Испытания на воздействие линейных ускорений

7.3.1. Условия испытаний и применяемое испытательное оборудование

Воздействие линейных ускорений на различные изделия в процессе проведения лабораторных испытаний обеспечивается с помощью спе­циальных центрифуг, создающих в горизонтальной плоскости ради­ально направленные ускорения. В зависимости от режима испыта­ний, а также габаритных размеров и массы испытуемых изделий применяют различные центрифуги, входящие в конструкцию соот­ветствующих установок. Следует иметь в виду, что структурные схе­мы установки могут различаться в зависимости от выбора привода, построения системы автоматического регулирования, используемого преобразователя и т. д.

Структурная схема, приведенная на рис. 7.18, отражает общий принцип построения установок линейного ускорения. Основным уз­лом центрифуги является привод 1, который совместно с редуктором 2 определяет ряд значений параметров установки. Полученное вра­щательное движение передается столу (платформе) 4 центрифуги, на котором крепится испытуемое изделие. Для проведения испытания на устойчивость изделия, которое находится под нагрузкой, исполь­зуется токосъемное устройство 5. Линейные ускорения контролиру-

Рис. 7.18. Структурная схема установки линейного ускорения

ются с помощью средства измерений 6, состоящего из преобразова­теля 3 и измерительного прибора 7. Сигналы с измерительного при­бора могут подводиться по цепи обратной связи к системе автомати­ческого управления 8, поддерживающей постоянство заданных режимов испытаний путем воздействия управляющих сигналов на источник питания 9.

Классификацию центрифуг можно проводить по следующим при­знакам:

• по назначению — для испытаний на линейные перегрузки и на комбинированное воздействие факторов окружающей среды;

• по типу привода — с электрическим приводом и с гидравличес­ким приводом;

• по развиваемому линейному ускорению: А — до 200, Б — до 500, В — до 1000, Г — 2000, Д — свыше 2000 м/с2;

• по конструкции — открытого и камерного типа, с неповорот­ным и поворотным столом;

• по грузоподъемности малые — до 10 кг, средние — до 50 кг, тяжелые — до 100 кг и сверхтяжелые — свыше 100 кг.

Основными параметрами, характеризующими центрифуги, яв­ляются следующие:

1. Максимальное линейное ускорение.

2. Диапазон линейных ускорений на заданном радиусе вращения (табл. 7.6).

Типичные линейные ускорения для различных областей применения Таблица 7.6 Ускорение Примечание м/с2 g 49 < а < 98 5<а< Уровень испытаний для изделий, установленных на самолетах. 49 < а < 196 5 < а < 20 Структурный или предельный уровень для изделий, установленных на самолетах, а также для испытаний качества крепления. 98 < а < 980 10 < а < 100 Уровень испытаний для изделий космического назначения. 4900 <а< 29400 500<а<30000 Уровень испытаний на структурную прочность изделий электронной техники.

3. Отклонение линейного ускорения от заданного значения. При линейных размерах изделия менее 10 см оно не должно превышать 10%. В других случаях ускорение должно находиться в пределах от

-10 до +30% заданного значения. Следует иметь в виду, что для из­делий больших габаритных размеров воспроизводимость испытаний имеет более низкий порядок и зависит от относительных размеров изделия и центрифуги.

4. Допустимая величина тангенциального ускорения. В процессе разгона центрифуги наряду с центростремительным ускорением ап возникает и тангенциальное ускорение ах, отсутствующее в большин­стве случаев при реальной эксплуатации. Силы инерции от танген­циальных (касательных) ускорений могут исказить картину испыта­ний, оказывая влияние на функционирование испытуемых изделий. Поэтому установлено, что ах не должно превышать 10% заданного

ускорения, т. е. ах < 0,1 ап.

5. Длительность (или продолжительность) воздействия линейных ускорений в процессе испытаний. При испытаниях наиболее критично действие во время нарастания ускорения тн, поэтому сама длитель­ность т воздействия с заданным линейным ускорением может быть небольшой. В зависимости от условий эксплуатации целесообразно предусматривать форму (закон) изменения линейного ускорения во времени. Наиболее распространены трапецеидальная (рис. 7.19, а) и колоколообразная (рис. 7.19, б) формы. При воспроизведении нагрузки трапецеидальной формы с резким нарастанием (тн) и спа­дом (тс) импульса возникают определенные трудности по обеспече­нию быстрого разгона и торможения.

Рис. 7.19. Формы изменений линейного ускорения

6. Длительность разгона (нарастания) тн и торможения (спада) тс фронта нагрузки. Она должна удовлетворять условию:

где ал — линейное ускорение; R — расстояние от центра вращения центрифуги до контрольной точки, см; п — частота вращения цент­рифуги, мин.-1.

Однако на практике возможны случаи, когда значение тн должно быть существенно меньшим. Тогда для воспроизведения линейных ускорений используют специальные ударные установки, позволяю­щие воспроизводить импульсы длительностью менее 100 мс.

Особенностью испытаний с применением ударных стендов явля­ется невозможность воспроизведения трапецеидального импульса боль­шой длительности с малым временем нарастания и спада. Поэтому в случае, когда (тн+тс)<100 мс, на ударном стенде воспроизводят импульс, имитирующий только эти части формы импульса линейно­го ускорения, а длительное воздействие воспроизводят с помощью центрифуги. В случае, когда сумма времени (тн + тс) > 100, на удар­ном стенде трудно воспроизвести импульс линейного ускорения за один удар и тогда осуществляют два ударных воздействия ударными импульсами, воспроизводящими время нарастания и время спада.

Недостатком испытаний с применением ударного стенда являет­ся невозможность полного воспроизведения формы изменения ли­нейного ускорения на одной установке, что приводит к искажению реальной картины воздействия линейных ускорений при эксплуата­ции изделия из-за его перегрузки, а также увеличивает стоимость и продолжительность самих испытаний за счет дополнительного монта­жа и демонтажа изделий на испытательном оборудовании и средств измерений.

Помимо указанных выше параметров центрифуги в ряде случаев необходимо определять дополнительные ее параметры, значения ко­торых зависят от конструктивного исполнения и качества реализации центрифуги. К таким параметрам относятся: допустимая неравно­мерность ускорения по столу (платформе) центрифуги; допустимое отклонение поверхности стола центрифуги от горизонтальной плос­кости; допустимая вибрация стола; допустимое изменение длины плеча стола при изменении скорости вращения; допустимая неуравновешен­ность в горизонтальной и вертикальной плоскостях относительно цен­тра вращения стола; время непрерывной работы с заданным постоян­ным ускорением; максимальная грузоподъемность, размеры стола.

Кроме перечисленных параметров обычно приводится еще ряд других, характеризующих условия эксплуатации, установочные раз­меры.

Рассмотрим основные конструкции применяемых центрифуг. Простейшая установка для воспроизведения линейных ускорений имеет центрифугу открытого типа с неповоротным столом. В комп­лект установки помимо самой центрифуги входит также стойка 1 с блоками, выполняющими указанные выше функции (рис. 7.20). Стол (платформа) 3 центрифуги приводится во вращение электродвигате­лем 6 через редуктор 5. Стол имеет резьбовые отверстия 4, обеспе­чивающие крепление изделий или приспособлений. Столы должны обладать высокой механической прочностью и жесткостью, исклю­чающей их вибрацию. Для уменьшения аэродинамического сопро­тивления плоскость стола должна быть горизонтальной. Иногда он имеет обтекатели, уменьшающие аэродинамическое сопротивление. Для обеспечения испытаний изделий в рабочем состоянии под элек­трической нагрузкой предусмотрено токосъемное устройство, в кон­струкцию которого входит коллектор 2 с токоподводами, оканчива­ющимися штепсельными колодками. Центрифуги должны иметь приспособления для статической и динамической балансировок.

Рис. 7.20. Установка с центрифугой открытого типа для испытаний на воздействие линейных ускорений

Для испытаний изделий электронной техники наибольшее при­менение получили установки с центрифугами камерного типа, харак­теризующиеся тем, что в них стол (в дальнейшем ротор) размещается в рабочей камере центрифуги. Конструктивно установки с центрифу­гами камерного типа (рис. 7.21) могут быть выполнены совместно и раздельно со стойкой управления приводом. Особенностью указанных центрифуг является необходимость воспроизведения больших значе­ний ускорений, а следовательно, больших чисел оборотов. В связи с этим для уменьшения трения ротора о воздух (в результате чего ротор нагревается) в рабочей камере создается вакуум, а также пре­дусматривается охлаждающий агрегат 3. При выполнении центрифу­ги с приводом и системы управления в едином корпусе (рис. 7.21) изменение линейного ускорения достигается регулированием числа оборотов ротора центрифуги 2 путем изменения частоты питающего напряжения с помощью преобразователя частоты, состоящего из управляемого выпрямителя 1 и автономного инвертора 4.

Рис. 7.21. Установка с центрифугой камерного (закрытого) типа для испытаний на воздействие линейных ускорений

При раздельном выполнении в стойке привода размещены: блок питания 5, блок управления выпрямителем и инвертором 6, усили­тель мощности и задающий генератор. Установки могут иметь авто­матическое и ручное управление частотой вращения ротора, а также приспособления для проведения испытаний в трех взаимно-перпен­дикулярных направлениях.

Установки линейного ускорения, содержащие центрифуги с по­воротными столами, в основном применяются для имитации быст­рого нарастания импульса и синусоидального всплеска перегрузки. Указанные центрифуги позволяют воспроизвести перегрузки без уче­та действия сил инерции, обусловленных касательным ускорением, что достигается с помощью специальных инерционных тел.

Возможно создание программных центрифуг, в которых вращение вала, изменяющееся по заданному закону, воспроизводит входное (управляющее) воздействие. Одним из основных узлов такой цент­рифуги является следящий привод с электродвигателем постоянного тока, имеющий широкий диапазон регулирования угловой скорости и относительно высокий КПД, обеспечивающие плавную регулиров­ку угловой скорости в определенных пределах с заданной точностью.

Система автоматического управления центрифугой включает про­граммирующее устройство, промежуточный и оконечный усилите­ли, элементы обратных связей и приводный (исполнительный) дви­гатель. Такая система позволяет изменять частоту вращения стола центрифуги в соответствии с заданным законом.

Для испытаний изделий в рабочем состоянии под электрической нагрузкой центрифуга должна иметь токосъемное устройство (токосъем­ник), обеспечивающее подведение к испытуемому изделию напряже­ния питания и входных электрических сигналов, а к средствам измере­ния — входных электрических сигналов. В используемых токосъемных устройствах контакт подвижного элемента взаимодействует с неподвиж­ным. Получили применение также трущиеся коллекторные и ртутные токосъемники.

Современные токосъемники должны удовлетворять следующим основным требованиям:

• цепи передачи сигналов и питающих напряжений должны вы­полняться с минимальным числом паек для уменьшения влия­ния контактной термоЭДС;

• при передаче сигналов в нормальных климатических условиях контактная термоЭДС должна быть не более 3 мкВ, а суммар­ное сопротивление контактов не должно превышать 1 Ом; при отклонении температуры на 1°С от нормальной термоЭДС не должна изменяться более чем на 2 мкВ;

• сопротивление изоляции между контактами и корпусом, между соединительными проводами и корпусом должно быть не менее 5-Ю9 Ом;

• емкость между соседними контактами должна быть не более 30 пФ;

• все цепи передачи сигналов к испытуемому изделию и от него к средствам измерения необходимо выполнять экранированным проводом.

К недостаткам контактных коллекторных токосъемников. отно­сятся: нестабильность сопротивления в цепи передачи сигнала, иска­жения сигналов, изменение параметров токосъемников в процессе эксплуатации и т. д. Несколько лучшими характеристиками обладают ртутные токосъемники, обеспечивающие высокую точность и надеж­ность работы при самых разнообразных измерениях. Однако их при­менение ограничивается возможностью испарения ртути.

Для испытаний изделий, требующих воздушного охлаждения, необходимо предусматривать подвод воздуха, а для испытаний СВЧ устройств — подключение волноводного или коаксиального тракта. Расположение трубопроводов, кабелей, волноводных и коаксиаль­ных трактов не должно увеличивать массы испытуемого изделия и влиять на результаты испытаний.

В ряде случаев для проведения испытаний необходимо создание специальных приспособлений для крепления изделий на столе цент­рифуги. При этом следует учитывать ряд требований:

• суммарная масса приспособления и изделия не должна превы­шать грузоподъемности центрифуги;

• жесткость конструкции приспособления должна обеспечивать неискаженную передачу ускорения и исключать возможность возникновения паразитных колебаний;

• центр тяжести приспособления должен совпадать с центром тя­жести изделия;

• приспособление должно обеспечивать возможность испытания при приложении линейного ускорения по трем осям (в соответ­ствии с требованиями ТУ на изделие).

Специфическим для некоторых центрифуг является приспособ­ление, предназначенное для их статической и динамической балан­сировки.