СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ КОНСОЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДИНАМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

Полезная модель относится к области испытательной техники, в частности, к конструкции стендов для однонаправленных испытаний на выносливость консольных конструкции типа лопасти или удлиненного стержня. Принцип работы стендов основан на возбуждении изгибных колебаний конструкции на резонансной частоте, обычно на первом тоне колебаний. Достоинством испытания на резонансной или околорезонансной частоте является значительное сокращение длительности испытаний по сравнению с альтернативным повторно-статическим способом нагружения и резкое уменьшение требуемого усилия вибровозбудителя.
Наиболее близким к предлагаемой модели является стенд для испытаний на выносливость динамическим способом крыльев самолета (см. Усталостная прочность и долговечность самолетных конструкций. Сб. статей. М., Машиностроение, 1965 г., стр.253), который принят за прототип. Стенд для испытаний на выносливость консольных конструкций динамическим способом содержит силовую опору для крепления испытываемой консольной конструкции, вибровозбудитель для возбуждения вынужденных изгибных колебаний на резонансной частоте, систему измерения параметров и управления. Все названные признаки присутствуют и в предлагаемом техническом решении.
Недостатком стенда, принятого в качестве прототипа, является то, что при испытании длинных гибких конструкций частота собственных колебаний конструкции низкая и может выходить из диапазона частот, развиваемых вибровозбудителем. В том же случае, когда при низкой собственной частоте возможности вибровозбудителя допускают проведение
испытаний, их длительность оказывается значительной, что снижает эффективность перехода к резонансному методу испытаний.
Предлагаемой полезной моделью решается техническая задача увеличения частоты собственных колебаний и ускорения испытаний без изменения номера тона колебаний.
Для достижения названного технического результата предлагаемый стенд для испытаний консольных конструкций на выносливость динамическим способом, содержащий силовую опору для крепления испытываемой консольной конструкции, вибровозбудитель и систему измерения параметров и управления режимом нагружения, содержит силовозбудитель (например, гидроцилиндр) и гибкую связь, выполненные с возможностью приложения продольного растягивающего усилия от силовозбудителя к выбранному сечению испытываемой конструкции.
Кроме того, дополнительно, для получения требуемого распределения напряжений в испытываемой конструкции:
- гибкая связь может быть выполнена с возможностью приложения продольных растягивающих усилий одновременно к нескольким выбранным сечениям консольной конструкции, то есть, гибкая связь может иметь несколько податливых на растяжение ветвей по числу нагруженных сечений или выполнена в виде рычажной системы;
- силовозбудителей с гибкими связями, может быть несколько, количество которых выбрано, исходя из необходимого количества сечений, к которым прикладываются продольные растягивающие усилия (в этом случае не требуется рычажная система).
Приложение продольных растягивающих сил в нескольких сечениях целесообразно также в том случае, когда усилие достаточно велико и прочность одного сечения недостаточна.
Как известно из теории колебаний (см. Под ред. Биргера И.А. Прочность. Устойчивость. Колебания. Т.3. Машиностроение, 1968 г), постоянное по величине растягивающее продольное усилие увеличивает
собственную частоту изгибных колебаний стержня, а сжимающее уменьшает. Растягивающее усилие в предлагаемом решении прикладывается с помощью гибких связей (например, тросов или резиновых шнуров), т.е. связей, не препятствующих поперечным колебаниям испытываемой конструкции. Величина растягивающего усилия определяется путем проведения расчетов частоты и формы колебаний конструкции с последующей экспериментальной проверкой и уточнением при испытаниях. Продольное растягивающее усилие может прикладываться в нескольких точках конструкции одним общим или несколькими силовозбудителями.
Отличительными признаками предложенного стенда является наличие силовозбудителя и гибкой связи, выполненных с возможностью приложения продольного растягивающего усилия к выбранному сечению испытываемой конструкции, а также то, что гибкая связь может быть выполнена с возможностью приложения продольных растягивающих усилий одновременно к нескольким выбранным сечениям одним силовозбудителем или несколькими силовозбудителями с гибкими связями, количество которых выбрано, исходя из необходимого количества сечений, к которым прикладываются продольные растягивающие усилия.
Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными признаками (прототип), достигается следующий технический результат. Увеличивается частота собственных колебаний консольной конструкции. В результате увеличивается частота нагружения при испытаниях и сокращается длительность испытаний. Если исходная частота собственных колебаний находится ниже рабочего диапазона вибровозбудителя, она может быть увеличена до требуемого значения. При приложении нескольких продольных растягивающих усилий достигается заданное распределение напряжений в нескольких сечениях конструкции. Создается комбинированное нагружение испытываемой конструкции изгибом и растяжением. Также достигается возможность приложения
продольного усилия значительной величины, для которого прочность одного сечения в концевой части конструкции недостаточна.
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации не обнаружено решений, использующих продольное усилие посредством гибкой связи для изменения частоты собственных колебаний испытываемой конструкции, следовательно, данное техническое решение соответствует критерию "новое".
Предложенное решение может найти применение в испытательном оборудовании, используемом в машиностроении, ветроэнергетике, строительстве и т.д., т.е. в случаях, когда требуется определять экспериментально ресурс конструкций типа удлиненных консольных стержней, а, следовательно, соответствует критерию "промышленно применимо".
Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1-3.
На фиг.1 изображен стенд для испытаний для испытаний консольной конструкции на выносливость динамическим способом на резонансной частоте, содержащий силовозбудитель и гибкую связь для приложения растягивающего продольного усилия к одному сечению испытываемой консольной конструкции.
На фиг.2 изображен стенд с силовозбудителем, гибкой связью и рычажной системой для приложения усилия одновременно к двум выбранным сечениям конструкции.
На фиг.3 изображен стенд с двумя силовозбудителями и гибкими связями для приложения растягивающего усилия к двум выбранным сечениям конструкции.
Изображенный на фиг.1 стенд для испытания консольных конструкций на выносливость динамическим способом, состоит из силовой опоры 1 для закрепления консольной конструкции 2, вибровозбудителя 3, системы измерения параметров, состоящей из тензодатчиков 4, тензоиндикатора 5 и управляющего устройства 6, системы управления испытаниями 7,
силовозбудителя - гидроцилиндра 8 с насосной станцией 9 и гибкой связью 10.
На фиг.2 изображена дополнительно рычажка 11, а на фиг.3 показаны два силовозбудителя 8 с со своими гибкими связями 10.
Приведенный на фиг.1 стенд работает следующим образом. Испытываемая конструкция 2 закрепляется на опоре 1. В нескольких сечениях по длине конструкции 2 наклеиваются тензодатчики 4, присоединяются вибровозбудитель 3, гибкая связь 10, силовозбудитель 8 для создания продольного растягивающего усилия. К силовозбудителю 8 подсоединяется насосная станция 9. Вибровозбудитель 3, силовозбудитель 8 и насосная станция 9 соединяются с системой управления испытаниями 7 (силовозбудитель 8 может быть и не соединен с системой управления 7). К системе управления испытаниями 7 через управляющее устройство 6 и тензоиндикатор 8 присоединяются тензодатчики 4. Производится статическая силовая тарировка тензодатчиков 4 путем изгиба конструкции 2 поперечными силами. При этом устанавливается зависимость между показанием тензодатчиков 4, установленных в сечениях конструкции 2, и величинами изгибающих моментов в тех же сечениях (тарировочные коэффициенты). Производятся частотные испытания конструкции 2. С помощью системы управления испытаниями 7 силовозбудителем 8 создается продольное растягивающее усилие, прикладываемое через связь 10 к конструкции 2. Включается вибровозбудитель 3 (при малой величине развиваемого усилия). Плавно меняя частоту работы вибровозбудителя 3, подбирают резонансный режим нагружения с максимальным коэффициентом усиления. Величину нагрузки в испытываемой конструкции 2 при этом контролируют по показаниям тензодатчиков 4. Увеличивают нагрузку, развиваемую вибровозбудителем 3, до получения требуемых амплитуд изгибающих моментов в сечениях конструкции 2, и производят испытания с автоматическим поддержанием режима нагружения.
Аналогично происходит работа стендов, показанных на фиг.2 и 3. При этом величина нагрузок, прикладываемых к каждому сечению, рассчитывается предварительно.
Работа стенда проверена путем испытаний на выносливость лопасти ветроэнергетической установки длиной 2020 мм. Величина изгибающего момента в сечениях лопасти измерялась с помощью тензодатчиков. Колебания создавались вибровозбудителем ВЭДС-100Б (3). Использовались тензоиндикатор 1526 (5) и управляющее устройство 1544 (6). Продольное растягивающее усилие создавалось электрогидравлическим цилиндром 8 и прикладывалось к концу лопасти через гибкий трос 10. Исходная частота собственных колебаний была равна 6.22 Гц. При величине усилия 3800 H частота собственных колебаний лопасти увеличилась до 9.03 Гц. При этом эпюра изгибающего момента достаточно точно совпала с требуемой в программе испытаний.