Методы испытаний на ударные воздействия

Анализ ударных воздействий (см. разд. 5.1) позволяет сформулиро­вать цели различных видов испытаний. Целью испытаний изделий на ударную прочность путем воздействия одиночных и многократных ударов является проверка способности изделий противостоять разру­шающему действию механических ударов и сохранять после их дей­ствия значения параметров в пределах норм, установленных норма­тивной документацией. При проведении испытаний на воздействие механических ударов многократного действия проверяют способность изделия выполнять свои функции после воздействия этих ударов.

В соответствии с рекомендациями МЭК помимо приведенных предусматриваются также испытания на воздействие падения и опро­кидывания.

Особым видом испытаний, предназначенным для имитации ус­ловий случайных ударных воздействий, возникающих при перевозке незакрепленных изделий колесным транспортом по пересеченной местности, являются испытания на транспортную тряску.

В обоснование программы испытаний на ударные воздействия вхо­дит выбор: вида испытаний испытательного оборудования, приспособ­ления для крепления изделий, способа крепления приспособления к столу установки, места расположения контрольной и измерительной точек, измерительного преобразователя, средства измерения и реги­страции, а также метода измерения параметров.

Выбор вида испытаний на ударные воздействия зависит от харак­тера ударных нагрузок, которым подвергается испытуемое изделие. Процесс удара можно условно представить как «воздействие» и «от­клик». Воздействие определяется ударной установкой, а отклик за­висит от механических свойств изделия. В связи с этим желательно оценить параметры ударов в двух точках, называемых контрольной и измерительной.

Контрольная точка используется для получения контрольного сигнала, характеризующего процесс воздействия, а измерительная — для получения сигнала, характеризующего отклик изделия на воз­действие. Кроме того, контрольный сигнал может быть использован для поддержания заданного испытательного режима на столе уста­новки.

При креплении изделия непосредственно на платформе ударного стенда, а также на приспособлении или амортизаторах контрольную точку следует выбирать рядом с одной из точек крепления изделия или амортизатора. Если выбор контрольной точки на приспособле­нии оказывается затруднителен, а система «стол—приспособление — изделие» настолько жесткой, что отклонение ускорения в точке креп­ления приспособления не превышает ±25% ускорения на столе и длительность действия ударного ускорения больше 1 мс, то возможна установка измерительных преобразователей (ИП) непосредственно на столе установки.

Недостаточная жесткость крепления ИП, особенно при его зна­чительной массе, может заметно (в 2—3 раза) снизить низшую соб­ственную резонансную частоту^ системы. Если при этом ИП кре­пится на конструктивной детали изделия, собственная резонансная частотаУо изд которой близка k^j и конструктивная связь достаточно велика, то происходит дальнейшее усложнение системы. Удовлетво­рительная для большинства случаев точность измерения имеет место при условии /оі >5/о изд ^ 30/тф, где Тф — длительность фронта удар­ного ускорения.

В случае, когда подлежащий исследованию кратковременный процесс содержит высокочастотные составляющие, близкие к часто­те собственного резонанса ИП, возникают наложенные колебания, которые иногда называют «звоном» (рис. 7.14). Для ограничения возможности возникновения указанного эффекта необходимо, что­бы собственная резонансная частота f0 колебаний закрепленного на изделии ИП была равна или превышала значение 10/т, где т — дли­тельность ударного импульса. В этом случае погрешность измерения амплитуды ударного ускорения не превысит +5%.

Рис. 7.14. Реакция измерительного преобразователя на воздействие высокочастотных составляющих

Несмотря на целесообразность измерений параметров удара в кон­трольной и измерительной точках на практике они определяются толь­ко в контрольной точке с помощью контактных ИП.

Качественное воспроизведение всех составляющих спектра изме­ряемого ударного импульса в широком частотном и динамическом диапазонах существенно зависит от способа закрепления контактного ИП. На практике в основном применяются следующие способы: при­винчивание ИП при наличии резьбы на наружной поверхности кор­пуса; с помощью шпильки, ввернутой в основание корпуса ИП; вин­тами (болтами) при наличии фланца на корпусе ИП; приклеивание. Измерительный преобразователь с резьбовым креплением должен быть ввернут до упора с моментом затяжки, указанным в нормативной документации, или 1,5—2 Н м для резьб диаметром до 6 мм, а для резьб диаметром более 6 мм момент затяжки на каждый последую­щий миллиметр увеличивается на 1,5—2 Н м. Для ИП, рассчитан­ных на измерение параметров ударных ускорений длительностью 1 мс, целесообразно разрабатывать калибры для контроля качества поса­дочного места преобразователя.

Подготовка мест крепления (сверление, нарезка резьбы, вырав­нивание поверхности) должна выполняться весьма тщательно. За­вышение внутренних и средних диаметров резьбовых гнезд, отклоне­ния от заданной нормы неплоскостности или допуска на угол кони­ческой резьбы недопустимы. Крепление ИП с помощью изолирую­щих переходных втулок, магнитного держателя и других промежуточ­ных деталей сужает рабочий диапазон частот.

Испытание на воздействие одиночных ударов проводят для провер­ки способности изделия выполнять свои функции после прекраще­ния этого воздействия. В ряде случаев проверяется работоспособ­ность изделий в процессе воздействия одиночных ударов.

При выборе измерительных и анализирующих средств необходи­мо решить, какая информация считается достаточной для описания движения, вызванного ударом. Для качественного воспроизведения формы импульса средства измерений совместно с ИП должны иметь равномерную АЧХ (рис. 7.15) в широком частотном диапазоне, что­бы обеспечить правильные фазовые соотношения между частотными составляющими.

По зафиксированной осциллограмме (рис. 7.16, а) возможно определение пикового ударного ускорения N, длительности п дей­ствия ударного ускорения, длительности фронта ударного ускоре­ния, формы импульса ударного ускорения и т. д. Ударное ускоре­ние вычисляется по формуле

ат — PNcp/k,

где. Р—чувствительностъ осциллографа по вертикальной оси, мВ/мм (деление сетки); — амплитуда усредненного импульса, мм (деле­ние сетки осциллографа), зависящая от характера импульса; к — ко­эффициент преобразования ИП (может определяться совместно с согласующим усилителем).

Если импульс не содержит наложенных колебаний, то в качестве N следует принимать максимальное отклонение по вертикали (рис. 7. Гб, б). Если импульс ударного ускорения содержит наложенные колебания, то для определения Ncp необходимо соединить точки, соответствующие серединам участков осциллограммы, заключенных между двумя соседними экстремумами, плавной линией и макси­мальное значение на этой линии принять за Л^. Коэффициент пре­образования к при измерении амплитуды ускорения ат = 10 000 м/с2 (1 000g) и длительности т = 0,5 мс определяется при градуировке в ударном режиме, а при измерении ат = 10 000 м/с2 (1000g) и дли­тельности т > 0,5 мс — в вибрационном режиме.

Длительность действия ударного ускорения определяется по ос­циллограмме (рис. 7.16, б) на уровне 0,1 А: т = тV, где т’ — масштаб

горизонтальной оси на осциллографе; п — горизонтальное отклоне­ние луча. Для импульсов с крутыми фронтами, большим ускорени-

Рис. 7.15. Амплитудно-частотная характеристика измерительной системы
для оценки качества воспроизведения одиночного удара

ем и малой длительностью время действия ударного ускорения допус­кается определять по основанию импульса. Длительность фронта ус­корения рассчитывается по формуле тср = т’яср, где — горизон­тальное отклонение луча от начала ударного процесса до момента, соответствующего амплитуде усредненного импульса Ncр. Форма импульса ударного ускорения определяется путем сравнения с фор­мами импульсов, рекомендуемыми для проведения испытаний.

Чтобы обеспечить воспроизводимость испытаний в различных ис­пытательных лабораториях с заданной точностью, рекомендуется ис­пользование одиночных ударных импульсов пилообразной, полуси — нусоидальной и трапецеидальной форм (рис. 7.17), а многократных ударных импульсов — полусинусоидальной формы. Такие формы ударных импульсов выбраны потому, что они достаточно информа­тивны, просты и обеспечивают высокую воспроизводимость резуль­татов испытаний.

Изображение импульсов на экране осциллографа должно быть получено при временной развертке, позволяющей наблюдать на эк­ране импульсы на временном участке 0,4т + т + 0,1т (рис. 7.17, а).

Осциллограмма импульса ударного ускорения должна быть заключе­на между штриховыми линиями, соответствующими допуску на кон­кретную форму импульса. Если осциллограмму нельзя заключить меж­ду штриховыми линиями, то для характеристики формы необходимо указать название одной из подходящих геометрических фигур.

Рис. 7.17. Формы одиночных ударных импульсов, рекомендуемые для ис­пытаний: а — пилообразная ; б — полусинусоидальная; в — трапецеидаль­ная. Штриховой линией показан номинальный импульс, а сплошной — границы допусков; т — длительность номинального импульса; ат — макси­мальное ускорение номинального импульса

Для оценки сложных форм импульсов одиночных ударов следует определять коэффициент наложенных колебаний и их частоту (пуль­сацию на первоначальном импульсе или относительную амплитуду ускорения наложенных колебаний и их частоту). Оценка амплитуды пульсаций с малым затуханием, имеющем место в течение большого периода времени после окончания номинального импульса, пред­ставляет большой интерес, так как пульсация влияет на остаточный спектр.

Частоту наложенных колебаний рассчитывают по формуле, Гц: /нк = nn/t, где пп — число периодов наложенных колебаний на учитываемом отрезке осциллограмм; t — время, соответствующее дли­не учитываемого отрезка.

Определение относительной амплитуды ускорения наложенных колебаний проводят по осциллограмме импульса: 8НК = N^P 1(кат), где — отклонение луча осциллографа от линии усредненного про­филя импульса, соответствующее амплитуде наложенных колебаний (в миллиметрах или делениях сетки).

Воздействие многократных ударов предусматривает проведение двух видов испытаний: на ударную прочность и ударную устойчивость. Основными параметрами испытательных режимов и в том и в другом случае являются: форма импульса, которая должна быть близкой к полусинусоиде; пиковое ударное ускорение ап; длительность действия ударного ускорения т; общее число ударов п. Значения таких пара­метров, как аП и п, зависят от выбранной или установленной степе­ни жесткости (ГОСТ 28215-89).

При выборе длительности действия ударного ускорения исходят из того, что спектр отклика и низшая резонансная частота изделия зависят от максимальной амплитуды и длительности воздействия удар­ного импульса. Поскольку любое изделие можно представить в виде совокупности отдельных конструктивных элементов (в некоторых из них в результате воздействия удара возникает резонанс), необходимо выделить наиболее слабый из элементов, определяющий механичес­кую прочность всего изделия. Реакция такого элемента на воздей­ствие ударных механических нагрузок зависит от нагрузки и его низ­шей собственной частоты. Зависимость длительности действия ударного импульса от низшей резонансной частоты изделия приведе­на в табл. 7.3.

Значения резонансных частот изделия могут быть определены в процессе испытаний на воздействие вибрации или взяты из справоч­ных данных.

В случаях, когда испытательное оборудование по своим техни­ческим характеристикам не обеспечивает требуемой длительности действия ударного ускорения (обозначены «*»), величину т допуска­ется определять по формуле т > 300//0н, где /0н — низшая резонанс­ная частота изделия. Частота повторения ударных импульсов обычно выбирается от 1 до 3 в секунду. При этом исходят из условия, что ускорение в контрольной точке должно быть в пределах допусков, показанных на рис. 7.17.

Выбор степени жесткости зависит от назначения, места установ­ки и условий эксплуатации изделия, а также размеров и массы испы-

Таблица 7.3 Значение длительности действия ударного воздействия в зависимости от низшей резонансной частоты изделия Низшая резонансная частота изделия, Гц Длительность действия ударного ускорения, мс Низшая резонансная частота изделия, Гц Длительность действия ударного ускорения, мс Не свыше 60* 18±5 200-500 3±1 60-100* 11±4 500-1000 2±0,5 100-200* 6±2 Свыше 1000 1±0,3

туемого изделия. В соответствии с международным стандартом МЭК (Публикация 68-2-29) для испытания радиоэлементов и изделий ма­лых габаритов предпочтительной степенью жесткости является 4000±10 ударов при ускорении 390 м/с2 и длительности импульса 6 мс. Воз­можные степени жесткости приведены в табл. 7.4.

Таблица 7.4

Степени жесткости при многократных ударах Степень жесткости Пиковое ускорение, м/с2 Длительность импульса, мс Изменение скорости, м/с I 100 16 1,00 II 150 6 0,6 III 250 6 0,9 IV 400 6 1,5 V 1000 2 1,2 Примечание. Рекомендуется осуществлять 1000± 10 и 4000±10 ударов.

При испытаниях крупногабаритных многоэлементных изделий, когда увеличивается возможность возникновения резонансов и нало­женные колебания затрудняют оценку формы импульса ударного ус­корения по осциллограмме, допускается осуществлять контроль ис­пытательного режима в процессе настройки установки с контрольным грузом, масса которого равна массе изделия с приспособлением. При этом отклонение массы контрольного груза не должно превышать 5%. После настройки испытательной установки на заданный режим кон­трольный груз заменяется испытуемым изделием и далее испытания проводятся при неизменной настройке установки.

Во время транспортировки механические удары могут действо­вать в разных направлениях, поэтому при испытаниях необходимо обеспечивать воздействие ударов поочередно в каждом из трех взаим­но-перпендикулярных направлений по отношению к изделию. При этом общее число ударов должно распределяться поровну между на­правлениями, при которых проводят испытания.

Изделия, имеющие ось симметрии, испытывают в двух взаимно­перпендикулярных направлениях (вдоль оси симметрии и перпенди­кулярно к ней) при сохранении общего числа ударов. Изделия с известным наиболее опасным направлением воздействия испытыва­ют только в этом направлении при сохранении общего числа ударов.

При испытании на ударную устойчивость изделие подвергают воз­действию 20 ударов по каждому из направлений. Поскольку в про­цессе испытаний должен проводиться контроль параметров изделий, то частота следования ударных импульсов должна обеспечивать эти измерения. При выборе контролируемых параметров испытуемого изделия нужно учитывать степень их информативности об ударной устойчивости изделия.

Иногда возможно совмещение испытаний на ударные прочность и устойчивость. В этом случае контроль параметров изделия прово­дят в конце испытаний при числе ударов не менее 20 по каждому направлению воздействия.

Как отмечалось выше, при воспроизведении ударов имеют место не только продольные, но и поперечные воздействия, поэтому в ряде случаев представляет интерес использовать трехкомпонентный аксе­лерометр, чувствительный к механическим колебаниям и ударам в трех взаимно-перпендикулярных направлениях и раскладывающий колебания и удары на три взаимно-перпендикулярных вектора. В измерительном приборе электрические сигналы суммируются для определения действительной амплитуды механического удара и на­правления вектора воздействия.

Форма импульса и степень жесткости должны выбираться с уче­том конструкции изделия, целей испытаний, места установки изде­лия или условий транспортирования, а также условий эксплуатации. Целесообразность выбора одной из рекомендуемых форм импульсов для испытаний на воздействие одиночных ударов наиболее наглядно обнаруживается при анализе их спектров.

Для выбранной формы импульса степень жесткости определяется комбинацией максимального ускорения и длительности номиналь­ного импульса.

При выборе длительности действия ударного ускорения руковод­ствуются соображениями, сформулированными при рассмотрении испытаний на многократные удары. Длительность действия ударного ускорения импульсов трапецеидальной и пилообразной формы рас­считывается соответственно по формулам: т = п • 102//0н ; т > 300//0н,

где л выбирают в диапазоне 3—100. Полученные по этим формулам значения округляют до ближайших значений, предусмотренных ГОСТ 28213-87.

Значения длительности действия ударного ускорения импульсов полусинусоидальной формы определяют в зависимости от низших резонансных частот изделий (табл. 7.5).

Таблица 7.5 Значение длительности действия ударного ускорения импульсов полусинусоидальной формы Низшие резонансные частоты изделий, кГц Длительность действия ударного ускорения, мс Низшие резонансные частоты изделий, кГц Длительность действия ударного ускорения, мс 0,5 и выше 3±1 5-10 0,2±0,1 1 О 2±0,5 10-20 0,1+0,05 1-2 1±0,3 Свыше 20 0,05+0,02 2-5 0,5±0,2

Если изделия имеют входящие в их конструкцию встроенные эле­менты защиты (например, амортизаторы), то при выборе длитель­ности действия ударного ускорения учитывают низшую резонансную частоту самого изделия, а не элементов защиты.

Если при испытаниях у изделий невозможно выявить плоскости и оси симметрии, их подвергают воздействию трех последовательных ударов по трем взаимно-перпендикулярным осям поочередно в каж­дом из двух противоположных направлениях (всего 18 ударов). В ос­тальных случаях выбор конкретных направлений воздействия выпол­няется следующим образом: при наличии оси симметрии испытания проводят вдоль нее, в двух противоположных направлениях и в лю­бом направлении, перпендикулярном этой оси; при наличии одной или нескольких плоскостей симметрии направление воздействия вы­бирают так, чтобы испытание проводилось перпендикулярно к каж­дой плоскости симметрии в одном направлении. Изделия, у которых известно одно наиболее опасное направление воздействия, испыты­вают только в этом направлении.

Испытательные режимы устанавливают по показаниям рабочих средств измерений с допустимым отклонением пикового значения ударного ускорения в контрольной точке, равным ±20%. Параметры испытательного режима рекомендуется измерять в процессе настрой­ки стенда на режим; дальнейшие испытания выполняются при неиз­менной настройке стенда.