СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЕ УДАРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИБОРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ
STAND FOR TESTS ON HIGH-INTENSITY SHOCK EFFECTS OF DEVICES AND EQUIPMENT

Изобретение относится к устройствам для испытаний на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях на ударные воздействия различных приборов и оборудования.
Существует достаточно много различных стендов для испытаний на ударные воздействия. 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 является решение - «прототип» (Г.С. Батуев, Ю.В. Голубков и др. Инженерные методы исследования ударных процессов. М., Машиностроение, 1977 г., стр. 24-25). Это маятниковый копер, состоящий из молота, станины, наковальни, на которую устанавливается испытуемое оборудование, поворотной траверсы, обеспечивающей необходимую высоту подъема молота, что обеспечивает нужную скорость соударения молота с наковальней, пневмодемпфера, тормозящего наковальню после соударения с молотом.
Однако данный стенд имеет ряд существенных недостатков при использовании его для испытаний по методу ударных спектров ускорений, т.к. данный стенд (в зависимости от используемого крешера) ориентируются, в первую очередь, на создание одиночных ударных импульсов (чаще всего в форме полуволны синусоиды), что влечет за собой значительное увеличение амплитуды ударного импульса по сравнению с затухающей нестационарной вибрацией, являющейся откликом на внешнее ударное воздействие в системе (например, ударное воздействие на аппаратуру космических аппаратов). Кроме того, данный стенд достаточно громоздкий и занимает много места в испытательной лаборатории.
Техническим результатом данного изобретения является возможность создания ударных спектров ускорений в заданных пределах по всему диапазону частот нестационарной вибрацией, являющейся откликом на внешнее ударное воздействие в системе.
Указанная цель достигается тем, что наковальня выполнена в виде прямоугольной сменной металлической панели, жестко закрепленной к станине стенда с помощью стержней с резьбой, при этом сменная металлическая панель выполнена с вырезами прямоугольной формы и ребрами между вырезами, причем все ребра одинаковые, а расстояние от кромки металлической панели, к которой прикладывается ударное воздействие, до вырезов не менее чем в 2 раза больше продольного размера выреза, но не менее чем в 2 раза меньше расстояния до противоположного относительно точки приложения ударного воздействия торца металлической панели, причем собственные частоты поперечных колебаний ребер не совпадают с частотами продольных колебаний плиты до и после вырезов, а оси стержней, обеспечивающих крепление сменной металлической панели к станине, проходят через вырезы и не совпадают с осями ребер, причем между сменной металлической панелью и станиной устанавливают виброизолирующую прокладку, выполненную, например, из резины.
Суть заявленного решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид заявленного устройства (стенда для проведения ударных испытаний). Стенд (фиг. 1) состоит из молота 1 и его подвески 2, рамы 3 для крепления подвески 2 с молотом 1, вкладыша 4, установленного на наковальню 5, выполненную в виде прямоугольной металлической плиты, с вырезами 6 и ребрами 7, образующимися в плите вырезами 7. На металлической плите 5 расположен объект испытаний 8 и регистрирующие датчики 9. Металлическая плита 5 лежит на виброизолирующей прокладке 10 и крепится через стержни с резьбой 11 и металлический брус 12 к станине 13. На фиг. 2 показано сечение стенда (без молота с подвеской и рамы).
Стенд функционирует следующим образом.
При необходимости создания ударного воздействия в форме ударного спектра ускорений (УСУ) разрабатывается плита с вырезами, которая и обеспечивает необходимую форму УСУ (в первую очередь точку перегиба спектра), а скорость соударения молота и плитой обеспечивает нужную амплитуду ускорений. В таблице 1 в качестве примера приведен один из таких ударных спектров ускорений.
Как видно из фиг. 1 и фиг. 2 плита 5 условно разбивается на три зоны: до вырезов, сами вырезы 6 с ребрами 7 между ними (образуются в плите между вырезами) часть плиты после вырезов. Каждая из этих частей обеспечивает различные формы и частоты колебаний панели. Виброизолирующая прокладка из резины 10 исключает соударение плиты 5 со станиной 13, позволяя при этом совершать плите 5 как продольные, так и поперечные колебания. Размеры зон, кратные 2 обеспечивают возникновение различных форм колебаний плиты, разнесенных по частотному диапазону, для формирования требуемого УСУ. При распространении волн деформаций по плите расположение стержней 11 для крепления плиты 5 к станине 13 напротив вырезов исключают прямую передачу ударного воздействия на станину. Это возможно только после многократного отражения от стенок плиты 5 и вырезов 6 и наложения (интерференции) различных волн. В результате многократных отражений от границ плиты и вырезов, а также за счет продольных и поперечных колебаний плиты в месте установки объекта испытаний 8 возникает затухающая нестационарная вибрация. Ускорения, возникающие в плите измеряются регистрирующими датчиками 9 (по результатам измерения ускорений которых и строятся УСУ)
Расчет необходимых параметров плиты и скорости соударения молота с плитой проводился с использованием метода конечных элементов в пакетах NISA, DYTRAN. На фиг. 3 показана конечно-элементная модель стенда с плитой для обеспечения параметров УСУ, приведенных в таблице 1. Модель состоит из 25040 узлов и 90083 элементов. Жирными линиями выделены конечные элементы, представляющие виброизолирующую прокладку. Станина 13 и металлический брус 12 жестко закреплены.
При расчетах использовалась нелинейная модель демпфирования. Коэффициент демпфирования принимался в виде комбинированной псевдовязкости, представляющей из себя сумму квадратичной (псевдовязкость Неймана-Рихтмайера) и линейной псевдовязкостей, а также в виде вязкого демпфирования (VDAMP). В процессе выполнения численных экспериментов определялись необходимые параметры плиты. Расчеты были выполнены для различных конфигураций плиты: сплошной плиты (без вырезов), с различными типами вырезов, толщинами плиты, различивши размерами зон до и после вырезов, что позволило определить необходимые размеры плиты стенда.
Расчет приводится для металлической (алюминиевой) плиты толщиной 30 мм. Размеры плиты и вырезов показаны на фиг. 4. Масса объекта испытаний 14 кг.
В таблице 2 приведены частоты колебаний, имеющие максимальную эффективную массу (т.е. эти частоты и определяют основные тона колебаний панели с объектом испытаний). Следует отметить, что частота 541 Гц (фиг. 5) определяет основную поперечную форму колебаний пластины целиком, 976 Гц (фиг. 6) - форма колебаний в плоскости пластины (в первую очередь ее третья зона после вырезов), частота 3691 Гц (фиг. 7) определяет колебания передней части пластины (ее первую зону до вырезов), а частота 4176 Гц (фиг. 8) определяет вращательную форму колебаний. Молот (боек) обеспечивал создание ударного импульса полусинусоидальной формы длительностью ~0,2 мс, а отклик плиты с объектом испытаний в контрольной точке получен в виде нестационарной вибрации.
Возникновение резонансов на этих частотах связано, в первую очередь, с длительностью воздействия, определяемой размером и формой молота (длительность ударного импульса примерно равна удвоенной длине молота, поделенной на скорость звука в материале молота).
На фиг. 9 показан полученный ударный спектр ускорений, где "а" - это допустимый диапазон погрешностей, "в" - требуемый УСУ и "с" - спектр, полученный в результате численного моделирования. Т.е. требования таблицы 1 выполнены и можно переходить к испытаниям.
Процедура подбора оптимальных размеров панели, количества вырезов и их размеров, стержней для крепления панели к станине, размеров, формы и массы молота относится к «ноу-хау» изобретения, и в представленных материалах не рассматривается.
Пример практического исполнения
Рассматриваемый стенд (фиг. 1) использовался при квалификационных ударных испытаниях электрореактивного двигателя СПД-140Д.
Испытания на воздействия удара проводились по методу ударного спектра ускорений в соответствии с требованиями, приведенными в таблице 1, последовательно вдоль каждой из трех взаимно перпендикулярных осей. В качестве примера рассмотрим ударные испытания анодного блока СПД-140Д в направлении оси "Х-Х" блока.
Предварительно (расчетным путем) были получены необходимые размеры и толщины наковальни (металлической плиты). Размеры наковальни (алюминиевой плиты) показаны на фиг. 3, толщина 30 мм. Для крепления плиты к станине использовались стальные стержни диаметром 20 мм с резьбой. Масса прибора (анодный блок) ~14 кг. Точки крепления - по кругу. Молот (боек) имеет длину 240 мм, диаметр 60 мм, материал сталь. Для регистрации ускорений использовались ударные акселерометры фирмы «Брюль и Кьер» №4371. Вначале на панель устанавливался имитатор анодного блока, на котором уточнялась скорость соударения (и соответственно угол отклонения подвески с молотом), после чего на стенд устанавливался штатный прибор, и проводились ударные испытания.
На фиг. 10 показан график мгновенных значений ускорений, зарегистрированный при ударных испытаниях, а на фиг. 11 - его ударный спектр ускорений, вычисленный при добротности Q=10 с использованием алгоритма Смолвуда. На фиг. 11 показаны графики:"а" - это допустимый диапазон погрешностей, "в" - требуемый УСУ и "с" - спектр, полученный в результате испытаний.
Как видно из фиг. 11 на графике УСУ можно выделить частоты, близкие к приведенным в таблице 2. Это, в первую очередь, частота ~3600 Гц, обеспечивающая частоту перехода в 4000 Гц, а также частота ~550 Гц, формирующая необходимый спектр в области частот до 1 кГц и частота ~1000 Гц, формирующая необходимый спектр в области частот от 1 кГц до 2 кГц.
На графике мгновенных ускорений (фиг. 10) видно, что максимальное значение амплитуды нестационарной вибрации не превышает 1100 g. В то же время, одиночный импульс, обеспечивающий УСУ с амплитудой в 4000 g, должен иметь амплитуду ~2800 g.
Т.е. использование разработанного стенда позволило создать необходимый режим ударных испытаний приборного блока, обеспечив снижение максимальной амплитуды ударного воздействия.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.