УСТРОЙСТВО ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ СИЛОВОЗБУДИТЕЛЯ

Область применения устройства для крепления силовозбудителя при проведении наземных частотных (резонансных) испытаний (НЧИ) - авиастроение, ракетостроение, машиностроение, атомная энергетика и др.
Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и предназначена для обеспечения заданного внешнего воздействия в виде гармонических колебаний на объект испытаний и обеспечения приемлемых граничных условий при измерениях динамических характеристик механических конструкций путем проведения наземных частотных (резонансных) испытаний.
Традиционно российские авиационные и ракетные исследовательские предприятия при проведении НЧИ образцов натурных ЛА для возбуждения колебаний их агрегатов в горизонтальной плоскости (по оси OZ) использовали электродинамические силовозбудители, закрепленные на тяжелых силовых плитах. Такие сборки вывешиваются на длинных тросах для обеспечения очень низких значений собственных частот колебаний («маятниковых» колебаний) системы возбуждения по сравнению с собственными частотами испытываемой конструкции, в том числе колебаний ее как твердого тела (на подвеске). Как правило, длина такого маятника равна 6÷10 м.
Традиционно при возбуждении колебаний в требуемых плоскостях используются следующие основные схемы присоединения силовозбудителя к объекту испытаний (Shaker excitation tutorial. Considerations and Problems. Young Engineer's Program - IMAC 2001. - Structural Dynamics Research Laboratory. University of Cincinnati (Cincinnati, Ohio 45221-0072 USA), 2001. - c. 20, 25. Белый Н.Г., Каурова Н.Ф. Экспериментальная техника и методы вибрационных испытаний конструкций летательных аппаратов (по материалам иностранной печати). Обзоры. Переводы. Рефераты. №431. - Издательский отдел ЦАГИ, 1973. - с. 67, 70-71):
- с применением стойки с сейсмическим подвесом («кроватки»),
- использование кран-балки с вывешиванием сборки: силовозбудитель, закрепленный на стальной плите.
Усилие от силовозбудителя на объект испытаний передается при помощи специальной тяги с упругим шарниром.
Недостаток такого устройства возбуждения колебаний в горизонтальной плоскости заключается в том, что масса плиты, на которой закреплен силовозбудитель, составляет «1000 кг (при массе, например, силовозбудителя Pradera EX420/C 155 кг, без «кроватки»). Это обстоятельство накладывает жесткие ограничения не только на возможный вид транспортировки такого приспособления до места проведения испытаний, но и требует наличия в цехе (ангаре), где оборудован испытательный стенд, мощного грузоподъемного механизма.
Задача значительно усложняется, если необходимо обеспечить одновременное вывешивание 2-х или более силовозбудителей, закрепленных на стальных плитах (общая масса каждой сборки около 1200 кг), с использованием нескольких подъемных механизмов (кранов-балок).
Известны устройства возбуждения колебаний для НЧИ, при которых отсутствует силовая плита. То обстоятельство, что не во всех местах проведения НЧИ натурных конструкций ЛА имеются грузоподъемные механизмы с требуемыми характеристиками, вынуждают испытателей искать различные технические решения («ухищрения»), например, такие как:
- применение строительных лесов, которыми должно быть оборудовано изделие, необходимых для обеспечения удобного доступа испытательной бригады к агрегатам испытываемой конструкции; на них размещаются элементы систем возбуждения, а также измерения колебаний (Рекламная листовка «Наземные частотные и жесткостные испытания натурных ЛА. Экспериментальная база ЦАГИ». - Жуковский: ЦАГИ, 2010);
- использование силовозбудителей в «кроватках» без дополнительных грузов; для горизонтального возбуждения они либо устанавливаются на специальные регулируемые по высоте на стойки с большим количеством вставок, либо вывешиваются с использованием «подручных способов» -имеющихся в ангаре (цехе) подъемных механизмов, по своему назначению не приспособленных для таких работ, например, «кранов-гусей», служащих для установки катапультных кресел в самолеты. Так при НЧИ крупных натурных авиационных конструкций, например, для определения динамических характеристик консолей килей и рулей направления (горизонтальное возбуждение колебаний) самолета Су-35-1 используются силовозбудители Pradera 20JE20/C (максимальная развиваемая сила 200 Н), вмонтированные в устройства сейсмического подвеса («кроватки») SS 331 (масса 30,9 кг), которые вывешиваются с использованием «кранов-гусей», грузоподъемностью до 300 кг. Ограничение в массе устройств возбуждения колебаний обусловлено специфическими условиями НЧИ в корпусах и ангарах ряда летно-испытательных и доводочных баз, где проводились испытания. Часто эти помещения не оборудованы мощными грузоподъемными механизмами;
- использование для горизонтального возбуждения колебаний силовозбудителей (без дополнительных грузов), смонтированных на цапфе и установленных на винтовую стойку-треногу; как правило, такой способ нередко применяется при контрольных НЧИ агрегатов ЛА и их моделей.» (Smyslov V., Dijkstra K., Karkle P. The experience in ground vibration tests of flexible flying vehicles using PRODERA equipment and some. Additional tasks. - Proc. of the European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS). Session 4.1: Aeroelasticity and Dynamics, 2009)
Основные недостатки таких устройств для крепления силовозбудителя колебаний при проведении НЧИ заключаются в следующем. Использования таких «подручных средств», как строительные леса (монтажные площадки), регулируемые по высоте стойки, не штатные грузоподъемные механизмы, для обеспечения необходимого по высоте размещения силовозбудителей при проведении НЧИ натурных конструкций ЛА обычно приводят к различным негативным последствиям. Среди них можно выделить следующие часто встречающиеся:
- появление так называемых паразитных тонов колебаний, которые возникают вследствие изменения исходной исследуемой динамической механической системы (например, возникновение тонов колебаний монтажных площадок в измеряемом диапазоне частот);
- искажение динамических характеристик испытываемой конструкции по причине раскачивания самой системы возбуждения колебаний;
- ограничение значения прикладываемой к объекту испытаний динамической силы из-за невозможности использования более мощных силовозбудителей, имеющих большую массу, как следствие ограничивается возможность исследовать различные «нелинейности» в конструкции, например, зарегистрировать зависимости амплитуды от возбуждающей силы и частоты от амплитуды для органов управления самолета;
- поломка измерительного оборудования (например, перегорание катушек магнитной системы силовозбудителей) и испытательных приспособлений (например, разрыв упругих тяг силовозбудителей).
Известно, что зарубежные инженеры-исследователи при проведении НЧИ натурных машиностроительных конструкций и их агрегатов для возбуждения их колебаний в горизонтальной плоскости (по оси Z) используют, в основном, электродинамические силовозбудители, вывешенные на длинных тросах, которые непосредственно закрепляются на крюке грузоподъемной машины/механизма, для обеспечения необходимых значений частот «маятниковых» колебаний системы возбуждения (Olesen Hans P. Measurement of the dynamic properties of materials and structures. Application notes. - Paper №17-180. Brüel & Kjser, 1974. Modal Analysis and Vibration Testing. Kongsberg Defense & Aerospace (Norway Defense and Aerospace Industries). CASE STUDY. - Paper № BA0611-12. Brüel & Kjaer, 2008).
Известен способ организации работ, при котором используют мобильный стреловой кран для вывешивания по оси OZ силовозбудителя, так для определения динамических характеристик киля при НЧИ военного маневренного самолета силовозбудитель был зацеплен стропами непосредственно за оба вала, служащие для крепления в цапфе (Shaker excitation tutorial. Considerations and Problems. Young Engineer's Program - IMAC 2001. - Structural Dynamics Research Laboratory. University of Cincinnati (Cincinnati, Ohio 45221-0072 USA), 2001).
В компании Shell Chemicals U.K. Ltd. в 1971 году при вывешивании электродинамических силовозбудителей: использовали завязанную узлом петлю из троса, закрепленную наверху на трубе технологического оборудования цеха, а внизу - непосредственно за оба вала силовозбудителя, служащие для крепления в цапфе (Downham Ε., Woods R. The Rationale of Monitoring Vibration on Rotating Machinery in Continuously Operating Process Plant. ASME Paper No. 71 - Vibr-96. Transactions of ASME. Journal of Engineering for Industry. - Paper №19-023. Brüel & Kjaer, 1979).
В Канзасском университете для измерения динамических характеристик сотовой балки из полимерного композиционного материала применялся высокоточный сканирующий лазерный доплеровский виброметр Polytec OFV 056 (Liu W., Ewing M.S. Particle Damping of Composite Honeycomb Beams by the Power Input Method. Paper AIAA 2007-2044. - Proceeding of 48th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference (23-26 April 2007, Honolulu, Hawaii). - 2007).
Среди ограничений в применении на практике и недостатков, имеющихся у стендов для крепления силовозбудителя, аналогичных специализированной установке производства фирмы РСВ Piezotronics (США), можно указать главные:
- наличие значительных конструктивных ограничения этих установок по высоте вывешивания и массе силовозбудителя,
- длинномерные опоры («горизонтальные лапы») стенда с аутригерами не позволяют использовать установку в ограниченных пространствах,
- наличие неустранимого ограничения снизу значения частоты собственных колебаний системы возбуждения, обусловленное конструктивными особенностями стенда.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для крепления силовозбудителя конструкции при НЧИ (Peeters B. Introduction to Ground Vibration Testing. LMS GVT Master Class, Leuven & Sint-Truiden, Belgium, 22-25 September 2008. - LMS, 2008 (LMS GVT Master Class 2008 - 2 - электронная презентация: Modal testing theory and practical considerations. pdf). Данное устройство для крепления силовозбудителя конструкции при НЧИ, представляет собой сборку, состоящую из силовой плиты, приспособлений для крепления цапфы, навешиваемых грузов (фиг. 1). Гармоническое возбуждение от силовозбудителя передается на испытываемую конструкцию посредством упругой тяги. Силовозбудитель закреплен на цапфе и может поворачиваться вокруг вертикальной оси перпендикулярной полу ангара (цеха). Это не позволяет поворачивать силовозбудитель по углу наклона и не дает возможности присоединить по нормали упругую тягу в точке приложения силы на испытываемой конструкции, что приводит к неточному заданию динамической силы при частотных испытаниях механической конструкции при ее возбуждении в горизонтальном (боковом) направлении, а также может привести к поломкам упругих тяг.
Количество навешиваемых грузов для регулировки общей массы этого устройства ограничено длиной шпилек.
При выполнении экспериментов по частотным испытаниям устройство вывешивается на длинных тросах (около 3 м до крюка крана), что обеспечивает требуемые значения собственных частот колебаний («маятниковых» колебаний) системы возбуждения. Общая длина такого маятника равна 8÷10 м, что ограничивает возможности применения данного устройства в небольших помещениях.
К недостаткам этого устройства можно также отнести следующее:
- при вывешивании этого устройства, например, на длинных тросах, для их соединения с устройством для крепления силовозбудителя используются шпильки верхнего ряда, аналогичные шпилькам, которые служат для монтажа составной силовой плиты - ряды средний и нижний (фиг. 1); это не позволяет применять данное устройство для крепления силовозбудителя в других рабочих положениях, то есть при повороте его на 90 градусов вокруг продольной оси относительно упругой тяги силовозбудителя;
- при такелажных и монтажно-демонтажных работах существует опасность поломок упругих тяг и крепежных элементов цапфы, так как в случае опускания устройства на пол цеха (ангара) оно может опрокинуться вперед из-за разности уровней навески цапфы силовозбудителя и массивных грузов.
Задачей предложенной полезной модели является увеличение точности приложения внешних воздействий к испытываемым механическим конструкциям при их возбуждении в горизонтальном (боковом) направлении, обеспечение требуемых граничных условий при измерениях их динамических характеристик, сокращение затрат на испытательное оборудование и снижение трудоемкости частотных испытаний.
Техническим результатом является: устранение погрешности, обусловленной близостью значений собственных частот колебаний системы возбуждения («маятниковых» колебаний) и значений собственных частот колебаний испытываемой конструкции, в том числе частот ее колебаний, как твердого тела, удобство транспортировки конструкции в сборе.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для крепления силовозбудителя, состоящем из силовой плиты, приспособлений для крепления цапфы, навешиваемых грузов, силовая плита является стальной коробчатой конструкцией с продольными ребрами жесткости и содержит проушины в верхней части плиты, петли, две опоры в нижней части плиты, отверстия для крепления цапфы силовозбудителя, расположенные таким образом, чтобы ось вращения силовозбудителя находилась в горизонтальном положении, кроме того оно содержит жестяной короб-укрытие с креплениями для соединения с силовой плитой.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 приведена фотография прототипа.
На фиг. 2 приведено предлагаемое устройство в сборе с электродинамическим силовозбудителем.
На фиг. 3 приведено предлагаемое устройство для крепления электродинамического силовозбудителя в одном из рабочих положений.
На фиг. 4 изображено устройство для крепления электродинамического силовозбудителя в транспортном положении.
На фиг. 5 показано, выполнение такелажных работ с устройством для крепления электродинамического силовозбудителя с закрепленным на нем коробом-укрытием.
Устройство для крепления силовозбудителя (фиг. 2), состоит из силовой плиты 1 - стальной коробчатой конструкции с продольными ребрами жесткости, содержащей проушины 2 для вывешивания устройства, например, на крюке крана при помощи строп, четыре петли 3 по две с каждой стороны, две опоры 4 в нижней части плиты, отверстий 5 для крепления цапфы 6 силовозбудителя 7, который может поворачиваться в цапфе вокруг горизонтальной оси 8, специальных отверстий 9 для крепления грузов или жестяного короба-укрытия для транспортировки устройства в сборе с силовозбудителем или без него.
Проушины 2 приварены к боковым граням силовой плиты 1 и имеют ось симметрии под углом около 45 градусов к плоскости плиты (фиг. 2). Проушины служат для вывешивания устройства с закрепленным на нем силовозбудителем, например, на крюке крана при помощи строп (фиг. 3), а также могут использоваться при такелажных и монтажно-демонтажных работах. При использовании устройства для крепления силовозбудителя в основном положении при проведении НЧИ (фиг. 3) проушины расположены на верхнем торце силовой плиты.
Петли 3 приварены к торцам силовой плиты (фиг. 2) и служат для такелажных и монтажно-демонтажных работ с устройством для крепления силовозбудителя (фиг. 4), для его расчаливания при проведении НЧИ, регулируемого поворота вокруг вертикальной оси относительно пола цеха (ангара), а также могут использоваться для его вывешивания в других рабочих положениях, например, при повороте его на 90 градусов вокруг продольной оси относительно упругой тяги силовозбудителя.
Опоры 4, имеющиеся на силовой плите (фиг. 2), служат для исключения опрокидывания вперед устройства для крепления силовозбудителя в случае его опускания на пол цеха (ангара) при такелажных и монтажно-демонтажных работах (из-за разности уровней навески цапфы и массивных грузов). Этим исключается поломка упругих тяг и крепежных элементов цапфы. Продольная ось симметрии опоры расположена примерно в 45 градусах относительно плоскости силовой плиты (фиг. 5). При использовании устройства для крепления силовозбудителя в основном положении (фиг. 3) опоры расположены на нижнем торце силовой плиты.
Имеющиеся несколько отверстий 9 в силовой плите (фиг. 2) служат для крепления дополнительных съемных грузов, короба-укрытия для транспортировки устройства в сборе с силовозбудителем или без него (фиг. 4 и 5), а также могут быть использованы для присоединения дополнительных приспособлений при такелажных и монтажно-демонтажных работах, вывешивания устройства для крепления силовозбудителя различных рабочих положениях, например, при повороте его на 90 градусов вокруг продольной оси относительно упругой тяги силовозбудителя, и других целей. Навеска дополнительных съемных грузов позволяет регулировать общую массу устройства для крепления силовозбудителя и тем самым отстроить значения собственных частот колебаний системы возбуждения («маятниковых» колебаний) от значений собственных частот колебаний испытываемой конструкции, в том числе частот ее колебаний, как твердого тела, что обеспечивает требуемые граничные условия при измерениях динамических характеристик механических конструкций при их возбуждении в горизонтальном (боковом) направлении и в результате увеличивает точность экспериментальных данных.
На фиг. 3 показано устройство для крепления силовозбудителя в одном из рабочих положений при выполнении экспериментов по частотным испытаниям, вывешенное при помощи 2-х строп (длинных тросов) за проушины 2 при помощи крюка мостового крана. Силовозбудитель 7 установлен в штатную стальную цапфу 6 и может поворачиваться в ней вокруг горизонтальной оси. Цапфа 6 с использованием ее штатных отверстий в основании закреплена болтовым соединением с силовой плитой, на которую, используя специальные отверстия 9, можно навесить необходимое количество дополнительных грузов для регулирования общей массы устройства для крепления силовозбудителя, чтобы обеспечить требуемые значения собственных частот колебаний («маятниковых» колебаний) системы возбуждения. Общая длина такого маятника может регулироваться. В качестве источника возбуждающей силы в данном примере выбран возбудитель вибрации электродинамического типа с постоянным полем - силовозбудитель Prodera EX 520 C50, используемый при НЧИ крупногабаритных натурных конструкций, или подобный ему по своим массогабаритным и эксплуатационным характеристикам.
По сравнению с прототипом предложенная полезная модель имеет следующие отличия:
- основой устройства для крепления силовозбудителя служит силовая плита, являющаяся стальной коробчатой конструкцией с продольными ребрами жесткости;
- ось вращения силовозбудителя на цапфе горизонтальна, то есть параллельна полу цеха/ангара; при необходимости это дает возможность поворачивать силовозбудитель в цапфе и подсоединять упругую тягу по нормали в точке приложения силы на испытываемой конструкции, если ее поверхность не вертикальна (примером служат поверхности килей ряда маневренных самолетов); это увеличивает точность задания динамической силы при частотных испытаниях и значительно снижает вероятность поломок упругих тяг;
- наличие нескольких проушин и петель позволяет применять устройство для крепления силовозбудителя в различных рабочих положениях, например, при повороте его на 90 градусов вокруг продольной оси относительно упругой тяги силовозбудителя, для этого силовая плита расчаливается при помощи канатов или тросов, закрепляемых на проушинах или петлях; проушины и петли позволяют использовать многочисленные типы такелажных и грузоподъемных механизмов с различными значениями грузоподъемности;
- наличие специальных опор исключает опасность поломок упругих тяг и крепежных элементов цапфы в случае опускания устройства на пол цеха (ангара), оно не опрокинется вперед при такелажных и монтажно-демонтажных работах;
- специальные отверстия в силовой плите не только служат для присоединения дополнительных съемных грузов для регулировки общей массы устройства для крепления силовозбудителя и цапфы силовозбудителя, но и предназначены для крепления короба-укрытия, защищающего при транспортировке от неблагоприятных условий окружающей среды устройство для крепления силовозбудителя (короб-укрытие может применяться, как при наличии силовозбудителя, так и без него), могут быть использованы для присоединения дополнительных приспособлений при такелажных и монтажно-демонтажных работах, вывешивания устройства для крепления силовозбудителя в различных рабочих положениях, например, при повороте его на 90 градусов вокруг продольной оси относительно упругой тяги силовозбудителя, и других целей, например, установки в них съемных проушин для расчаливания устройства для крепления силовозбудителя; оснащение устройства «посадочными местами» (отверстиями) для установки штатной цапфы силовозбудителя, например, при помощи болтового соединения, дает возможность в случае необходимости применить другой тип силовозбудителя;
- наличие специальных отверстий в силовой плите позволяет быстро монтировать и демонтировать дополнительные съемные грузы, что значительно уменьшает ограничения по массе неразборных частей устройства для крепления силовозбудителя и снимает особые требования на возможный вид транспортировки этого приспособления до места проведения испытаний.
Существенные особенности (отличительные признаки) заявляемой полезной модели были реализованы в конкретном устройстве, эксплуатируемом в Научно-исследовательском комплексе прочности летательных аппаратов ФГУП «ЦАГИ» при НЧИ прототипов крыла самолета.