Стенд для испытаний на ударные воздействия
STAND FOR IMPACT TESTING

Данное изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам для испытаний на ударные воздействия различных приборов и оборудования.
На сегодняшний день существуют различные стенды для испытаний на ударные воздействия, воспроизводящие ударные импульсы с помощью вибрационных электродинамических стендов, стендов с падающими столами, пиротехнических, пневматических и т.д. (Вибрации в технике: Справочник в 6 томах. М.: Машиностроение т.5. Измерения и испытания, под ред. М.Д. Генкина 1981 г. стр. 476-477) (аналоги). Использование конкретных типов стендов в каждом случае испытаний зависит от типа воспроизводимой нагрузки. В настоящее время наибольшее применение при испытаниях аппаратуры и оборудования находят системы на базе механических (копровых) стендов (баллистических, с падающими столами и т.д.).
Наиболее близким устройством является решение - «прототип» (Круглов Ю.А., Туманов Н.А. Ударовиброзащита машин и оборудования. Л.: Машиностроение, 1986, стр. 151). Это копровый двухкомпонентный маятниковый стенд, состоящий из подпружиненной платформы, с которой маятники соударяются через программаторы, реализующие заданный закон воздействия. Ударное движение в таких стендах гасится с помощью упоров и демпферов.
Однако данный стенд имеет ряд существенных недостатков при использовании его для испытаний по методу ударных спектров ускорений, т.к. стенд (в зависимости от используемого крешера) ориентируется, в первую очередь, на создание одиночных ударных импульсов (чаще всего в форме полуволны синусоиды). Это влечет за собой значительное увеличение амплитуды ударного импульса (до 3 раз) по сравнению с затухающей нестационарной вибрацией, являющейся откликом на внешнее ударное воздействие в системе (например, ударное воздействие на аппаратуру космических аппаратов). Кроме того, при использовании данного типа стендов для создания ударных воздействий по трем взаимно перпендикулярным направлениям приходится использовать достаточно громоздкую оснастку. Для обеспечения ударного нагружения в плоскостях, не перпендикулярных плоскости стола, используются различные пространственные конструкции: уголки, Т-образные конструкции с подкрепляющими косынками и т.д. Причем жесткость оснастки (ее собственные частоты) должна быть существенно выше жесткости объекта испытаний, чтобы не влиять на режимы нагружения объекта испытаний. Соответственно увеличивается масса системы «оснастка + объект испытаний», в которой существенно снижается допустимая масса испытуемого оборудования (все стенды имеют ограничения на допустимую нагрузку, включающую массу оснастки и объекта испытаний).
Техническим результатом данного изобретения является возможность уменьшить габариты стенда, а также обеспечить более точное воспроизведение ударной нагрузки, создавая ударное воздействие одновременно по трем взаимно перпендикулярным направлениям (при реальном воздействии нагрузки действуют одновременно по всем трем направлениям). Это позволит качественней проводить испытания приборов и оборудования на ударные воздействия, исключая повышенное воздействие на приборы как по амплитуде, так и по количеству ударов.
Указанная цель достигается тем, что стенд состоит из силового каркаса в виде прямоугольной рамы на ножках с продольными направляющими для установки через амортизаторы подпружиненной платформы, выполненной в виде квадратной резонансной плиты, поперечная собственная частота которой соответствует частоте перехода на требуемом ударном спектре ускорений, и рамы для крепления маятника с бойком, состоящим из стержня с профилированным торцом и резьбой, для установки и фиксации дополнительных грузов, причем на резонансной плите в месте максимального отклика установлена дополнительная плита в виде параллелепипеда, стороны которого параллельны сторонам резонансной плиты, предназначенная для закрепления на ее поверхности объекта испытаний, а на торцах дополнительной плиты - контрольных регистрирующих датчиков по трем взаимно перпендикулярным направлениям, а сама резонансная плита не менее чем по двум сторонам установлена на амортизаторы, которые перпендикулярны ее плоскости и занимают не более половины длины каждой стороны, причем по торцам резонансной плиты в ее плоскости установлены фиксаторы-ограничители из упругого материала, жесткость которых не менее чем на порядок меньше жесткости амортизаторов, при этом дополнительная плита установлена от противоположной стороны относительно места крепления маятника на расстоянии от половины до одной четвертой длины стороны резонансной плиты, кроме того на резонансной плите в узел формы колебаний установлен крешер, профиль которого совпадает с профилем торцевой части стержня бойка.
Крешер должен быть установлен на таком расстоянии от дополнительной плиты, чтобы при ударном воздействии на него бойка с грузами не происходило касания с дополнительной плитой.
Сами амортизаторы резонансной плиты могут быть выполнены из резинометаллической трубы.
Сущность заявляемого решения может быть пояснена следующим образом. В настоящее время требования на аппаратуру задаются, как правило, в виде ударных спектров ускорений (УСУ), а большинство ударных стендов ориентировано на создание классических одиночных импульсов ускорений, особенно при необходимости создания ударных воздействий повышенной интенсивности, когда применение электродинамических стендов для формирования УСУ практически невозможно. При получении необходимого УСУ с помощью одиночного импульса амплитуда ускорений существенно возрастает по сравнению с нестационарной вибрацией, имеющей близкий УСУ (до трех раз). Кроме того, создаваемая в месте установки объекта испытаний нестационарная вибрация больше соответствует «физике» нагружения реального оборудования, например, в составе космических аппаратов (после срабатывания пиротехнических устройств отклики в местах установки оборудования фиксируются в виде нестационарной вибрации). Формирование ударных воздействий (например, в виде ударного спектра ускорений) одновременно по трем направлениям за одно ударное нагружение снижает (по крайней мере, в три раза) необходимое количество ударов на объект испытаний.
Формирование нестационарной вибрации, обеспечивающей требуемые ударные спектры ускорений, выполняется следующим образом. Сначала в зависимости от необходимой частоты перехода (это частота, на которой происходит перегиб кривой УСУ) подбирают необходимую плиту. Необходимый ударный спектр ускорений на объекте испытаний получают за счет отклика плиты на резонансных частотах. Предварительный подбор собственной частоты плиты проводят расчетным путем (например, с использованием метода конечных элементов), а затем эту частоту уточняют при испытаниях.
В качестве примера рассмотрим требуемый ударный спектр ускорений, приведенный в таблице 1. Частота перехода здесь составляет 1000 Гц. Этот УСУ задан в виде прямых линий при логарифмическом масштабе по частоте и амплитуде ускорений и вычислен при добротности Q=10 (величина демпфирования в этом случае составляет 5% от критического демпфирования).
Необходимое ударное воздействие создают на металлической плите. Для обеспечения равномерного нагружения по двум направлениям в плоскости плиты по осям X, Y (ось Z перпендикулярна плоскости плиты) плиту выбирают квадратной, а необходимую частоту перехода обеспечивают за счет размеров, толщины и материала плиты. Расчетным путем, например, с использованием метода конечных элементов строят модель алюминиевой плиты размером 1 м × 1 м, толщиной 30 мм для получения ее собственных частот и форм колебаний.
Суть заявленного решения поясняется чертежами, где на фиг. 1-3 показаны собственные формы колебаний плиты на частотах ~940 Гц, 996 Гц, 1050 Гц.
Как видно из фиг. 1-3, на собственных частотах в районе 1000 Гц возбуждаются как симметричные, так и кососимметричные формы колебаний. Что говорит о возможности проведения ударного нагружения сразу по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Эта возможность реализована в стенде для проведения испытаний на ударные воздействия, показанном на фиг. 4.
Стенд (фиг. 4) состоит из силового каркаса, выполненного из замкнутых профилей 1, и включает в себя горизонтальную раму 2 на ножках 3 с продольными направляющими 4 для установки через амортизаторы 5 платформы, выполненной в виде резонансной плиты 6, и вертикальную П-образную раму 7 для установки маятника 8 с бойком 9. На резонансную плиту 6 устанавливают дополнительную плиту 10, выполненную в виде параллелепипеда. На дополнительную плиту 10 устанавливают объект испытаний 11 и контрольные акселерометры по каждой из трех взаимно перпендикулярных плоскостей 12. На резонансной плите 6 также устанавливают крешер 13. По торцам резонансной плиты 6 установлены фиксаторы-ограничители 14.
Стенд работает следующим образом. На резонансную плиту 6 устанавливают дополнительную плиту 10 с объектом испытаний 11 и акселерометрами 12. Маятник 8 с бойком 9 поднимают на необходимую высоту и отпускают. После соударения бойка 9 с крешером 13 в плите возбуждаются на резонансных частотах симметричные и кососимметричные формы колебаний дополнительной плиты 10 с объектом испытаний. Возникающие ускорения в каждом из трех взаимно перпендикулярных направлениях регистрируются акселерометрами 12. Затем по зарегистрированным мгновенным значениям ускорений получают ударные спектры ускорений.
Требования, представленные в таблице 1 (одновременное ударное нагружение объекта испытаний по каждой из трех осей взаимно перпендикулярных осей), реализуются следующим образом.
В направлении, перпендикулярном плоскости резонансной плиты, нужную величину ускорений и требуемый ударный спектр ускорений получают за счет нагружения резонансной плиты. Этого достигают за счет массы бойка: для чего на стержень с резьбой устанавливают и фиксируют дополнительные грузы, а также за счет высоты, на которую маятник отклоняют. Профилированный торец стержня создает необходимую форму ударного импульса и обеспечивает центрирование удара при соударении с крешером (профили бойка и крешера совпадают). П-образная рама позволяет получать нужную скорость.
Для обеспечения возбуждения максимальных кососимметричных форм колебаний вводят амортизаторы вдоль сторон резонансной плиты. Установленные вдоль стороны резонансной плиты фиксаторы-ограничители не занимают более ее половины, что также обеспечивает возбуждение кососимметричных форм колебаний резонансной плиты (жесткость фиксаторов-ограничителей и область их установки определяют экспериментальным путем). На резонансной плите устанавливают также дополнительную плиту в виде параллелепипеда. Дополнительная плита также предназначена для возбуждения кососимметричных форм колебаний резонансной плиты. Все вместе приводит к возбуждению форм колебаний, обеспечивающих необходимый ударный спектр по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Это хорошо видно на фиг. 5, 6.
Выполнение дополнительной плиты в виде параллелепипеда, стороны которого параллельны сторонам резонансной плиты, позволяет устанавливать на торцах контрольные регистрирующие датчики по трем взаимно перпендикулярным направлениям (например, в любом из углов параллелепипеда). На дополнительную плиту закрепляют объект испытаний. Расположение крешера в узле формы колебаний обеспечивает максимальное перемещение объекта испытаний за счет сложения симметричных и кососимметричных форм колебаний сразу по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Кроме того, крешер устанавливают на резонансной плите в узел формы колебаний на расстоянии от дополнительной плиты, равном полутора диаметрам цилиндрических грузов, закрепленных на стержне бойка (это обеспечивает свободный ход бойка до соударения с крешером).
По торцам резонансной плиты в ее плоскости устанавливают фиксаторы-ограничители из упругого материала, жесткость которых не менее чем на порядок меньше жесткости амортизаторов, что позволяет фиксировать резонансную плиту при испытаниях, но не оказывать серьезного влияния, ни на жесткость системы, ни на формы колебаний (изменение жесткости на 10% приводит к изменению собственной частоты менее, чем на 5%).
Использование в качестве амортизаторов резинометаллических труб позволяет получать нелинейные амортизаторы (сначала деформируется резиновый слой, затем металл), жесткость которых легко регулировать как за счет применения резинометаллических труб различного диаметра, так и их длины. Кроме того, такие амортизаторы легко устанавливают на силовом каркасе.
Пример практического исполнения.
Для испытаний «Бортового комплекса анализатора помех» (БКАП) на режимах, предусмотренных таблицей 1, разработан стенд со следующими параметрами.
Стенд показан на Фиг. 4. Резонансная алюминиевая плита 6 размером 1 м × 1 м, толщиной 30 мм. Масса бойка с дополнительными грузами - 9,2 кг, материал алюминий, диаметр - 45 мм. На фиг. 4 показана установка БКАП (объект испытаний) 11 на дополнительной плите, выполненной в виде квадрата с размерами 150×150×20 мм, установленной на расстоянии 200 мм от края резонансной плиты, противоположного стороне, где размещен маятник. Материал - алюминий. На дополнительной плите установлены регистрирующие датчики 12. Тип датчиков АР31, диапазон измерений по амплитуде ±20000g, по частоте 0,5+20000 Гц. Амортизаторы 5 изготовлены из армированных резиновых цилиндров диаметром 18,5 мм. На резонансной плите 6 также установлен крешер 13. Расстояние от центра крешера до стороны дополнительной плиты – 50 мм.
На Фиг. 7 показан пример графиков ударного спектра ускорений в каждом из трех взаимно перпендикулярных направлений.
Как видно из представленного графика, требования таблицы 1 выполнены с допустимой погрешностью.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленного объекта.