УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ОБЪЕКТОВ НА КОМПЛЕКСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ВИБРАЦИОННОГО И ЛИНЕЙНОГО УСКОРЕНИЙ
TEST BENCH FOR TESTING COMBINE VIBRATION AND LINEAR ACCELERATION EFFECTS

Изобретение относится к области испытательной техники и предназначено для испытаний объектов с сосредоточенной инерционной массой, например датчиков линейных ускорений, объектов, установленных на амортизаторах, и т.п.
Известны установки для испытаний объектов на совместное воздействие вибрационного и линейного ускорений, содержащие вибростенд и устройство для имитации линейного ускорения.
В известных установках (стендах) вибрационное ускорение создается вибростендом, а линейное ускорение имитируется с помощью центрифуги. Известны установки с различной комбинацией вибростенда и центрифуги - либо вибростенд (возбудитель колебаний) устанавливается на столе вращения центрифуги [авторские свидетельства СССР №489019, 1975 г. и №503156, 1976 г., МПК G01M 7/00], либо вибростенд содержит встроенное устройство центробежного типа [авторское свидетельство СССР №140595, МПК G01M 7/00, 1965 г.].
Недостатками таких установок являются ограниченный диапазон линейных ускорений, невозможность обеспечения высоких темпов их нарастания, что характерно для объектов летательных аппаратов, невозможность проведения испытаний при различных взаимных направлениях вибрационного и линейного ускорений.
Известна установка для испытаний объектов на совместное воздействие вибрационных и линейных ускорений, которая содержит вибростенд с закрепленным на нем объектом испытаний и устройство для имитации линейного ускорения. Устройство для имитации линейного ускорения выполнено в виде закрепленного на основании пневмоупругого элемента малой жесткости, например сильфона, подключенного к источнику сжатого газа [авторское свидетельство СССР №296012, МПК G01M 7/00, 1971 г.].
Установка обладает ограниченными возможностями и не обеспечивает достаточной точности испытаний объектов с сосредоточенной инерционной массой, например прецизионных датчиков линейных ускорений, из-за следующих недостатков, обусловленных наличием пневмоупругого элемента малой жесткости (сильфона):
- ограниченный уровень имитируемого линейного ускорения из-за возможности потери при повышенном внутреннем давлении устойчивости сильфона, особенно если жесткость сильфона ниже жесткости испытуемого объекта [Л.Е.Андреева. Упругие элементы приборов. - М.: Машиностроение, 1981. - с.301…303];
- ограниченные уровень и длительность действия вибрационного ускорения из-за низкой циклической прочности сильфона и возможности его изгиба при действии поперечных вибраций [там же, с.297…301, 318…323];
- низкая точность передачи усилия, имитирующего линейное ускорение, из-за наличия резонансов сильфона.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является установка (стенд) для динамических испытаний, содержащая основание, на котором закреплены испытуемый объект и цилиндр с торцевой крышкой, размещенный в полости цилиндра поршень со штоком, проходящим через отверстие торцевой крышки и взаимодействующим с исследуемым объектом, и подключенный к полости цилиндра источник сжатого газа (источник давления) [авторское свидетельство СССР №896460, МПК G01M 7/00, G01N 3/30, 1980 г.].
Эта установка может быть принята за прототип изобретения.
Установка обеспечивает определение устойчивости и прочностных свойств испытуемых объектов при импульсном нагружении.
Однако при использовании ее для имитации линейного ускорения при совместном воздействии вибрации она не обеспечивает достаточной точности испытаний из-за следующих недостатков:
- повышенной массы поршня со штоком, которая может быть соизмерима с массой испытуемого объекта (например, с инерционной массой прецизионного датчика ускорений);
- повышенного трения в соединении поршня с цилиндром (особенно при передаче штоком нагрузки в направлениях, не совпадающих с координатными осями испытуемого объекта) и наличия эффекта воздушной «подушки», что может исказить упругодемпфирующие характеристики испытуемых объектов с высокой добротностью, например частотных датчиков линейного ускорения);
- жесткого соединения штока с испытуемым объектом, что при действии вибрации, не совпадающей по направлению с нагрузкой, имитирующей линейное ускорение, может изменить направление приложения нагрузки, привести к жестким соударениям поршня с цилиндром и штока с торцевой крышкой и в результате исказить амплитудно-частотную характеристику испытуемого объекта.
Задачей изобретения является повышение точности испытаний на комплексное воздействие вибрационного и линейного ускорения за счет снижения искажений динамических характеристик испытуемого объекта.
Для решения данной задачи установка для испытаний объектов на комплексное воздействие вибрационного и линейного ускорений, содержащая основание, закрепленные на основании испытуемый объект и цилиндр с торцевой крышкой, размещенный в полости цилиндра поршень со штоком, проходящим через отверстие торцевой крышки и взаимодействующим с испытуемым объектом, и подключенный к полости цилиндра источник сжатого газа, согласно изобретению снабжена вибростендом, на столе которого закреплено основание с испытуемым объектом и цилиндром, торцевая крышка которого выполнена в виде фланца со стенкой, расположенной в его полости, высота h торцевой крышки больше расстояния δ между стенкой крышки и поршнем, а δ больше максимального рабочего хода поршня, на штоке на расстоянии δ от поршня выполнен радиальный выступ, при этом рабочие поверхности поршня и радиального выступа выполнены тороидальной формы, а поверхность штока в месте контакта с испытуемым объектом имеет сферическую форму, при этом в цилиндре выполнено дренажное отверстие, обращенное к стенке торцевой крышки, а поршень и радиальный выступ штока установлены с зазорами в цилиндре и в торцевой крышке соответственно, причем поршень и шток выполнены из антифрикционного материала низкой плотности.
Поршень и шток с радиальным выступом выполнены из фторопласта.
Наличие стенки на торцевой крышке, выступа на штоке и выполнение поршня и штока с выступом из антифрикционного материала низкой плотности с рабочими поверхностями тороидальной и сферической формы соответственно, выполнение в цилиндре дренажного отверстия, обращенного к стенке торцевой крышки, установка поршня и выступа штока с зазорами в цилиндре и в торцевой крышке позволяют исключить эффект «воздушной подушки», уменьшить массу поршня со штоком и снизить трение в местах контакта, устранить жесткое соединение штока с испытуемым объектом и в результате снизить искажение динамических характеристик испытуемого объекта и повысить точность испытаний.
Наличие в заявленном изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет его считать соответствующим критерию "новизна".
Новые признаки, отличающие заявленное изобретение от прототипа, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения и поэтому они обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".
На чертеже показан общий вид предлагаемой установки.
1
2
1
2
3
Установка содержит вибростенд 1, основание 2 с фланцем 3, испытуемый объект 4 с инерционной массой 5. На основании 2 закреплен испытуемый объект 4 и цилиндр 6 с торцевой крышкой, выполненной в виде закрепленного на цилиндре 6 фланца 7 и стенки 8, расположенной в полости цилиндра 6. В торцевой крышке выполнено осевое отверстие 9, а в стенке цилиндра 6, выполнено дренажное отверстие 10, обращенное к стенке 8 торцевой крышки. В полости цилиндра 6 находится поршень 11 со штоком 12, разделяющий ее на полости 13 и 14. Шток 12 проходит через отверстие 9 торцевой крышки. Рабочая поверхность 15 поршня 11, обращенная к стенке цилиндра 6 выполнена тороидальной формы, а поршень 11 установлен в цилиндре с зазором Δ, что обеспечивает «точечный» контакт поршня с цилиндром при действии вибрации. На штоке 12 на расстоянии δ от поршня 11 до стенки 8 выполнен радиальный выступ 16. Его рабочая поверхность 17 обращена к стенке 8 и выполнена тороидальной формы, а сам выступ 16 размещен в стенке 8 с зазором Δ, что обеспечивает их «точечный» контакт при действии вибрации. «Точечные» контакты обеспечивают высокое контактное давление и соответственно низкий коэффициент трения. Кроме того, установка поршня 6 и штока 12 с выступом 16 с малыми радиальными зазорами Δ и Δ исключает заклинивание подвижной системы из-за технологических допусков, а также появление воздушной «подушки» в полостях 13, 14. Торцевая крышка имеет возможность радиального перемещения на величину Δ при ее закреплении к цилиндру 6, что дает возможность настройки устройства для передачи усилия в центр масс испытуемого объекта 4 и в заданном направлении. Высота h торцевой крышки больше δ. Выбор высоты h обеспечивает нахождение поверхности 17 выступа 16 в отверстии 9 торцевой крышки при максимальном перемещении поршня 11 со штоком 12, а δ больше величины максимального рабочего хода поршня 11 для исключения его контакта со стенкой 8 и обеспечения работоспособности установки. Конец штока 12 взаимодействует сферической поверхностью 18 с инерционной массой 5 испытуемого объекта 4. К цилиндру 6 подсоединены шланг 19 для подвода к полости 13 сжатого газа и измерительный датчик 20. Поршень 11 и шток 12 с выступом 16 выполнены из антифрикционного материала низкой плотности, например фторопласта, что позволило уменьшить их массу и снизить коэффициент трения до 0,02…0,04 [В.Д.Воронков. Подшипники сухого трения. -М.: Машиностроение, 1979, 224 с.].
Устройство работает следующим образом.
Основание 2 с испытуемым объектом - инерционным датчиком 4 и цилиндром 6 закрепляют на столе 21 вибростенда 1 с помощью фланца 3. Проводят настройку и тарировку установки. После этого в резервуаре (на фигуре не показано) создают давление, соответствующее наибольшему значению линейного ускорения. При проведении испытаний давление, регулируемое натекателем или программным устройством (на фигуре не показано), подают через шланг 19 в полость 13. Поршень 11 под действием давления перемещается, и шток 12 воздействует на инерционную массу 5 испытуемого объекта 4. При движении поршня 11 под действием давления воздух в полости 14 свободно вытекает через дренажное отверстие 10, что исключает появление перед движущимся поршнем 11 воздушной «подушки». Давление в полости 13 контролируют датчиком 20, вибрационное ускорение - датчиком 22, установленным на фланце 3.
Определяют, при необходимости, параметры испытуемого объекта (например, эквивалентное линейному ускорению давление срабатывания инерционного датчика) без действия вибрации. Устройство позволяет имитировать линейное ускорение в широком диапазоне скоростей нарастания или при изменении по заданному закону.
Установка при испытаниях на комплексное воздействие вибрационного и линейного ускорений обеспечивает существенно меньшее влияние на динамические характеристики испытуемого объекта по сравнению с прототипом:
- при действии вибрации, не совпадающей по направлению с линейным ускорением, или при передаче штоком 12 нагрузки в направлениях, не совпадающих с координатными осями испытуемого объекта 4, что обеспечивается изменением угла между основанием 2 и фланцем 3, сила трения в местах «точечного» контакта поверхности 15 со стенкой цилиндра 6, поверхности 17 - со стенкой 8, поверхности 18 - с инерционной массой 5 весьма мала из-за низкого коэффициента трения (при настройке установки легко обеспечивается выполнение требования: поршень со штоком должен свободно перемещаться под собственным весом);
1
2
- при действии вибрации, не совпадающей по направлению с линейным ускорением, например, в направлении, перпендикулярном оси штока 12 (такие испытания обеспечивают вибростенды фирмы «Ling Dynamic Systems Ltd»), соударения между поршнем 11 с цилиндром 6 и между выступом 16 со стенкой 8 гасятся воздушными потоками, обтекающими поршень 11 и выступ 16 в зазорах Δ и Δ. При колебаниях инерционной массы 5 (например, в резонансном режиме) сферическая поверхность 18 штока 12 скользит с малым трением по поверхности инерционной массы 5, практически не искажая амплитудно-частотную характеристику испытуемого объекта 4;
1
2
- появление при вибрации воздушной (газовой) «подушки» в полостях 13 и 14 исключается за счет перетекания воздуха (газа) через зазоры Δ, Δ и дренажное отверстие 10.
Таким образом, снижение массы поршня со штоком и трения в местах контакта поршня и штока, исключение воздушной (газовой) «подушки», жестких соударений поршня с цилиндром и выступа штока со стенкой торцевой крышки, а также жесткого соединения штока с испытуемым объектом обеспечивают повышение точности испытаний.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- заявляемая установка предназначена для использования в промышленности, а именно в области испытательной техники, и предназначена для испытаний объектов с сосредоточенной инерционной массой, например датчиков линейных ускорений, объектов, установленных на амортизаторах, и т.п.;
- для заявляемой установки в том виде, в котором она охарактеризована в формуле изобретения, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов;
- заявляемая установка при ее использовании способна обеспечить повышение точности испытаний на комплексное воздействие вибрационного и линейного ускорения за счет снижения искажений динамических характеристик испытуемого объекта.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "промышленная применимость".