Способ испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия приборов и оборудования
METHOD FOR TESTING TOOLS AND EQUIPMENT FOR HIGH-INTENSITY SHOCKS

Данное изобретение относится к способам испытаний на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях на ударные воздействия различных приборов и оборудования.
Существуют различные способы проведения ударных испытаний. Основное их отличие заключается в создании либо одиночного импульса различной формы (как внешнего воздействия), либо в формировании ударного спектра ускорений (УСУ). Испытания по методу ударных спектров ускорений с помощью вибрационных электродинамических стендов (синтезирование сигнала ударного возбуждения при помощи элементарных сигналов), стендов с падающими столами (воспроизводятся простейшие сигналы, которые и обеспечивают необходимый УСУ). Испытания по методу ударных спектров ускорений проводят, когда неважно само воздействие, а важна реакция, которую это воздействие вызывает в конструкции (кн.2 «Испытательная техника» кн.1 М. Машиностроение 1982г. стр334-335). Использование электродинамических стендов ограничено как амплитудой воспроизводимых воздействий (как правило, 200-300 g), так и частотой (частотный диапазон воспроизводимых воздействий не превышает 2,5-3кГц).
Для создания ударных воздействий помимо электродинамических стендов существует достаточно разнообразный набор средств, например, всевозможные гидравлические, механические стенды.
.
- аналоги.
Эти устройства позволяют воспроизводить различные способы нагружения объекта испытаний (с уровнями воздействия до десятков тысяч “g”), например, за счет сбрасывания рамы с определенной высоты. Ударное воздействие создают ударом тяжелого маятника по столу, на котором закреплен объект испытаний. (Вибрации в технике, справочник в 6 томах. Том 5. Измерения и испытания под редакцией М.Д.Генкина М. Машиностроение 1981г. стр.476 - 477). Или решение (Г.С. Батуев, Ю.В. Голубков и др. Инженерные методы исследования ударных процессов М. Машиностроение, 1977 г, стр.24-25), где воспроизводятся простейшие сигналы на маятниковом копре, но они значительно увеличивая амплитуду ускорений, также ориентированы на создание “чистого” импульса за счет подавления вторичной вибрации. Как и одиночный импульс, ударный спектр ускорений (от одиночного импульса) реализуется в одном направленииИли решение (Круглов Ю.А., Туманов Ю.А. Ударовиброзащита машин, оборудования и аппаратуры. - Л. Машиностроение. 1986г. стр.151), когда ударное воздействие маятниковым бойком создают в подпружиненной платформе, на которой устанавливают объект испытаний, в виде одиночного импульса, по которому и вычисляют ударный спектр ускорений
Основным недостатком рассмотренных выше способов испытаний является то, что
при использовании электродинамических стендов для создания ударных воздействий имеются ограничения на амплитудно-частотный диапазон воспроизводимых нагрузок, т.е. они не годятся для воспроизведения ударных воздействий высокой интенсивности и ориентированы на создание суперпозицией импульсов воздействия в одном направлении.
Типовые механические стенды (например, копровые с падающими столами) ориентированы на создание ударного воздействия в виде одиночного импульса, который действует на все элементы объекта испытаний, а не только в точках его крепления. Помимо этого, ударные испытания на подобном оборудовании нарушают “физику” нагружения бортовой аппаратуры (БА), т.к. при реальной эксплуатации нагружение БА проводится проходящей волной деформации в конструкции, а отклик на ударное воздействие имеет сложную форму в виде нестационарной вибрации.
Кроме того, при проведении испытаний на ударные воздействия пространственных конструкций нагружение по одной оси, как правило, приводит к отклику по всем трем. А последовательное воспроизведение ударов по трем осям приводит к дополнительному (причем ничем не обоснованному) нагружению по остальным осям, особенно когда приходится проводить нагружение в положительном и отрицательном направлении осей
«прототип».
Наиболее близким к заявляемому изобретению является решение по патенту РФ №2745342. Это способ испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия по методу ударных спектров ускорений, заключающийся в создании нестационарной вибрации последовательно вдоль каждой из трех взаимно перпендикулярных осей с помощью ударного стенда. Получении ударного спектра ускорений в точках крепления объекта испытаний для положительных и отрицательных значений ускорений нестационарной вибрации, причем количество создаваемых ударных воздействий на объекте испытаний уменьшают вдвое относительно требуемого количества ударных воздействий вдоль каждой из осей -
Недостатками этого решения для формирования ударного воздействия является, в первую очередь, создание на объекте испытаний ударных воздействий последовательно вдоль каждой из трех взаимно перпендикулярных осей, которых при реальной эксплуатации не существует. Это особенно важно при испытаниях пространственных конструкций, у которых имеется несколько точек крепления, часто не лежащих даже в одной плоскости. Это влечет за собой увеличение количества ударных воздействий по осям: создание требуемого ударного спектра даже в двух направлениях по одной из осей создает дополнительные ударные воздействия вдоль двух других осей. Создать требуемый ударный спектр по двум направлениям оси в трех взаимно перпендикулярным направлениям одним источником ударных воздействий (как механическим, так и пиротехническим) для крупногабаритных конструкций практически невозможно.
Для заявленного способа выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: способ испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия приборов и оборудования по методу ударных спектров ускорений, заключающийся в создании ударного воздействия в виде нестационарной вибрации, регистрации ускорений и получении одинакового ударного спектра ускорений в точках крепления объекта испытаний для положительных и отрицательных значений ускорений нестационарной вибрации последовательно по каждой из трех взаимно перпендикулярных осей, уменьшая вдвое относительно требуемого количества ударных воздействий вдоль каждой из осей, для которых сформированы положительные и отрицательные ударные спектры ускорений.
Технической проблемой настоящего изобретения является создание воздействий, соответствующих реальным условиям эксплуатации аппаратуры и обеспечивающих при проведении испытаний одновременное нагружение объекта испытаний по трем взаимно перпендикулярным осям в двух противоположных направлениях (положительном и отрицательном) в различных точках крепления объекта испытаний с целью уменьшения количества ударов на объект испытаний.
Указанная техническая проблема решается за счет того, что до начала ударных испытаний проводят испытания по определению резонансных частот оснастки с динамическим макетом объекта испытаний по трем взаимно перпендикулярным осям, по результатам которых предварительно определяют количество и места установки пироустройств на оснастке в точках, обеспечивающих максимальный отклик в точках контроля нагружения динамического макета на частотах, соответствующих частоте перехода заданного ударного спектра ускорений, затем проводят ударные испытания, одновременным подрывом пиротехнических устройств, регистрируют в точках контроля динамического макета ускорений в виде нестационарной вибрации, получают суммарные, положительные и отрицательные ударные спектры ускорений, сравнивают полученные ударные спектры ускорений с требуемыми ударными спектрами ускорений в каждой точке контроля динамического макета по трем взаимно перпендикулярным направлениям, и при их отличии на величину большую, чем допустимая погрешность, уточняют количество, мощность и места установки пироустройств, повторяют ударные испытания, причем требуемое ударное воздействие в форме ударных спектров ускорений формируют одновременно в точках контроля нагружения динамического макета по трем взаимно перпендикулярным осям одновременным подрывом пиротехнических устройств, причем меняют количество, мощность и места установки пироустройств, повторяют ударные испытания до получения в точках контроля нагружения динамического макета по трем взаимно перпендикулярным направлениям во всем заданном частотном диапазоне ударных спектров ускорений, отличающихся от требуемых ударных спектров ускорений на величину меньшую, чем допустимая погрешность, заменяют динамический макет штатным объектом испытаний, проводят его ударные испытания на сформированном режиме, при этом общее количество ударных воздействий при ударных испытаниях уменьшают в шесть раз.
Суть заявленного решения поясняется чертежами, где на фиг.1, показана оснастка 1 с установленной в ней с помощью проушин 2 пространственной антенной системой (АС) 3 разработки АО «ИСС». Ударные воздействия на антенную систему проводят с помощью пиротехнических устройств (ПУ) 4 жестко прикрепленных к оснастке 1. При проведении вибрационных испытаний АС 3 с оснасткой 1 устанавливается на вибростенд и проводится ее вибрационное нагружение. Контроль вибрационного и ударного нагружения выполняют, например, с помощью трехосевых акселерометров АР1020 5. Акселерометры (датчики ускорений) применяются при регистрации виброускорений при частотных испытаниях, когда воздействие задается в виде спектральной плотности мощности виброускорений (СПМ) и отклик получают также в виде СПМ. На фиг.2 в качестве примера показаны отклики в виде СПМ в точке на одной из проушин 2 по трем взаимно перпендикулярным направлениям X,Y,Z (A2X, A2Y, A2Z). В остальных точках контроля результаты аналогичны. Это позволяет, как и при испытаниях на гармоническую вибрацию, получать резонансные частоты объекта испытаний (резонансные частоты не зависят от способа возбуждения). По отклику в местах крепления проушин определяют частотный диапазон с максимальным откликом по трем взаимно перпендикулярным осям. На фиг.3 в таблице 1 приведены требования по-ударному нагружению АС. Из таблицы 1 видно, что частота перехода для УСУ составляет 1000Гц. По всем направлениям (фиг.2) на частоте в 1000Гц имеются резонансы с добротностью от 3 (A2X) до 5-6 (A2Y, A2Z). Добротность получают из отношения СПМ по формуле
Q=,
где:
Q - добротность на частоте 1000Гц;
1
S - спектральная плотность мощности в точке контроля на частоте 1000Гц;
2
S - заданная спектральная плотность мощности в точке контроля на частоте 1000Гц
2
(при данных испытаниях СПМ равнялась 0,001 g/Гц в диапазоне частот от 20Гц до 2000Гц).
По результатам анализа графиков СПМ (фиг.2), а также конструктивного исполнения оснастки и АС принимается решение по точкам приложения ударных воздействий. Так как АС и оснастка в плоскости крепления АС симметричны, то ПУ устанавливают на оснастке в четырех точках посредине между проушинами (фиг.1), что обеспечивает максимальный отклик в точках контроля ударного воздействия.
При ударных испытаниях с помощью ПУ 4 в объекте испытаний (АС) в точках контроля 5 после срабатывания ПУ возбуждается нестационарная вибрация, по результатам измерений которой, строятся ударные спектры ускорений. Ударные спектры ускорений формируются с допустимыми погрешностями, приведенными в таблице 2, показанной на фиг.4. Графики нестационарной вибрации для точки на одной из проушин 2 показаны на фиг.5, а УСУ для разных направлений осей на фиг.6 (X-X), фиг.7 (Y-Y), фиг.8 (Z-Z).
На фиг.6-8 показаны требуемые УСУ 6, УСУ, полученные при ударных воздействиях: положительные 7, отрицательные 8, суммарные 9. Также на графиках представлены допустимые погрешности: плюс 3дБ поз.10, минус 3дБ поз.11, плюс 6дБ поз.12, плюс 9дБ поз.13.
Как видно из графиков фиг.6-8, полученные УСУ соответствуют требованиям таблицы 2, фиг.4.
Сущность заявляемого решения может быть пояснена следующим образом.
В настоящее время требования на приборы и оборудование задаются, как правило, в виде УСУ с указанием количества ударных воздействий. Например, типовые требования на бортовую аппаратуру формулируются так: «Ударные нагрузки задаются в виде трех ударов по каждому направлению вдоль каждой из трех взаимно перпендикулярных осей». Требование по созданию ударных воздействий вдоль одной оси по двум направлениям связано с тем, что часть комплектующих аппаратуры по-разному откликается на нагружение в разных направлениях (например, микропереключатели). При этом большинство ударных стендов ориентированы на создание классических одиночных импульсов ускорений, особенно при необходимости создания ударных воздействий повышенной интенсивности (до десятков тысяч “g”), когда применение электродинамических стендов для формирования УСУ невозможно. При получении необходимого УСУ с помощью одиночного импульса амплитуда ускорений существенно возрастает по сравнению с нестационарной вибрацией, имеющей близкий УСУ (в 3-4 раза). Причем нестационарную вибрацию можно рассматривать как набор положительных и отрицательных импульсов затухающих во времени (уменьшается их амплитуда) и обеспечивающих требуемый УСУ при значительно меньшей амплитуде. 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). Следует также отметить, что ударное воздействие от одного пироустстройства на космическом аппарате одновременно вызывает отклик по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Создать подобное воздействие можно только натурным срабатыванием штатного пироустройства на реальном космическом аппарате (КА). Но оборудование создается параллельно с созданием самого КА. Кроме того, любые внешние воздействия (в том числе и ударные) при автономной отработке должны воспроизводиться с учетом коэффициента безопасности (для УСУ он равен двум). При последовательном нагружении оборудование испытывает избыточные воздействия (даже когда удается одним воздействием загрузить положительное и отрицательное направление оси воздействие), т.к. при ударном нагружении обеспечить отклик объекта испытаний только по одной оси невозможно.
При испытаниях крупногабаритных пространственных конструкций (например, антенн космических аппаратов) создание ударных воздействий даже в двух направлениях часто становится невозможным из-за сложности оснастки, размеров ударных стендов и т.д. Еще сложнее создать воздействия, имитирующие одновременное нагружение оборудования по трем взаимно перпендикулярным направлениям. В этом случае ударное нагружение объекта испытаний возможно только по ударным воздействиям, создаваемым малогабаритным ПУ по рассмотренной выше процедуре.
Так как по определению «ударный спектр ускорений - это зависимость максимального отклика на ударное воздействие ансамбля колебательных систем с одной степенью свободы и одинаковым демпфированием от собственных частот этих систем», то положительные и отрицательные значения УСУ показывают максимальную реакцию в этих направлениях. То есть при других испытаниях с заданным УСУ большего отклика не будет, и проводить еще дополнительные испытания не требуется (необходимые режимы нагружения уже реализованы). Таким образом, количество ударных воздействий по одной оси можно уменьшить вдвое, а так как требуемый УСУ создается сразу по трем направлениям, то общее количество ударов уменьшают в шесть раз. Для расчета ударных спектров ускорений наибольшее распространение получил алгоритм Смолвуда (D.O. Smallwood, "An Improved Recursive Formula for Calculating Shock Response Spectra", Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico). Формирование УСУ при ударных испытаниях проводят с заранее оговоренной погрешностью. Эта погрешность может быть разной для различных частотных диапазонов. Типовые требования по погрешностям приведены в таблице 2 (фиг.4).
Следует также отметить, что формирование требуемого УСУ для испытаний проводят в несколько этапов, так как сразу получить необходимый УСУ, как правило, не удается. На первом этапе по результатам вибрационных испытаний получают отклики в точках крепления объекта испытаний. Так как оснастка для проведения вибрационных и ударных испытаний изготавливается заранее, то при ее проектировании можно подобрать такие жесткости, что одни из возможных резонансов будут в области частоты перехода. Для режима нагружения приведенного в таблице 1 на фиг.4 частота перехода 1000Гц.
Применение регулируемого источника ударных воздействий, изменение точек приложения этих воздействий, различных крешеров и так далее позволяет подобрать нужное воздействие. Поэтому отработку нужного режима испытаний проводят на динамическом макете прибора, и только после сформирования необходимого режима испытаний переходят к испытаниям штатного прибора.
Пример практического исполнения.
В качестве примера рассмотрим создание требуемого УСУ для антенной системы, показанной на фиг.1. Результаты формирования требуемого УСУ показаны на фиг.6-8 для точки контроля 2 в соответствии с требованиями, приведенными в таблице 1 (фиг.3), с погрешностями, приведенными в таблице 2 (фиг.4). Для остальных точек контроля в местах крепления АС результаты аналогичны.
На фиг.1, показана оснастка 1 с установленной в ней с помощью проушин 2 пространственной антенной системой (АС) 3 разработки АО «ИСС». Ударные воздействия на антенную систему проводят с помощью регулируемых пиротехнических устройств 4 жестко прикрепленных к оснастке 1. Параметрами регулирования ПУ является мощность применяемого пиросостава, форма, масса бойка, расстояние от бойка до точки приложения ударного воздействия. Применяемое ПУ позволяет создавать ударные воздействия от десятков “g” до десятков тысяч “g”. За счет отверстий во фланцах ПУ они могут крепиться практически в любой точке оснастки.
Сначала были проведены вибрационные испытания по методу широкополосной случайной вибрации. При проведении вибрационных испытаний АС 3 с оснасткой 1 устанавливается на вибростенд и проводится ее вибрационное нагружение. Контроль вибрационного и ударного нагружения выполняют с помощью трехосевых акселерометров АР1020 5. Акселерометры (датчики ускорений) применяются при регистрации виброускорений при частотных испытаниях, когда воздействие задается в виде спектральной плотности мощности виброускорений (СПМ) и отклик получают также в виде СПМ. На фиг.2 в качестве примера показаны отклики в виде СПМ в точке на одной из проушин 2 по трем взаимно перпендикулярным направлениям X,Y,Z (A2X, A2Y, A2Z). В остальных точках контроля результаты аналогичны. Это позволяет, как и при испытаниях на гармоническую вибрацию получать резонансные частоты объекта испытаний (резонансные частоты не зависят от способа возбуждения). По отклику в местах крепления проушин определяют частотный диапазон с максимальным откликом по трем взаимно перпендикулярным осям. На фиг.3 в таблице 1 приведены требования по-ударному нагружению АС. Из таблицы 1 видно, что частота перехода для УСУ составляет 1000Гц. По всем направлениям (фиг.2) на частоте в 1000Гц имеются резонансы с добротностью от 3 (A2X) до 5-6 (A2Y, A2Z). Добротность получают из отношения СПМ по формуле
Q=,
где:
Q - добротность на частоте 1000Гц;
1
S - спектральная плотность мощности в точке контроля на частоте 1000Гц;
2
S - заданная спектральная плотность мощности в точке контроля на частоте 1000Гц
2
(при данных испытаниях СПМ равнялась 0,001 g/Гц в диапазоне частот от 20Гц до 2000Гц).
По результатам анализа графиков СПМ (фиг.2), а также конструктивного исполнения оснастки и АС принимается решение по точкам приложения ударных воздействий. Так как АС и оснастка в плоскости крепления АС симметричны, то ПУ устанавливают на оснастке в четырех точках посредине между проушинами (фиг.1), что обеспечивает максимальный отклик в точках контроля ударного воздействия.
При ударных испытаниях с помощью ПУ 4 в объекте испытаний (АС) в точках контроля 5 после срабатывания ПУ возбуждается нестационарная вибрация, по результатам измерений которой, строятся ударные спектры ускорений. Ударные спектры ускорений формируются с допустимыми погрешностями, приведенными в таблице 2, показанной на фиг.4. Графики нестационарной вибрации для точки 2 показаны на фиг.5, а УСУ для разных направлений осей на фиг.6 (X-X), фиг.7 (Y-Y), фиг.8 (Z-Z).
На фиг.6-8 показаны требуемые УСУ 6, УСУ, полученные при ударных воздействиях: положительные 7, отрицательные 8, суммарные 9. Также на графиках представлены допустимые погрешности: плюс 3дБ поз.10, минус 3дБ поз.11, плюс 6дБ поз.12, плюс 9дБ поз.13.
Как видно из графиков фиг.6-8, полученные УСУ соответствуют требованиям таблицы 2, фиг.4.
Таким образом, при реализации заявляемого изобретения достигается следующий технический результат: создаваемая в месте установки объекта испытаний нестационарная вибрация больше соответствует «физике» нагружения реального оборудования. В результате чего при автономной отработке АС за счет созданной нестационарной вибрации воспроизведены требуемые ударные спектры ускорений одновременно в положительном и отрицательном направлениях по трем взаимно перпендикулярным направлениям, за счет чего количество ударов уменьшено в 6 раз (с необходимых 18 до 3)
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.