (сталь, свинец, фетр, резина и др.).

Достоинствами механических ударных установок являются их от­носительная простота и невысокая стоимость. К недостаткам (по срав­нению с электродинамическими установками) следует отнести не­сколько худшую повторяемость формы ударных импульсов, большие нелинейные искажения и невозможность осуществления автомати­ческого управления.

В электродинамических установках, широко применяемых для воспроизведения как одиночных, так и многократных ударов, необ­ходимое ускорение при ударе достигается за счет взаимодействия двух магнитных полей: переменного, создаваемого импульсным током, и постоянного — в кольцевом зазоре электромагнита. В результате ука­занного взаимодействия возникает сила, выталкивающая подвижную систему с переменной скоростью.

Электродинамический стенд состоит из электромагнита, подвиж­ной катушки, стола со штоком и пневматического демпфера. Элек­тромагнит содержит магнитопровод и бескаркасную катушку под — магничивания.

При подаче импульса тока требуемой амплитуды в подвижную катушку и постоянного тока с пульта в обмотку электромагнита со­здается импульс силы, приводящий в движение подвижную систему (подвижную катушку, стол со штоком и поршень пневматического демпфера), которая начинает перемещаться вверх с переменной ско­ростью. В момент, когда магнитодвижущая сила подвижной катуш­ки прекращает действовать, приращение скорости подвижной систе­мы становится равным нулю или изменяет знак. Подвижная катушка под действием силы тяжести возвращается на амортизационную ре­зиновую прокладку. Стол со штоком, испытывая сопротивление пнев­матического демпфера, плавно опускается на верхний выступ под­вижной катушки. Сопротивление пневматического демпфера регулируется в некоторых пределах, что обеспечивает уменьшение (исключение) соударения подвижной системы при движении ее вверх и вниз.

Получение импульса тока требуемой амплитуды достигается с помощью емкостного модулятора, обеспечивающего заряд и разряд конденсаторной батареи. Длительность ударных импульсов регулиру­ется ступенями путем изменения индуктивности разрядной цепи. Ам­плитуда ускорения ударных импульсов регулируется плавным изме­нением напряжения конденсаторной батареи. Электродинамическая установка может работать в режиме одиночных ударов, обеспечивая получение ударных импульсов полусинусоидальной формы.

Достоинствами электродинамического ударного стенда являют­ся: возможность получения ударных импульсов заданной формы; от­носительная простота конструкции механической части; удобство ре­гулирования основных параметров ударных импульсов. Основной недостаток — трудность получения ударных импульсов с большими ускорениями (более 3 000 м/с2).

Представляет интерес проведение испытаний на удар путем воз­действия на испытуемое изделие синтезированным ударным спектром. В данном случае оказывается возможным использование для испы­таний электродинамического вибростенда в соединении со специаль­ными электронными приборами управления (рис. 7.13).

		4
1	-►	2		3
1 ■

Рис. 7.13. Структурная схема установки для синтеза ударного спектра: 1 — генератор импульсов; 2 — фильтры (третьоктавные) и формирователи спек­тра (аттенюаторы); 3 — усилитель мощности; 4 — вибростенд; 5 — испытуе­мый объект

Особенность испытательного оборудования этого вида состоит в том, что спектр ударного импульса формируется с помощью набора специальных фильтров. В простейшую схему синтеза ударного спек­тра входит генератор, обеспечивающий получение одинарного им­пульса, который одновременно возбуждает ряд третьоктавных филь­тров, предназначенных для формирования ударного спектра. Процесс формирования осуществляется вручную. О качестве сформирован­ного импульса судят по спектру, получаемому с помощью узкопо­лосного анализатора.

Анализ функции времени синтезированного удара третьоктавны — ми фильтрами показывает, что пиковое значение ударной характери­стики может существенно превышать амплитуду возбуждающего не — установившегося колебания. Таким образом, при использовании метода синтеза удара для возбуждения в испытуемом изделии некото­рого «отклика» на ударное воздействие в определенном диапазоне ча­стот требуется более низкая «входная сила», чем в случае примене­ния обычной ударной установки, создающей ударный импульс. Кроме того, известно, что большинство движений, вызываемых ударным воздействием в испытуемом изделии, представляют собой колеба­тельные процессы, характеризуемые широким распределением час­тот в спектрах Фурье. Весьма вероятно, что колебательные процессы возникают в результате преобразования ударных импульсов простых форм при их распространении в сложных конструкциях. Следует так­же помнить, что ударные импульсы простых форм весьма редко встре­чаются в процессе эксплуатации.

Рассмотренная структурная схема установки синтеза ударного спектра имеет ряд недостатков: во-первых, относительно широкая полоса пропускания третьоктавных фильтров не обеспечивает доста­точного выравнивания узких резонансных участков частотной харак­теристики испытательного оборудования и испытуемых объектов; во — вторых, ручная настройка фильтров — трудоемкая и продолжительная операция. Эти недостатки могут быть устранены автоматической вы­равнивающей системой.

Автоматическое выравнивание осуществляется за счет использо­вания эффектов изменения частотной характеристики, вызываемых в процессе испытаний системой, воспроизводящей ударное движе­ние.

Автоматическое спектральное выравнивание достигается приме­нением анализатора-выравнивателя, управляющего комплектами фильтров. В установку входят комплекты из 60, 120 и 240 фильт­ров, причем любой фильтр в одном комплекте может заменяться двумя фильтрами из следующего по числу фильтров комплекта. Таким об­разом, за счет разнообразного сочетания фильтров возможна регули­ровка ширины частотной полосы и СПУ в требуемом диапазоне час­тот (приводимые данные относятся к системам, разработанным датской фирмой «Брюль и Къер»).