СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ СИЛЬФОННЫХ БАКОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
MECHANICAL TESTS FOR BELLOWS TANKS

В монотопливных двигательных установках отечественных космических аппаратов (КА) уже на протяжении нескольких десятков лет успешно применяются блоки хранения и подачи топлива (БХП) на основе сильфонных баков. Объем наземной экспериментальной отработки и приемных испытаний оборудования КА на механические воздействия включает испытания на линейные, вибрационные, ударные воздействия. Режимы нагружения формируются из анализа условий эксплуатации оборудования, его массы и местоположения на КА.
При проведении испытаний на механические воздействия различного оборудования первым этапом испытаний является процедура определения собственных частот конструктивных элементов такого оборудования по анализу амплитудно-частотных характеристик (АЧХ). Методика проведения таких испытаний хорошо отлажена и для большинства конструкций не представляет особых проблем.
Обычный метод построения АЧХ состоит в том, что в исследуемом образце с помощью вибраторов возбуждаются колебания и измеряется функция динамических перемещений в некоторой точке конструкции. Обычно динамическая реакция определяется с помощью акселерометра, в результате чего получают зависимость ускорения от частоты (Демпфирование колебаний. А.Нашиф и др. М.: Мир, 1988. Стр. 190) - прототип.
Для определения собственных частот различного оборудования обычно применяются испытания по методу качающейся частоты (испытания методом плавного изменения частоты). Испытательная техника. Справочник в 2-х т./ Под ред. Клюева В.В., т.2. М.: Машиностроение, 1982, стр.286-289.
Несмотря на достаточную простоту такого способа испытаний его применение для определения собственных частот конструктивных элементов баков, внутри которых имеются сильфоны с жидкостью, требует достаточно аккуратного подхода. Одним из параметров, который используется при проведении испытаний, является скорость сканирования частоты. Существующие стандарты (например, стандарт европейского космического агентства "Space engineering Testing. ECSS-E10-03A") рекомендуют использовать скорость сканирования при испытаниях 2-4 окт/мин. Но для сильфона, заполненного жидкостью, такой формальный подход недопустим, т.к. наличие в сильфоне большой массы жидкости делает его достаточно инерционным. Это приводит к тому, что при относительно высокой скорости сканирования (например, 2 окт/мин) резонансы в области минимальных значений частоты не успевают развиться, что ошибочно принимается при анализе таких виброграмм за отсутствие резонансов в этом частотном диапазоне вообще. В дальнейшем этот частотный диапазон ошибочно может быть исключен из испытаний, как не представляющий опасности для работы бака.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, что позволит более точно определять собственные частоты различных баков и в дальнейшем более качественно проводить испытания оборудования на механические воздействия.
Решение этой задачи достигается тем, что при определении собственных частот сильфона и корпуса бака испытания по методу качающейся частоты проводят в несколько этапов с уменьшением скорости сканирования от рекомендуемой нормативной документацией до минимальных значений, обеспечиваемых испытательным оборудованием, после чего определяют максимальную скорость сканирования для испытаний по методу качающейся частоты, при которой выявляют минимальные собственные частоты сильфона, далее формируют режимы испытаний бака с сильфоном, устанавливая диапазоны испытаний на гармоническую и случайную вибрацию, и проводят испытания баков.
Суть заявляемого изобретения может быть пояснена следующим образом.
При проведении испытаний по определению собственных частот бака на рекомендуемых значениях скорости сканирования частот выше 2 окт/мин (по рекомендациям стандарта ECSS-E10-03A) в силу большой инерционности и повышенных демпфирующих свойств сильфона с жидкостью для развития резонансов в низкочастотной области требуется достаточно большое время нагружения. При высоких скоростях прохождения октавного диапазона «раскачать» жидкость в сильфоне не удается, и складывается впечатление, что первые резонансы находятся в более высокочастотной области. Существующие стандарты (тот же ECSS-E10-03A") позволяет проводить испытания, начиная с диапазона в 1,5-2 раза ниже первой собственной частоты объекта испытаний. Т.е. если первая обнаруженная собственная частота будет равна 30 Гц, то при формировании режимов испытаний нижняя частота может составить 15-20 Гц и наиболее опасный диапазон нагружения сильфона (например, 10 Гц) будет пропущен. Как известно, перемещение обратно пропорционально квадрату частоты, и максимальные напряжения возникают в зоне максимальных деформаций. Т.е. опасный диапазон нагружения будет пропущен при испытаниях на прочность. Проведение испытаний по предлагаемой методике позволяет исключить пропуск нижних собственных частот. Для этого испытания начинают с минимальной скорости сканирования (как правило, современные цифровые системы управления позволяют начинать испытания со скорости сканирования 0,2-0,3 окт/мин). После обнаружения низшей собственной частоты скорость сканирования увеличивают до значений, при которых эта частота исчезает. Таким образом, устанавливаются допустимые диапазоны частоты сканирования. Эти данные позволяют правильно сформировать режимы испытаний: установить необходимые диапазоны испытаний на гармоническую и случайную вибрацию, что существенно повышает качество испытаний.
Пример практического исполнения
При проведении доводочных испытаний бака хранения и подачи горючего (БХП) на механические воздействия произошло разрушение сильфонов двух баков (по внешнему сварному шву гофра). При этом разрушение произошло не в околошовной зоне, как это обычно бывает, если шов качественный, а непосредственно по шву, что указывает на недостаточное качество соединения. Необходимо отметить, что в данной конструкции бака сварные соединения являются критическим элементом, определяющим прочность всей конструкции, так как толщина свариваемых деталей мала, а общая длина швов достигает сотен метров. Однако все поставленные для комплектации БХП баки успешно прошли приемочные испытания на заводе-изготовителе.
Для установления причины разрушения сильфонов баков, формирования режимов квалификационных и приемочных испытаний были проведены дополнительные испытания двух БХП на механические нагрузки.
На фиг.1 показана принципиальная схема БХП. Бак состоит из цилиндрического корпуса 1 со сферическими днищами 2. С одной из сторон по торцу цилиндра 1 приварен сильфон 3. На свободном торце сильфона установлено фторопластовое кольцо 4, обеспечивающее скольжение сильфона по корпусу 1 в осевом направлении, но ограничивающее его перемещение в боковых направлениях. Между корпусом и сильфоном имеется минимальный зазор 5. Со стороны фторопластового кольца 4 в сферическом днище образована газовая полость 6. Сильфон при испытаниях заполнен имитатором топлива (водой) - 7. На фиг.2 показаны места установки акселерометров на корпусе бака для регистрации ускорений при проведении вибрационных испытаний (точки без индексов означают регистрацию ускорений в трех направлениях).
Частотные испытания БХП с заполненным баком, проведенные со скоростью сканирования 2 окт/мин, показали отсутствие резонансных частот до 17 Гц (фиг.3, график "a"). Таким образом, согласно общепринятым методикам проводить вибрационные испытания можно с частоты 10 Гц.
Такой подход был реализован на заводе-изготовителе бака при проведении контрольно-выборочных и приемных испытаний. В то же время при изготовлении БХП испытания проводились с 5 Гц при скорости сканирования меньше 1 окт/мин, и было обнаружено разрушение бака. После чего были проведены испытания на различных режимах и установлено, что (фиг.3, график "b") при уменьшении скорости прохождения низкочастотного диапазона до 0,5 окт/мин в частотном диапазоне 7-8 Гц появился резонанс (увеличение амплитуды колебаний в 2-4 раза), который на графике "a" отсутствует. Исчезает резонансный пик на частоте 7-8 Гц после увеличения скорости сканирования до 1 окт/мин. Резонансные частоты от 17 Гц обнаруживаются и на скорости сканирования в 2-4 окт/мин.
Отсюда становится понятно, что непосредственной причиной разрушения сильфона были вибрационные нагрузки в низкочастотной области (до 10 Гц), воздействующие на участки швов сильфона с недостаточным качеством сварки.
Так как вибрационные воздействия в диапазоне частот до 10 Гц не используются при квалификационных, приемочных и контрольно-выборочных испытаниях (КВИ) бака на заводе изготовителе, то дефекты сварки на этих испытаниях не выявлялись, а дефекты сварки швов выявились только на этапе испытаний БХП.
Далее были сформированы режимы испытаний на гармоническую вибрацию и режимы широкополосной случайной вибрации:
- при проведении приемочных испытаний и КВИ бака на заводе-изготовителе для надежного выявления дефектов сварки сильфона целесообразно использовать испытания на гармоническую вибрацию в низкочастотном диапазоне от 5 до 100 Гц (но не менее чем 5-20 Гц) по методу качающейся частоты со скоростью сканирования не выше 0,5-0,6 окт/мин;
2
2
- на заводе-изготовителе БХП при приемочных испытаниях целесообразно применять широкополосную случайную вибрацию с уровнями 0,05-0,07 g/Гц (диапазон частот 20-2000 Гц), а при квалификационных испытаниях - гармоническую вибрацию в низкочастотном диапазоне и широкополосную случайную вибрацию с уровнями до 0,2 g/Гц (диапазон частот 20-2000 Гц).