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
|
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»).