СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ВИБРАЦИИ ПРИ ВИБРОИСПЫТАНИЯХ ОБЪЕКТОВ НА СООТВЕТСТВИЕ ТЕХНИЧЕСКИМ ТРЕБОВАНИЯМ
METHOD FOR DETERMINING THE LEVEL OF IMPACT OF MULTI-COMPONENT VIBRATION DURING VIBRATION TESTING OF OBJECTS FOR COMPLIANCE WITH TECHNICAL REQUIREMENTS

Изобретение относится к области контроля уровня вибронагрузок многокомпонентной вибрации, действующих на объект испытаний (ОИ) в произвольном направлении в процессе его вибронагружения на вибростенде, и оценки их соответствия техническим требованиям (ТТ) на ОИ.
В соответствии с требованиями нормативно-технической документации при проведении виброиспытаний на ОИ последовательно воздействуют вибронагрузкой вдоль его координатных осей (ГОСТ РВ 20.57.305-98. Методы испытаний на воздействие механических факторов).
Вибронагрузка, действующая на ОИ в процессе его вибронагружения на однокомпонентном вибростенде в направлении оси вибратора, является регулируемой. Из-за наличия в динамической системе ОИ - оснастка - вибростенд динамических и статических дисбалансов в направлении, перпендикулярном оси вибратора, на ОИ действуют неуправляемые вибронагрузки, которые по уровню в ряде случаев соизмеримы с регулируемыми вибронагрузками, действующими вдоль оси вибратора. В результате суммирования управляемых и неуправляемых вибронагрузок при вибронагруженни ОИ на него действует многокомпонентная вибрация с разными уровнями вибронагрузок для различных направлений.
ТТ на ОИ ограничивают уровни вибрации, действующие в произвольном направлении, при проведении виброиспытаний. Уровень вибрационного ускорения, действующего на ОИ в произвольном направлении, ограничивается в пространстве эллипсоидом с заданными полуосями, величины которых равны уровням внброускореннй. заданным в ТТ для ортогональных осей ОИ; осевом (X), боковом (Z) и поперечном (У) направлении.
Известен способ определения уровня воздействия многокомпонентной вибрации при виброиспытаниях объектов, реализуемый при работе приспособления для контроля параметров динамического нагружения объектов (патент RU189446, МПК G01M 7/00, 7/02 (2006.01), опубл. 22.05.2О19. Вюл. №15). Приспособление для контроля параметров динамического нагружения содержит первичные измерительные преобразователи (ПИП), оси чувствительности которых сориентированы по трем ортогональным направлениям, снабжено дополнительным ПИП. ось чувствительности которого совпадает с направлением нагружения изделия, накладкой, выполненной с возможностью установки в контролируемом месте изделия и снабженной четырьмя площадками для установки каждого ПИП. Пьезоакселерометры (НИИ) устанавливают в заданном месте объекта, определяют уровни виброускорений, действующих на изделие вдоль его координатных осей и в заданном направлении воздействия, сравнивают определенные уровни виброускорений с заданными в технических требованиях на объект. Данный способ выбран в качестве прототипа.
Для измерения виброускорений, действующих на объект в различных направлениях, при проведении виброиспытаний пьезоакселерометры необходимо устанавливать под разными углами относительно ортогональных осей объекта испытании (ОИ). По результатам измерений строится диаграмма зависимости уровня виброускорений, действующих на 011 от их углового направления. Сопоставляя полученную диаграмму уровней действующих виброускорений с допустимыми в ТТ уровнями, судят о выполнении технических требований.
Получение экспериментальным способом зависимости уровней виброускорений, действующих на ОИ, от их углового направления, представляет собой технически сложную задачу, связанную с применением множества технологических переходников для установки пьезоакселерометров под разными углами к ОИ и большими материальными и временными затратами для проведения таких измерений.
Техническая проблема и технический результат, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в создании простого способа определения уровня воздействия на ОИ многокомпонентной вибрации и оценки соответствия уровня воздействия многокомпонентной вибрации техническим требованиям на ОИ, снижающего временные и материальные затраты.
Технический результат достигается за счет того, что в заявляемом способе определения уровня воздействия многокомпонентной вибрации при виброиспытаниях объектов на соответствие техническим требованиям, включающем определение значений виброускорений, действующих на объект вдоль его координатных осей и в заданном направлении воздействия, сравнение определенных значений виброускорений с заданными в технических требованиях на объект уровнями виброускорений, в отличие от прототипа, при виброиспытаниях объектов в исследуемой плоскости вибронагружения объекта, проходящей через две его координатные оси, совпадающие с вертикальным и горизонтальным направлениями, измеряют среднеквадратические значения (СКЗ) виброускорений, действующих на объект вдоль его координатных осей, СКЗ виброускорений, действующих на объект в заданном направлении воздействия в угловом диапазоне 0-360°, определяют расчетным путем по соотношению
w
G(ϕ) - СКЗ виброускорений, действующих на объект в заданном направлении с угловым направлением ϕ в исследуемой плоскости YZ;
ϕ - угол между координатной осью Z объекта, совпадающей с горизонтальным направлением и осью с заданным направлением воздействия в исследуемой плоскости YZ объекта, проходящей через две координатные оси изделия Y и Z, совпадающие с вертикальным и горизонтальным направлениями соответственно;
y
z
G, G - СКЗ виброускорений, действующих на объект в направлении его координатных осей Y и Z соответственно:
yz
r - статистический коэффициент корреляции, определяемый расчетным путем по одновременно зарегистрированным мгновенным виброускорениям, действующим вдоль координатных осей объекта Y и Z,
затем из соотношения
- испытательный коэффициент;
- коэффициент заданных нагрузок по ТТ.
- СКЗ виброускорений, заданные в ТТ на ОИ в направлении координатных осей Y, Z объекта соответственно,
определяют значение коэффициента Р(ϕ) в угловом диапазоне 0≤ϕ≤360°, при этом, если значение Р(ϕ) для заданною углового направления ϕ меньше или равно единице, делают вывод о том, что технические требования на объект выполняются, а если больше единицы, делают вывод о том, что технические требования на объект не выполняются.
Использование всей совокупности признаков заявляемой формулы изобретения позволяет простым способом, снижающим временные и материальные затраты, определять СКЗ виброускорений, действующих на объект в заданном угловом направлении воздействия и делать вывод о соответствии уровня воздействия многокомпонентной вибрации, действующей на ОИ, техническим требованиям при проведении виброиспытаний.
Изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 приведено изображение эллипсоида в исследуемой плоскости вибронагружения объекта YZ, ограничивающего в соответствии с ТТ в пространстве величину вектора СКЗ виброускорения , действующего на ОИ в заданном направлении ϕ с заданными полуосями, величины которых равны уровням виброускорений , заданным в ТТ для ортогональных осей ОН: поперечном (У) и боковом (2). На фиг. 2 изображен вектор мгновенного виброускорения , действующего на ОИ в заданном угловом направлении ϕ, величина которого определяется как сумма проекций мгновенных векторов виброускорений , действующих на ОИ в его ортогональных направлениях Y и Z, на ось 0-0, имеющую угол наклона ϕ к оси Z. Величина мгновенного вектора  определится как
- величины мгновенных векторов виброускорений .
u
На фиг. 3. и фиг. 4 приведены графики зависимости величины критерия Р(ϕ) для различных величин коэффициента корреляции ryz. испытательного коэффициента K и коэффициента заданных внбронагрузок по ТТ.
w
ϕ
w
w
Так как в ТТ на ОИ нормируется только уровень G(ϕ) для заданного угловою направления (ϕ), для сокращения объема вычислений по зависимости (1) множества временных зависимостей виброускорений от времени W(t), по которым далее определяют значения СКЗ виброускорений G(ϕ) целесообразно G(ϕ) определять аналитически, определив сначала их дисперсию.
Дисперсия случайного вибропроцесса  с учетом основных свойств дисперсии для суммы двух случайных вибропроцессов Z(t) и Y(t), умноженных соответственно на константы cosϕ и sinϕ (В.А. Светлицкий. Случайные колебания механических систем. Москва «Машиностроение», 1976), определяется как
yz
K - статический корреляционный момент между случайными внброускорениями Y(t) и Z(t), действующими на ОИ в его ортогональных направлениях Z и Y.
yz
Для центрированных случайных вибропроцессов, воспроизводимых на вибростендах, K определяется соотношением (В.А. Светлицкий. Случайные колебания механических систем. Москва «Машиностроение», 1976).
- текущие ординаты временных зависимостей виброускорений Y(t) и Z(t), действующих на ОИ в ортогональных направлениях Y и Z;
N - количество ординат для синхронно отквантованных случайных вибропроцессов Y(t) и Z(t).
w
Учитывая, что , СКЗ виброускорений G(ϕ), действующих на ОИ для заданного углового направления ϕ, определится как
yz
r - коэффициент корреляции ;
w
Полученное расчетное соотношение (2) для определения СКЗ виброускорений G(ϕ), действующих на ОИ в заданном угловом направлении ϕ, подтверждено экспериментально.
w
Допустимое по ТТ СКЗ действующего на ОИ виброускорения G(ϕ), ограниченное в плоскости YZ эллипсом (фиг. 1), определяется из его канонического уравнения (М.Я. Выгодский. Справочник по высшей математике. Москва «Наука», 1975), которое применительно к вибронагрузкам, заданным в ТТ, имеет следующий вид:
- заданные в ТТ СКЗ виброускорений, действующих на ОИ в направлениях Y и Z соответственно.
- декартовые координаты вектора  описывающею эллипс в плоскости Y и Z.
Делая замену декартовых координат  на полярные ,  допустимый уровень СКЗ виброускорений  действующих на ОИ для заданного угловою направления ϕ из канонического уравнения эллипса (3) определится как
w
w
Отношение действующих на ОИ вибронагручок с уровнем G(ϕ) к допустимым уровням  определяют значение коэффициента Р(ϕ), получаемого при помощи деления выражения (2) на выражение (4), который определяет соответствие СКЗ уровней виброускорений, действующих на ОИ G(ϕ) техническим требованиям.
Коэффициент Р(ϕ) будет иметь следующий вид
где
- испытательный коэффициент.
- коэффициент заданных вибронагрузок по ТТ.
y
z
yz
Таким образом, измерив СКЗ виброускорений G и G при внбронагружении ОИ и определив коэффициент корреляции r между случайными мгновенными виброускорениями Y(t), Z(t), по соотношению (5) можно провести расчет зависимости величины коэффициента Р(ϕ) для заданного углового направления ϕ.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
Испытуемый объект натружаки на вибростенде вибрационными нагрузками вдоль оси У со СКЗ виброускорений , оговоренным в ТТ на ОИ.
y
z
yz
В процессе вибронагружения, например с помощью системы управления и измерения модели типа LMS (производитель - компания LMS International, Бельгия) измеряют СКЗ виброускорений, действующих на объект вдоль его координатных осей: управляемой вибрации (G) в направлении оси вибратора (Y) и неуправляемой (G) в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Синхронно зарегистрированные и отквантованные временные реализации виброускорений Y(t) и Z(t) далее экспортируют в программное обеспечение (ПО) Microsoft Excel, где выполняют расчет коэффициента корреляции r.
На основании полученных данных по соотношению (2), подтвержденному экспериментально, рассчитывают СКЗ виброускорений Cw(ϕ), действующих на ОИ для заданного направления ϕ, а по расчетному соотношению (5) определяют величину коэффициента Р(ϕ) в угловом диапазоне 0≤ϕ≤360° и по которому судят об их соответствии действующей на ОН многокомпонентной вибрации техническим требованиям на ОИ. Если значение Р(ϕ) меньше или равно единице для заданного углового направления ϕ, делают вывод о том, что технические требования на объект выполняются, а если больше единицы, делают вывод о том, что технические требования на объект не выполняются.
w
Далее ОИ переустанавливают на вибростенде и вибронагружение проводят вдоль его осп Z и аналогично определяют уровни СКЗ виброускорений G(ϕ) и Р(ϕ).
yz
u
тт
На фиг. 3 и фиг. 4 приведены графики зависимости величины критерия Р(ϕ) для случаев вибронагружения ОИ: когда коэффициент корреляции r при вибронагружении объекта имеет различные значения 0, 0.5 и 1.0 для случаев, когда испытательный коэффициент K равен 0.5 и 1,0 при коэффициенте заданных вибронагрузок К, равном 1.0.
w
Использование расчетного соотношения (2) для определения СКЗ виброускорений G(ϕ), действующих на ОИ в заданном направлении (ϕ) и величины коэффициента Р(ϕ), определяемого расчетным соотношением (5), упрощает процесс определения уровня воздействия многокомпонентной вибрации и позволяет простым способом, снижающим временные и материальные затраты, определять СКЗ виброускорений, действующих на объект в заданном угловом направлении воздействия и делать вывод о соответствии уровня воздействия многокомпонентной вибрации, действующей на ОИ, техническим требованиям при проведении виброиспитаний.