НАЗЕМНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ФАКТОРОВ

7.1. Испытания на воздействие вибрации

7.1.1. Условия испытаний

и применяемое испытательное оборудование

Воздействие различного характера вибраций на изделия авиационной и ракетно-космической техники на этапах ее жизненного цикла часто приводит к возникновению в них механических дефектов и (или) ухуд­шению значений параметров (характеристик). В связи с этим пре­дусматривается проведение лабораторно-стендовых испытаний на воз­действие вибрации с помощью специальных средств испытаний. Основные требования, предъявляемые к виброиспытаниям различ­ных изделий и средствам испытаний, сформулированные в рекомен­дациях МЭК, отечественных государственных и зарубежных стандар­тах, следующие:

• возможность проведения испытаний на гармоническую (сину­соидальную и полигармоническую), случайную (узко — и широ­кополосную) и смешанную (гармоническую и случайную) виб­рации;

• обеспечение воспроизводимости результатов испытаний, ис­ключающей неоднозначность заключения;

• возможность учета особенностей характеристик испытуемого из­делия и способов его крепления;

• простота и удобство в управлении заданным испытательным режимом; возможность ручного и автоматического управления;

• обеспечение точности измерения: частоты ниже 50 Гц ±(1-2)% и выше 50 Гц ±(2-3)%; перемещения ±(10-20)%; ускорения ±(10-20)%; спектральной плотности ускорения ±(1,5—3,0) дБ;

• обеспечение точности (0,5-2 дБ) поддержания ускорения (пе­ремещения) постоянным при динамическом диапазоне регули­рования 10-60 дБ;

• обеспечение допусков искажающих факторов: нелинейных ис­кажений не более 30%; уровня поперечных составляющих виб­рации 25%; неравномерности амплитуды колебаний в точках крепления ±25%;

• обеспечение толкающих усилий до нескольких сотен тысяч нью­тон и грузоподъемности до нескольких тонн.

Кроме того, соответствующие требования предъявляют к мес­там установки и способам крепления виброизмерительных преобра­зователей (ВИП) и к конструкции приспособлений для крепления изделия.

Для выполнения указанных требований используются вибраци­онные установки — сложные комплексы, включающие в основном подсистемы задания, воспроизведения, управления и измерения, анализа и регистрации параметров вибрации. Основным звеном та­кой установки является вибратор — исполнительный элемент, пред­назначенный для воспроизведения заданных колебаний. В зависи­мости от принципа действия вибратора в установке используют различные способы задания испытательного режима. Самое широ­кое распространение в практике виброиспытаний получили электро­динамические, электрогидравлические и механические вибраторы. Первые два типа вибраторов применяют в вибрационных системах, реализующих все современные методы испытаний. В этом случае в качестве задающего устройства используют генераторы электричес­ких сигналов. Электродинамические вибраторы позволяют созда­вать колебания более высокочастотные (5-10 000 Гц), чем электро­гидравлические (0-1000 Гц). Механические вибраторы применяют в системах, предназначенных для испытания методом фиксирован­ных частот.

Основным недостатком всех типов вибраторов является зависи­мость их передаточной функции от частоты и нагрузки, что суще­ственно усложняет задачу воспроизведения заданных параметров виб­рации при испытаниях в широком диапазоне частот. Поэтому для реализации любого метода испытаний требуются специальные спосо­бы компенсации изменений передаточной функции при изменении частоты и нагрузок.

Структурная схема виброустановки приведена на рис. 7.1. В ее состав входят: вибростенд (вибровозбудитель) 4, преобразующий энергию любого вида в энергию механических колебаний (в вибра­цию); генератор 2 испытательных (управляющих) сигналов, создаю­щий управляющее воздействие на вибростенд, соответствующее за­данному характеру вибрации и режиму испытаний; усилитель мощности J, предназначенный для получения требуемого значения вынуждающей силы.

В конструкцию вибростенда входит как неподвижная часть, так и подвижная система, совершающая вибрационное Движение. Ус-

Рис. 7.1. Структурная схема вибрационной установки

тойчивое равновесие и ориентацию подвижной системы относитель­но неподвижной части обеспечивает система подвески. Испытуемое изделие устанавливается и закрепляется для передачи ему вибрации на конструктивной части подвижной системы, называемой виброс­толом 5.

Для получения информации о воздействии вибрации в процессе испытаний используют виброизмерительные преобразователи, раз­мещаемые в двух или более специфических точках. Различают две основные точки: контрольную и измерительную. Контрольная точка 6 располагается в том месте, относительно которого должно проводиться измерение значений параметров вибрации испытуемого изделия (на столе вибростенда, на приспособлении, на самом изделии), причем она должна находиться как можно ближе к одной из точек крепления и быть с ней жестко связанной. Сигнал с ВИП 7, расположенного в контрольной точке, используется в системе управления 1, обеспечи­вающей поддержание значений параметров вибрации на определен­ном уровне.

Возможно использование нескольких контрольных точек (жела­тельно не более четырех). В этом случае сигналы, снимаемые с них с помощью ВИП, подвергаются непрерывному арифметическому усреднению или обработке специальной сравнивающей аппаратурой.

Измерительная точка 8 располагается в том месте испытуемого изделия Я где значения параметров вибрации определяют исход ис­пытаний. В точку 8 помещают ВИП 10, сигнал с которого подво­дится к средствам измерения, анализа и обработки полученных дан­ных 11. Таким образом, результаты испытаний оцениваются значениями параметров вибрации, полученными в измерительной точке при условии обеспечения заданных значений в контрольной точке.

В ТУ на изделие должен оговариваться вид управления: сигна­лом с одной точки или с нескольких; в последнем случае для управ­ления используется усредненный сигнал или сигнал, имеющий мак­симальную амплитуду. Рекомендуемый допуск на значение управля­ющего сигнала в контрольной точке составляет ±15%.

Классификация виброустановок производится по ряду признаков:

1. По принципу действия вибростенда (вибровозбудителя) разли­чают механические, электродинамические, электро гидравлические, пьезоэлектрические и другие виды виброустановок. Применение раз­личных вибростендов определяется требованиями к характеру (виду) вибрации и значениям ее параметров.

2. По системам управления виброустановки подразделяют на ра­зомкнутые и замкнутые. В разомкнутых виброустановках поддержа­ние значений параметров вибрации на заданном уровне осуществля­ется вручную, а в замкнутых — автоматически. Автоматическое управление достигается за счет использования сигналов контрольно­го ВИП 7 (см. рис. 7.1), снимаемых с контрольной точки 6 и подво­димых к системе управления 7.

3. По характеру воспроизводимой вибрации, т. е. по значению колеблющейся величины, изменяющейся во времени, различают виброустановки гармонической и случайной вибрации, а также ком­бинированные, воспроизводящие оба вида вибрации.

4. По направлению приложения силы механических воздействий раз­личают виброустановки для воспроизведения линейной вибрации: прямолинейной — вертикальной или горизонтальной (однокомпонен­тной); плоскостной — одновременно горизонтальной и вертикальной (двухкомпонентной) и пространственной (трехкомпонентной); угло­вой. У вибростендов, воспроизводящих прямолинейную вибрацию, плоская поверхность столов может быть расположена горизонтально и вертикально. Возможны конструкции вибростендов с изменяющим­ся положением стола в пространстве (поворотные).

5. По назначению виброустановки подразделяют на испытатель­ные и калибровочные, используемые для калибровки ВИП.

Для оценки функциональных свойств виброустановок пользуют­ся рядом параметров и характеристик, значения которых приводятся в стандартах или ТУ на установки конкретных типов.

Рассмотрим основные параметры и характеристики виброустано­вок (вибростендов).

1. Диапазон воспроизводимых виброускорений (виброперемещений, виброскоростей), определяемый областью значений параметров, в пределах которой нормированы точностные характеристики. Преде­лы воспроизведения характеризуются наименьшим и наибольшим значениями воспроизводимого параметра.

Для определения нижних пределов диапазонов воспроизводимых ускорения и перемещения с помощью соответствующего виброметра измеряют среднеквадратическое значение вибрационного шума на столе вибростенда. За нижние пределы номинальных диапазонов вос­производимых ускорения и перемещения принимают значение уско­рения и перемещения, превышающие значение вибрационного шума на столе вибростенда не менее чем в 4 раза.

Верхние пределы номинального диапазона ускорения и переме­щения определяют виброметрами, устанавливая возможность воспро­изведения верхних пределов, указанных в нормативно-технической документации (НТД), в номинальном диапазоне частот. За верхние пределы номинальных диапазонов ускорения и перемещения прини­мают наименьшие значения ускорения и перемещения из воспроиз­водимых в номинальном диапазоне частот при параметрах возбужде­ния, не превышающих допустимых значений, установленных в НТД на установку.

За номинальный диапазон частот принимают интервал, в кото­ром обеспечивается воспроизведение ускорений и перемещений в их номинальных диапазонах.

2. Диапазон воспроизводимых частот виброускорения (виброскоро­сти, виброперемещения) характеризуется областью значений, в ко­торой нормированы точностные характеристики виброустановки. Для наглядной оценки указанного диапазона пользуются амплитудно-ча­стотной характеристикой (АЧХ), представляющей собой зависимость амплитуды основной гармоники измеряемого параметра в контрольной точке от частоты гармонического возбуждения с постоянной ампли­тудой. Неравномерность АЧХ зависит от принципа действия вибро­возбудителя (вибростенда), его конструктивного исполнения, а так­же от собственных резонансов подвижной системы и подвески.

3. Резонансные частоты определяют по АЧХ ускорения или пере­мещения, снятым при постоянном значении параметра возбуждения. При этом поддерживаемый постоянным параметр возбуждения уста­навливается таким, чтобы ускорение и перемещение не превышали предельно допустимых значений, а для электромеханических виброс­тендов перемещение было бы минимальным.

Резонансная частота подвески определяется ее жесткостью вдоль рабочей оси и приведенной массой подвижной системы вибростен­да. Резонансная частота подвески соответствует первому по частоте пику ускорения, не менее чем в 1,5 раза превышающему ускорение на частоте 400 Гц для электродинамических вибростендов; на часто­те, равной приблизительно fH, для электромеханических вибростен­дов, и на частоте, равной приблизительно ^/н/в , для других видов

вибростендов — нижняя и верхняя частоты номинального диа­пазона).

Резонансная частота подвижной системы определяется ее ос­новными конструктивными элементами, зависящими от принципа действия вибростенда. Резонансная частота подвижной системы со­ответствует первому после резонансной частоты подвескй пику уско­рения, не менее чем в 5 раз превышающему ускорение на частоте 400 Гц для электродинамических вибростендов; на частоте, равной при­близительно fH для электромеханических вибростендов и на частоте,

равной приблизительно, для других видов вибростендов.

Допускается определять резонансные частоты по АЧХ параметра возбуждения, снятого при постоянном ускорении, равном 0,3 верх­него предела номинального диапазона ускорения. При этом пикам ускорения соответствуют впадины параметра возбуждения. Переме­щение и параметр возбуждения в этом случае не должны превышать предельно допустимых значений.

Для электродинамических вибростендов допускается определять резонансную частоту подвески по минимальному значению тока в подвижной катушке при постоянном значении напряжения на ее входе.

4. Номинальная вынуждающая сила вибростенда Fuou определяет­ся произведением номинального ускорения дном на приведенную массу ПОДВИЖНОЙ системы /ИнрІ

^ном = ^пр^ном •

Под приведенной массой подвижной системы принято понимать массу подвижной системы вибростенда с учетом массы подвески, обеспечивающей движение вдоль рабочей оси. Приведенную массу подвижной системы определяют на заданной для данного вибростен­да частоте вибрации в контрольной точке стола.

5. Номинальная нагрузка вибростенда тном определяется значени­ем, при котором обеспечивается верхний предел диапазона ускоре­ния без компенсации статического смещения подвижной системы вибростенда с помощью внешних устройств. Масса номинальной нагрузки

^ном — ^номIа ^пр>

где а — заданное ускорение (рекомендуются ускорения 100, 200 или 400 м/с2).

6. Коэффициент гармоник виброускорения (виброскорости, вибро­перемещения) характеризует отклонение закона изменения виброус­корения от гармонического. Независимо от принципа действия виб­ростенда его подвижная система представляет собой многомассовую

систему, конструктивные элементы которой обладают различной уп­ругостью. Такие системы являются нелинейными, и поэтому при возбуждении гармонических колебаний возникают не только колеба^ ния основной частоты, но и ряда гармонических составляющих. Для оценки влияния гармоник на форму кривой ускорения проводят их измерения с помощью ВИП, сигналы с которого подаются на изме­ритель коэффициента гармоник или анализатор спектра.

Коэффициент гармоник в контрольной точке на заданной часто­те вычисляется (в относительных единицах) как отношение средне­квадратичного значения амплитуд всех гармоник, входящих в спектр сигнала (за исключением первой), к эффективному значению амп­литуды первой гармоники:

За коэффициент гармоник в точке крепления объекта к виброс­толу принимают наибольшее из значений, полученных по результа­там измерения виброускорения в трех точках крепления.

7. Коэффициент неравномерности распределения виброускорения в точках крепления характеризует отклонение движения вибростола от плоскопараллельного. Указанная неравномерность обусловлена нека­чественным исполнением системы подвески, что приводит к отклоне­нию значений ускорений в различных точках крепления относитель­но ее значения в контрольной точке. Коэффициент неравномерности распределения виброускорения в данном режиме работы определяет­ся по формуле

0 = max (а, — ак )/ак,

где at — ускорение в /-й точке крепления; ак — ускорение в конт­рольной точке.

8. Коэффициент поперечных составляющих виброускорения харак­теризует наличие ускорения в направлениях, перпендикулярных к заданному. В связи с тем, что система подвески стола вибростенда не обеспечивает строго однонаправленных колебаний, появляются пара­зитные поперечные составляющие колебания и возникает необходи­мость их оценки. Поперечные составляющие ускорения и ускорение вдоль рабочей оси вибростенда измеряют с помощью виброметров с трехкомпонентным преобразователем или однокомпонентными пре­образователями, установленными в трех взаимно-перпендикулярных направлениях.

По результатам измерений определяют коэффициент поперечных составляющих по формуле

где ахиау — ускорения в двух взаимно-перпендикулярных направле­ниях, поперечных рабочей оси вибростенда; az — ускорение вдоль рабочей оси вибростенда.

Коэффициент поперечных составляющих следует определять в номинальном диапазоне частот при постоянных значениях ускорения и (или) перемещения составляющих не менее 0,3 их верхних преде­лов. За коэффициент поперечных составляющих виброустановки при­нимают наибольшее из значений, полученных по результатам изме­рений виброускорений в трех точках крепления.

9. Погрешность воспроизведения значений виброускорения (виброс­корости, виброперемещения) оценивается разностью между номиналь­ным и действительным значениями указанных параметров, воспроиз­водимых вибрационной установкой. При этом под номинальными понимают значения параметров, относящиеся к номинальным диа­пазонам, указанным в НТД, регламентирующей требования на виб­рационные установки, а под действительными — значения парамет­ров, найденные экспериментальным путем. Однако на практике погрешность воспроизведения ускорения и перемещения в конт­рольной точке оценивается пределом допускаемой погрешности, ха­рактеризующим наибольшую погрешность средства измерений, при которой изделие может быть признано годным и допущено к приме­нению. Указанная погрешность определяется в номинальном диапа­зоне частот и амплитуд.

Пределы допускаемых погрешностей воспроизведения ускорения оценивают с доверительной вероятностью 0,9 по формуле, %:

где 5Г — предел дополнительной погрешности измерения от наличия

высших гармоник, определяемый при измерении среднеквадратичес­кого значения параметра по формуле, %:

КТК — наибольшее значение коэффициента гармоник в контрольной точке в рассматриваемом диапазоне частот; 8П — предел дополни-

тельной погрешности измерения от наличия поперечных составляю­щих, определяемый по формуле, %:

^п. к наибольшее значение коэффициента поперечных составляю­щих в контрольной точке в рассматриваемом диапазоне частот при соответствующей нагрузке, %; Коп — относительный коэффициент поперечного преобразования ВИП; 5, — предел дополнительной по­грешности измерения от изменения температуры стола вибростенда, определяемый по формуле, %:

5, =KtAT;

Kt — коэффициент температурной чувствительности ВИП, % /°С; 5В — предел погрешности виброметра:

8В = 80 +6АЧХ;

80 — предел основной относительной погрешности виброметра; 8АЧХ — предел неравномерности АЧХ виброметра.

10. Нестабильность ускорения и частоты виброустановки характе­ризует отклонение ускорений и частоты от заданных в зависимости от времени.

Определение нестабильности ускорения и частоты следует про­водить или на частоте, равной, где fH и/ъ — нижняя и верхняя

границы номинального диапазона частот установки, или на частоте перехода от воспроизведения перемещения к воспроизведению ско­рости или ускорения, или на частоте 400 Гц при ускорении (переме­щении), равном 0,7 верхнего предела номинального диапазона уско­рения (перемещения).

По истечении времени прогрева установки следует через каждые 15-20 мин. (если иное не указано в НТД на установку) в течение первого часа работы и далее через каждый час в течение максимально допустимого времени непрерывной работы установки измерять уско­рение и частоту. С помощью электронно-лучевого осциллографа, под­ключенного к выходу виброметра или его согласующего усилителя, наблюдают форму кривой ускорения.

Если в установке предусмотрен режим работы с автоматической разверткой частоты и поддержанием ускорения и перемещения, то нестабильность ускорения следует определять в данном режиме. При этом диапазон качания частоты устанавливают равным номинально­му диапазону частот, а ускорение и перемещение — равными 0,7 верхнего предела их номинальных диапазонов. При фиксированной
скорости качания частоты от 0,5 до 1,0 октавы/мин. в течение макси­мально допустимого времени непрерывной работы установки изме­ряют ускорение на частоте перехода или на частоте 400 Гц через про­межутки времени, указанные выше.

Нестабильность ускорения (<ра) и частоты (фу) определяют по формулам, %:

<р0 = max——— 100;

я3

где at — текущее значение ускорения, м/с2; а3 — заданное значение ускорения, м/с2; ft — текущее значение частоты, Гц; f3 — заданное значение частоты, Гц. При этом кривая ускорения не должна иметь дополнительных высокочастотных составляющих («дребезга») или дру­гих видимых на экране осциллографа искажений, отсутствующих в начале проверки.

Частоту ускорения, воспроизводимого электромеханической виб­роустановкой, следует измерять тахометром, определяя число оборо­тов ведущего вала вибростенда, или частотомером, используя фильтр нижних частот или полосовой фильтр с полосой пропускания, вклю­чающей измеряемое значение частоты.

11. Предел погрешности воспроизведения (установки) частоты (5л Ду) определяют на фиксированных частотах в требуемом диапа­зоне при значениях ускорения или перемещения не менее 0,3 верхних их диапазонов по формуле, %:

bf =max^ ~^зі -100

f /з/

ИЛИ

Ду = max| _/} — /зі I,

где fj — измеренное значение частоты, Гц; f3j — заданное значение частоты, Гц.

Помимо рассмотренных параметров вибростендов в ряде случаев представляет интерес оценка функционирования виброустановок в условиях, когда нагрузка не симметрична рабочей оси вибростенда, а смещена относительно нее на расстояние е, называемое эксцентри­ситетом нагрузки. Очевидно, что при таком расположении нагрузки коэффициент гармоник изменится, поэтому целесообразно оценить
его. В НТД на вибростенд должно быть указано допустимое значе­ние Кг при наибольшем допустимом моменте М от эксцентриситета нагрузки. Таким образом,

е = М/Р,

где Р — вес эквивалента нагрузки.

Электродинамические виброустановки основаны на преобразова­нии электромагнитной энергии в механическую с помощью электро­динамического вибростенда. Они широко применяются для динами­ческих испытаний изделий авиационной и ракетно-космической техники благодаря целому ряду таких серьезных достоинств, как: по­лучение высоких частот колебаний (до 25 кГц) и значительной вы­талкивающей силы (в том числе и на верхних пределах частотного диапазона); возможность плавного регулирования колебаний в про­цессе испытаний (без дополнительного усложнения конструкции); вы­сокие износостойкость и надежность; возможность создания вибрато­ров для испытаний объектов большой массы (при испытаниях объектов малой массы на платформы устанавливают дополнительные грузы); возможность получения как гармонических, так и случайных колеба­ний. Основным преимуществом электродинамической виброусгановки является способность воспроизведения случайных вибраций в широ­ком диапазоне частот.

Принцип действия электродинамического вибростенда заключа­ется в образовании переменной вынуждающей силы Д/), возникаю­щей при взаимодействии переменного электрического тока, проте­кающего по проводнику, с постоянным магнитным потоком, в котором он находится:

F(t) = В • /(/) • Д

где В — магнитная индукция; i(t) — сила переменного тока; L — общая длина проводника.

Под действием этой силы проводник (подвижная катушка) 1 пе­ремещается перпендикулярно направлению магнитных силовых ли­ний 2 постоянного поля (рис. 7.2, а). Для получения большой вы­нуждающей силы Щ) увеличивают магнитную индукцию в зазоре за счет применения электромагнита, т. е. введения в конструкцию ка­тушки подмагничивания 3.

Таким образом, мощные вибростенды можно создать, увеличи­вая силу переменного тока /(/) и силу постоянного тока подмагничи­вания Однако при этом большое переменное и постоянное магнит­ные поля оказывают вредное влияние на испытуемое изделие. Снижение вредного действия переменного магнитного поля может быть достигнуто экранированием конструкции, в которой стол виб­ростенда и подвижная катушка располагаются с противоположных торцов магнитопровода (рис. 7.2, б), что позволяет устранить воз­действие полей рассеяния на испытуемое изделие, а также создать подвижную систему, уменьшающую поперечные колебания. Для уменьшения вредного влияния больших постоянных магнитных по­лей рассеяния на испытуемые изделия над магнитопроводом разме­щают компенсационную катушку 4, по которой проходит постоян­ный ток противоположного току подмагничивания направления.

Наиболее совершенной является конструкция вибростенда (рис. 7.2, в), в которой применены две одинаковые катушки подмагничи­вания, выполненные так, что создаваемые ими постоянные магнит­ные потоки равны и вне магнитопровода направлены навстречу друг к другу, в результате чего происходит их компенсация. В то же вре­мя в воздушном зазоре они складываются и совместно воздействуют на подвижную катушку. При этом потеря мощности уменьшается почти в 2 раза, а поток рассеяния в плоскости стола практически отсутствует. Увеличение силы как переменного, так и постоянного тока подмагничивания приводит к нагреву всей системы и, как след­ствие, к необходимости применения воздушного или жидкостного ох­лаждения. Получение большей вынуждающей силы за счет увеличе­ния общей длины L проводника подвижной катушки ограничено ростом его активного и индуктивного сопротивлений; последнее заметно про­является при воспроизведении вибрации на высших частотах.

Одной из важнейших характеристик электродинамического виб­ростенда является его АЧХ, неравномерность которой можно оце­нить на основании анализа его конструкции.

Рис. 7.2. Схемы принципов построения конструкций электродинамических вибростендов: а — с рабочим столом и подвижной катушкой, расположен­ными с одной стороны подвижной системы; б — с рабочим столом и подвиж­ной катушкой, расположенными в противоположных концах подвижной си­стемы; в — с подвижной катушкой, расположенной между двумя системами катушек подмагничивания

В области самых низких частот (1—3 Гц) возможен установочный резонанс всего вибростенда, приводящий к подъему характеристи­ки. При этом определенную роль могут играть резонансы конструк­ций самого здания, в связи с чем необходима изоляция вибростенда от конструкции здания. Возможны два решения указанной техничес­кой задачи: создание фундамента глубокого заложения, изолирован­ного от фундамента здания (для вибростендов большой грузоподъем­ности), и применение эластичных качающихся опор.

Поскольку подвижная система вибростенда представляет собой пространственную конструкцию, то при воздействии вибрации про­являются ее упругие свойства, вызывающие резонансные явления, причем значения резонансных частот могут находиться в диапазоне 1000—1500 Гц. Другой причиной резонансных колебаний являются упругие свойства системы подвески, приводящие к резонансам в ди­апазоне частот 50—300 Гц. С ростом частоты возрастает индуктивное сопротивление подвижной катушки, что вызывает уменьшение уско­рения и завал АЧХ в области высоких частот.

К недостаткам можно отнести также наличие паразитных посто­янного и переменного магнитных полей, возможность возникнове­ния поперечных колебаний стола вибростенда и некоторую неравно­мерность распределения виброускорений (виброперемещений) на вибростоле.

Несмотря на указанные выше недостатки, электродинамические вибростенды, как указывалось выше, обеспечивают воспроизведе­ние широкого диапазона рабочих частот вибрации, позволяют полу­чить большую вынуждающую силу, а также воспроизводить не толь­ко синусоидальную, но и случайную вибрации.

В целях расширения возможностей использования вибростенда и обеспечения оптимальных условий для различных изделий в неко­торых конструкциях предусматривают применение сменных виброс­толов, конструкция которых различается в зависимости от рабочего диапазона частот, ускорений, размеров и массы испытуемых изде­лий. Вибростолы для испытаний крупногабаритных изделий в широ­ком диапазоне частот имеют крупные и прочные монтажные поверх­ности. Для испытаний изделий малых размеров и массы на воздействие больших ускорений в диапазоне высоких частот используют виброс­толы малых габаритных размеров и массы.

Итак, для обеспечения работы электродинамического вибростенда необходимы: генератор испытательных (управляющих) сигналов, предназначенный для генерации переменного напряжения в рабочем диапазоне частот; усилитель мощности, обеспечивающий получение заданной вынуждающей силы; блок питания электромагнита стаби­лизированным постоянным током.

Гидравлические виброустановки основаны на использовании гид­равлических вибростендов (вибровозбудителей), создающих колеба­ния стола за счет управляемого потока рабочей жидкости (гидравли­ческой жидкости, масла) с помощью золотникового устройства. В свою очередь золотниковое устройство (называемое иногда сервокла­паном) управляется внешним приводом, в качестве которого часто используется электродинамический преобразователь. В гидравличес­ких виброустановках наиболее широкое применение получили вибро­возбудители, основанные на принципе возбуждения исполнительно­го органа пульсирующим давлением (пульсаторные вибровозбудители), создаваемым рабочей жидкостью.

Возможно применение вибровозбудителей одно — и двусторонне­го (двойного) действия, различающихся тем, что в первых рабочая жидкость совершает работу только во время прямого хода, а обрат­ный ход осуществляется под действием упругой системы, в то время как у вторых обратный ход также происходит под действием рабочей жидкости. В пульсаторных возбудителях гидрораспределение чаще достигается с помощью золотника, имеющего внешний привод.

Частота колебаний регулируется скоростью возвратно-поступа­тельного движения гидрораспределителя (золотника), а амплитуда за­висит от изменения давления рабочей жидкости.

В гидравлической виброустановке на рис. 7.3 в качестве внеш­него привода используется электродинамический преобразователь

13 12 И 10 Рис. 7.3. Схема гидравлической виброустановки

(ЭДП) 3, содержащий катушку постоянного намагничивания, запи­тываемую от источника 14, и катушку переменного магнитного поля. Последнее создается электрическим входным сигналом от задающего генератора 1, который совместно с сигналами обратных связей от индуктивных преобразователей перемещений 10 подводится к усили­телю мощности 2, обеспечивающему получение мощности электри­ческого сигнала, достаточной для работы ЭДП, создающего механи­ческую силу, под действием которой перемещается управляющий золотник сервоклапана 5. При этом сервоклапан обеспечивает по­очередную подачу рабочей жидкости под определенным давлением к гидравлическому усилителю мощности 6. В зависимости от положе­ния управляющего золотника сервоклапана напорная рабочая жид­кость из магистрали 13 под давлением, образуемым гидравлическим агрегатом (насосом), поступает по присоединительным каналам (А или Б) к гидравлическому усилителю мощности.

Одновременно рабочая жидкость, находившаяся в системе, от­качивается по возвратным каналам в сливную магистраль 12 и обрат­но в бак. Под давлением рабочей жидкости, поступающей по кана­лам А’ или Б’, перемещается шток с поршнями гидравлического усилителя мощности. При этом открывается один из возвратных ка­налов, увеличивается разность давлений между напорной и возврат­ной (сливной) рабочей жидкостями, что обеспечивает подачу напор­ной жидкости, нагнетаемой гидравлическим агрегатом, по каналам А’ или Б’ к исполнительному механизму (ИМ) 7. Для улучшения динамических свойств сервоклапан и гидроусилитель мощности ос­нащены успокоителями 4 к 11 соответственно.

Исполнительный механизм представляет собой гидравлический усилитель двустороннего действия, преобразующий энергию входно­го сигнала сервоклапана в механическую энергию стола вибростен­да. Скорость поршня ИМ пропорциональна выходному потоку рабо­чей жидкости сервоклапана, а усилие на выходе пропорционально

разности давлений масла в каналах А’ и Б’.

Анализ работы системы показывает, что поскольку рабочая жид­кость обладает сжимаемостью и создает определенную упругость сис­темы, то в результате взаимодействия с массами поршня и вибросто­ла возникает возможность появления резонансных колебаний (масляный резонанс). Однако наличие у большинства подобных сис­тем сильного демпфирования обеспечивает относительную равномер­ность АЧХ до частот 100—1000 Гц.

С целью уменьшения неравномерности АЧХ вводится обратная связь для управления ИМ. В качестве источников сигналов исполь­зуются индуктивные вибропреобразователи 10.

Рассмотренную систему иногда называют трехкаскадным сервок­лапаном. Виброустановкой управляет ЭДП, который определяет ча­стоту вибрации и амплитуду перемещения, меняющуюся за счет из­менения давления гидравлической жидкости. Для нормальной работы гидравлической виброустановки необходимо, чтобы вся система была рассчитана на определенный максимальный расход масла, а ЭДП и ИМ обеспечивали определенное значение максимального переме­щения.

Гидравлические виброустановки позволяют генерировать колеба­ния, форма которых описывается различными функциями времени, соответствующими нагрузке, встречающейся в реальных условиях. Для уменьшения поперечных колебаний поршневого ИМ, его изна­шивания и неравномерности движения используют так называемую гидростатическую опору 8. Подача гидравлического масла к после­дней осуществляется по каналам 9.

К достоинствам гидравлических вибростендов относятся: возмож­ность получения большой вынуждающей силы (до десятков тонн) и широкого диапазона амплитуд перемещений (от долей миллиметров до десятков сантиметров), малые паразитные электромагнитные из­лучения. Недостатками являются: ограниченный диапазон воспроиз­водимых частот виброускорений в области высоких частот (до 1000— 1500 Гц), обусловленный сжимаемостью масла и возможностями сервоклапана; большие по сравнению с электродинамическими виб — роусгановками нелинейные искажения; худшие энергетические пока­затели и невозможность применения в режиме случайной вибрации.

Одним из путей получения горизонтальной вибрации является ис­пользование электродинамических и гидравлических вибростендов, у которых вибростолы при приложении к ним возбуждающей силы сколь­зят по специальным направляющим — полированным и смазанным маслом поверхностям. В качестве таких поверхностей могут исполь­зоваться полированные гранитные плиты. В вибростендах с изменя­емым положением стола, предназначенных для работы в вертикаль­ном и горизонтальном положениях, особо жесткие требования предъявляются к конструкции системы подвески.

Для приближения к реальным условиям эксплуатации целесооб­разно обеспечить широкополосную случайную вибрацию (ШСВ), позво­ляющую лучше моделировать статистический характер вибрации, воз­буждать одновременно все механические резонансы испытуемого изделия и выявлять их взаимные влияния в более короткий срок по сравнению с испытаниями на воздействие синусоидальной вибрации.

Наиболее приемлемым для возбуждения ШСВ является электро­динамический вибростенд. Однако, как отмечалось выше, АЧХ виб­ростенда неравномерна и может изменяться с изменением нагрузки.

В связи с этим оборудование для испытаний на ШСВ должно иметь систему управления, обеспечивающую формирование заданного спектра. При этом возможно применение как разомкнутых, так и замкнутых систем. Разомкнутые системы предусматривают ручное формирование заданного спектра. Однако эти системы требуют пред­варительного снятия АЧХ вибростенда для ее последующего вырав­нивания за счет специальной настройки узкополосных фильтров, де­лящих спектр на ряд параллельных частотных каналов.

Лучшие результаты дают замкнутые системы. Находят примене­ние аналоговые, гибридные и цифровые системы управления ШСВ.

Аналоговая замкнутая система управления автоматически вырав­нивает частотную характеристику при возбуждении широкополосно­го спектра. В данной системе спектр генератора шума также разде­ляется узкополосными фильтрами на ряд параллельных частотных каналов и в каждом из них осуществляется автоматическая регули­ровка усиления.

Определенную сложность в создании автоматизированной систе­мы ШСВ представляет реализация большого числа полосовых задаю­щих и анализирующих фильтров, способных выделять узкие полосы низкочастотного шумового спектра. Возможны два способа построе­ния систем фильтров: с непосредственной фильтрацией и фильтра­цией с переносом частоты в высокочастотную область (гетеродинный метод).

Достоинством непосредственной фильтрации является возмож­ность использования активных RC-фильтров, обеспечивающих рав­номерную разрешающую способность управления и анализа за счет неравномерного распределения полос пропускания по частоте. Не­достатками непосредственной фильтрации являются трудность обес­печения стабильности системы и малое значение коэффициентов пря­моугольное™ АЧХ фильтров.

При фильтрации с переносом частоты в высокочастотную область генератор шума генерирует шумы в области частот 100—102 кГц. Высокочастотный сигнал фильтруется гребенкой узкополосных вы­сокодобротных пассивных кварцевых, магнитострикционных, LC — и других фильтров с одинаковой полосой пропускания и несколько пересекающимися АЧХ соседних каналов. Наличие взаимной корре­ляции между каналами является недостатком, поскольку приводит к искажению генерируемого спектра шумов.

Подобный генератор ШСВ (рис. 7.4) с переносом частоты в высокочастотную область состоит из генератора шума 1, работающе­го в диапазоне низких частот (например, 20—2000 Гц), и генератора 7 высокой частоты (гетеродина), работающего на частоте 100 кГц. Про — модулированный в модуляторе 2 напряжением шума с равномерной спектральной плотностью сигнал высокой частоты подводится к фор­мирующим магнитострикционным фильтрам 3 с постоянной полосой пропускания порядка 25 Гц. Выбор числа фильтров определяет каче­ство воспроизведения спектра. Выравнивание энергетического спек­тра достигается усилителями 4 с регулируемым коэффициентом уси­ления, число которых соответствует числу фильтров. Сумматор 5 формирует сигнал, который в демодуляторе 6 переносится в низко­частотную область. Полученный сигнал поступает на усилитель мощ­ности, обеспечивающий работу вибростенда.

К усилителю мощности вибростенда Рис. 7.4. Структурная схема генератора с переносом частоты

Для уменьшения взаимной корреляции между каналами исполь­зуют схемы с двумя генераторами шума, причем фильтры одного ге­нератора являются нечетными, а другого — четными.

Гибридные цифроаналоговые виброустановки отличаются от анало­говых наличием в системе управления спектром случайной вибрации (АСУ ССВ) цифровой ЭВМ, предназначенной для автоматической коррекции аналоговой системы управления для получения заданно­го спектра случайной вибрации. Включенная в систему ЭВМ опра­шивает данные о реализованных значениях спектральной плотности ускорения (СПУ) на выходе анализирующих фильтров и изменяет коэффициенты передачи отдельных каналов в соответствии с опреде­ленными алгоритмами, обеспечивая, например, минимальные зна­чения погрешностей в полосе частот.

Генератор шума 1 (рис. 7.5) генерирует белый шум, и в блоке формирования 2 формируется спектр. Анализатор спектра 7 состоит из набора анализирующих фильтров. Среднеквадратические значе­ния (или дисперсии при квадратичном детектировании) контролиру­емых параметров вибрации с анализирующих фильтров подводятся к аналого-цифровому преобразователю 9, с выхода которого они вво­дятся в ЭВМ 12. Одновременно в ЭВМ вводится заданное значение спектра 14. Рассчитанные в ЭВМ значения коэффициентов усиления заносятся в специальные регистры и используются для цифрового управления усилителями. Будучи преобразованными с помощью циф­роаналогового преобразователя 8 в аналоговую форму, они использу­ются для управления значениями параметров вибрации, полученны­ми в блоке формирования спектра 2.

Рис. 7.5. Структурная схема гибридной цифроаналоговой виброустановки

Гибридная система позволяет улучшить перераспределение энер­гии между каналами системы, формирующими спектр, и прибли­зить его к заданному. Приближение анализируемого спектра к бело­му шуму достигается за счет многократного повторения образования новой функции управления, а также введения в алгоритм коэффици­ентов, учитывающих «веса» каналов. При этом спектр сигнала, ис-

367

пользуемый для механического возбуждения испытуемого изделия, оказывается более обогащенным спектральными составляющими.

В виброустановках с цифровой системой управления задача полу­чения заданного спектра и обработки информации решается с помо­щью единой алгоритмической базы, что экономит память ЭВМ и увеличивает быстродействие. Цифровой метод воспроизведения ШСВ с заданной спектральной плотностью ускорения складывается из гене­рирования случайного процесса, отождествления (идентификации) мо­дуля передаточной функции изделия | #(/) |2= СПУв(/)/сПУ0(/), используемой в процессе управления, и расчета СПУ скорректиро­ванного процесса преобразования аналоговых процессов в цифровые данные и наоборот.

Наибольшее применение находят два варианта генерирования. В первом генерируемая последовательность ограничена емкостью памяти ЭВМ, поэтому при воспроизведении прибегают к ее цикли­ческому повторению с периодом, равным длине синтезированного отрезка. Получаемый при этом псевдослучайный процесс имеет ли­нейчатый спектр. Во втором варианте генерируются два-три процес­са с разными фазовыми спектрами, которые затем «сшиваются» вое­дино (рис. 7.6).

t

—— — —

Задачей осуществляемого далее спектрального анализа является осреднение ординат выборочных спектров по некоторым полосам ча­стот и использование их для управления. Скорректированный по за-

368

данной спектральной плотности белого шума процесс воспроизво­дится на вибростенде с изделием, и вновь проводится оценка спект­ральной плотности. Таким образом, путем указанной итерационной (неоднократно повторяющейся) процедуры осуществляется настрой­ка спектра случайной вибрации с заданной точностью.

Итак, заданный алгоритм генерирования спектра случайной виб­рации 1 воспроизводится с помощью ЭВМ, и полученный код пре­образуется в цифроаналоговом преобразователе 2 в непрерывное из­менение напряжения, которое подводится к усилителю мощности 3, а затем к вибростенду 4, возбуждающему колебания испытуемого изделия 5 (рис. 7.7).

5 і______________ I Рис. 7.7. Структурная схема цифровой системы

Сигналы с контрольного ВИП б преобразуются аналого-цифро­вым преобразователем 7 в коды ЭВМ 10 и поступают в ее память или на промежуточный накопитель. Реализация выходного случайного процесса, представляющая собой массив чисел, подвергается в ЭВМ спектральному анализу. В соответствии с алгоритмом спектрального анализа 8 проводятся вычисления, позволяющие оценить получае­мый спектр. По заданному алгоритму управления 9 определяется рас­согласование между фактическим и заданным спектрами и рассчиты­ваются корректирующие воздействия на алгоритм генерирования случайного процесса, приводящие к изменению спектральных харак­теристик. Циклы расчетов повторяются до тех пор, пока вычислен­ные оценки спектров не совпадут с заданными. Полученный в ре­зультате алгоритм генерирования случайного процесса преобразуется в цифроаналоговом преобразователе 2 в аналоговый сигнал, кото­рый после усиления в усилителе мощности 3 подводится к вибро­стенду 4.

Создание цифровых систем управления требует разработки алго­ритмов генерирования случайного процесса с управляемыми спект­ральными характеристиками и спектрального анализа.

В последнее время для синтеза и анализа случайных процессов находят применение методы цифровой фильтрации, основанные на алгоритмах прямого и обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ и ОБПФ), использующие спецпроцессоры, которые обеспечивают управление в реальном масштабе времени.

Основными недостатками систем ШСВ являются их высокая тех­ническая сложность и стоимость. Поэтому было предложено при ис­пытаниях использовать системы узкополосной случайной вибрации (УСВ). Для осуществления испытаний, эквивалентных ШСВ, про­водят качание (развертывание) полосы частот А/ в пределах заданного диапазона. Ширина полосы УСВ А/" должна быть меньше эквивален­тной ширины полосы частот резонирующих элементов конструкции. Желательно использовать ширину полосы Af— 3 Гц.