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
|
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
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
|
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.