СТЕНД ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
DYNAMIC LOAD REPRODUCING BENCH

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к стендам для создания динамических нагрузок и ускорений на испытуемых объектах - конструкций различного назначения, материалов, приборов и т.п.
Известен стенд для ударных испытаний [SU №1322105, МПК G01M 7/00, 07.07.1987 г.], содержащий цилиндрический корпус с установленным в нем основным поршнем со штоком, привод для разгона основного поршня, включающий пневматическую камеру, тормозное устройство, и испытуемое изделие.
Основной поршень служит для крепления испытуемого изделия. Стенд снабжен дополнительным поршнем, установленным в корпусе на регулируемом расстоянии от основного поршня с образованием пневматической камеры. Стенд снабжен фиксатором поршня и установочно-подвижным в осевом направлении упором, размещенным со стороны дополнительного поршня и связанного с основным поршнем посредством штока. Тормозное устройство выполнено в виде крешерного устройства, включающего закрепленную на штоке с помощью опоры втулку из пластичного материала и кольцевой резец, закрепленный на корпусе. После заданного разгона основного поршня дополнительный поршень соединяется с ним, и, замыкая силовую цепь, обеспечивает резкое прекращение разгона. Изменяя расстояние между поршнями, получают ударные импульсы разной длительности. Данный стенд воспроизводит ударные импульсы, близкие к трапецеидальной форме с крутым передним фронтом, медленно спадающим уровнем максимальной силы, и воспроизводит с повышенной сочностью ударные импульсы с крутым задним фронтом.
Однако недостатками данного стенда являются:
- отсутствие возможности изменения динамического воздействия в широком диапазоне;
- для получения заданного ударного импульса стенд довольно сложно настраивается: предварительно дополнительный поршень должен устанавливаться на расчетном расстоянии от внутреннего торца основного поршня, а имеющейся в стенде упор - на другом расчетном расстоянии от дополнительного поршня;
- применение тормозного устройства, основанного на принципе срезания материала или дросселирования газа, усложняет конструкцию:
- взаимодействие основного поршня с дополнительным приводит к значительным повреждениям элементов стенда, что потребует его переборки и замены деталей с механическими повреждениями. Также потребуется переборка при проведении серии нагружений, что приводит к значительным временным затратам серийно проводимых нагружений, а также оказывает соответствующее влияние на точность повторного нагружения в связи с изменением состояния установки после переборки.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является стенд для ударных испытаний [RU №2406074, МПК G01M 7/08, опуб. 10.12.2010 г], содержащий цилиндрический корпус с установленным в нем основным поршнем со штоком, привод для разгона основного поршня, включающий пневматическую камеру, тормозное устройство, и закрепленное на конце штока испытуемое изделие. Пневматическая камера образована внутренними стенками корпуса и основным поршнем. Стенд снабжен фиксатором основного поршня и упором, установленным с возможностью взаимодействия с поршнем. Для уменьшения паразитных колебаний изделия при испытаниях и повышении воспроизводимости параметров натурных ударных нагрузок испытуемого изделия стенд снабжен упорной втулкой, установленной на одном конце штока между поршнем и фиксатором, и взаимодействующей с поршнем через пружину. Тормозное устройство выполнено в виде соединенного с поршнем одним концом и охватывающего шток стакана с внутренней оболочкой, охватывающей шток, и пуансона, закрепленного на штоке с другого конца стакана, который выступает за цилиндрический корпус. Пуансон после остановки поршня начинает перемещаться относительно неподвижного стакана и, пройдя расстояние в момент полной разгрузки пружины, внедряется в оболочку, деформируя ее. В процессе протяжки оболочки пуансоном идет торможение испытуемого изделия до полной остановки с формированием постоянной тормозной силы заданной величины. Для проведения следующих испытаний происходит замена оболочки, при изменении параметров ударного импульса упор устанавливается на другое расчетное расстояние.
Известный стенд для ударных испытаний обеспечивает безударное торможение за счет протяжки материалов.
Однако прототип имеет ряд недостатков:
- параметры воздействия ограничены, отсутствует возможность реализации знакопеременной нагрузки;
- отсутствует возможность варьировать в широком диапазоне параметрами создаваемых импульсов;
- характеристики ударного импульса напрямую зависят от материала, применяемого для протяжки, и начального давления в пневматической камере. Анизотропность применяемого для протяжки материала, допуски на изготовление и качество сборки тормозного устройства могут привести к значительному разбросу параметров создаваемых импульсов, что скажется на точности их воспроизведения;
- применение тормозного устройства, основанного на принципе срезания материала, усложняет конструкцию;
- необходимость проведения методических опытов при перенастройке стенда в случае перехода на новый материал для протяжки делает работу по подготовке эксперимента затратной по времени. Для повторного нагружения требуется значительное время, необходимое для переборки стенда.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение является расширение диапазона и повышение точности воспроизводимых установкой динамических воздействий на объект испытаний при простоте конструкции с одновременным сокращением времени проведения испытаний.
Технический результат достигается тем, что стенд для воспроизведения динамической нагрузки, содержащий цилиндрический корпус с установленным в нем основным поршнем со штоком, привод для разгона основного поршня, включающий пневматическую камеру, тормозное устройство, и закрепленное на конце штока испытуемое изделие, согласно изобретения в корпус введен дополнительный поршень, образующий с основным поршнем заполненную рабочей средой регулируемую по объему гидравлическую камеру, тормозным устройством служит крышка, закрывающая передний торец корпуса, при этом дополнительный поршень установлен на заданном расстоянии от крышки, а пневматическая камера представляет собой отдельно присоединенную к заднему торцу корпуса со стороны основного поршня ограниченную собственным корпусом камеру с поршнем, взаимодействующим с основным поршнем, причем полость пневматической камеры сообщена с предпоршневой полостью, образованной внутренними стенками корпуса, основным поршнем и торцом пневматической камеры.
Введение в корпус дополнительного поршня, образующего с основным поршнем заполненную рабочей средой регулируемую по объему гидравлическую камеру, при этом дополнительный поршень установлен на заданном расстоянии от крышки, позволяет создать пневмогидравлическое разгонное устройство с замкнутым гидравлическим контуром. Жидкость находится в замкнутом объеме и не имеет возможности истечения, что повышает точность воспроизведения повторных импульсов и не требует переборки. Формирование динамического воздействия происходит за счет возбуждения колебаний в гидравлической камере и штоке, к которому прикреплен объект испытания. А использование эффекта «гидравлического удара», вызванного резким торможением тока жидкости в гидравлической камере и установка дополнительного поршня на заданном расстоянии от крышки, расширяет диапазон воспроизводимого стендом динамического воздействия с различными амплитудами и временами действия. Формирования как ударного, так и знакопеременного затухающего динамического воздействия достигается использованием в гидравлической камере в качестве рабочей среды как жидкости так и жидкости с газом.
Использование в качестве тормозного устройства крышки, закрывающей передний торец корпуса, позволяет отказаться от стопорного устройства, упрощая конструкцию. Отсутствие необходимости смены устройства торможения (в предлагаемой установке камера с жидкостью герметична и постоянного объема) обеспечивает минимальное время перехода к повторному опыту, что существенно сокращает общее время испытаний. При этом готовность предлагаемой установки к повторному опыту определяется временем перевода штока с объектом испытаний в начальное положение и не требует переборки стенда.
Выполнение пневматической камеры в виде отдельно присоединенной к заднему торцу корпуса со стороны основного поршня ограниченную собственным корпусом камеры с поршнем, взаимодействующем с основным поршнем, при этом полость пневматической камеры сообщена с предпоршневой полостью, образованной внутренними стенками корпуса, основным поршнем и торцом пневматической камеры обеспечивает «мгновенное» перетекание воздуха в предпоршневую полость, разгон основного поршня со штоком и его поджим давлением воздуха, что позволит повысить точность воспроизводимых установкой динамических воздействий на объект испытаний при простоте конструкции.
В качестве среды в стенде может быть использована рабочая среда с различным модулем упругости, что дополнительно расширит диапазон воспроизводимых установкой динамических воздействий.
Устройство поясняется чертежом, где представлен общий вид стенда.
Стенд состоит из закрепленного при помощи кронштейнов 1 на опоре 2 полого цилиндрического корпуса 3 с установленным в нем поршнем 4 со штоком 5. С одного торца корпус 3 закрыт крышкой 6, а с другого торца - приводом для разгона поршня в виде отдельно присоединенной со стороны поршня 4 пневматической камеры 7, полость 8 которой сообщена каналом (не показано) с предпоршневой полостью 9, образованной внутренними стенками корпуса 3, поршнем 4 и торцом корпуса камеры 7. Крышка 6 служит тормозным устройством. На конце штока 5 с помощью оснастки (не показано) закреплено испытуемое изделие 10. В корпус 3 введен дополнительный поршень 11, установленный на заданном расстоянии от крышки 6 в зависимости от требуемого динамического воздействия и образующий с поршнем 4 заполненную рабочей средой (жидкостью) регулируемую по объему гидравлическую камеру. Расстояние между крышкой 6 и поршнем 11 определяет амплитуду воспроизводимого воздействия, а расстояние между поршнями 4 и 11 определяет продолжительность воспроизведенного процесса и получаемую форму импульса. Камера 7 прикреплена к торцу корпуса 3 посредством гайки 12 и имеет днище 13, присоединенное посредством болтов к собственно корпусу камеры 7. В камере 7 установлен поршень 14 со штоком 15, связанный с электромагнитом 16, размещенным извне.
Стенд работает следующим образом. В конструкцию стенда для воспроизведения динамической (ударной, знакопеременной) нагрузки в основу формирования импульса на объект испытаний 10 заложен принцип «гидравлического удара», формируемый жидкостью в гидравлической камере при ее разгоне и последующем торможении. Для проведения нагружения объекта испытаний 10 полость цилиндра 3 установки, ограниченную поршнями 4 и 11, заполняют рабочей средой - жидкостью. После чего в пневматическую камеру 7 нагнетают воздух до требуемого значения давления. При подаче электрического сигнала на электромагнит 16 происходит перемещение штока 15 и поршня 14, при этом газ из полости 8 резко перетекает в предноршневую полость 9, приводя основной поршень 4 в движение. Вместе с поршнем 4 движется и шток 5 с закрепленным на нем объектом испытаний 10 и жидкость, находящаяся между поршнями 4 и 11. При достижении поршнем 11 крышки 6 ток жидкости прекращается и возникает «гидравлический удар», который вызывает колебательный процесс с амплитудой по давлению значительно превышающий давление, под действием которого двигался столб жидкости. Колебательный процесс регистрируют датчиком ускорения 18, установленным на объекте испытаний 10. Контроль давления в гидравлической камере производят датчиком давления 17. В стенде может быть использована рабочая среда с различным модулем упругости, что позволит изменить модуль упругости одного из колебательных контуров и даст возможность провести перераспределение частотного наполнения динамических воздействий и изменить форму создаваемого импульса, тем самым дополнительно расширить диапазон воспроизводимых установкой динамических воздействий. За счет применения различных сред: жидкость; жидкость, насыщенная газом; жидкость с газом (с так называемой «воздушной подушкой»), возможно формирование значительного динамического воздействия с различными амплитудами и временами действия, возможно формирование как ударного, так и знакопеременного затухающего динамического воздействия. Предлагаемый стенд обеспечивает возможность изменения дисперсии колебаний по частотам за счет наличия в системе нескольких одновременно работающих колебательных контуров: 1 - жидкость (средние частоты), 2 - шток с объектом испытаний (высокие частоты), 3 - воздух (низкие частоты). При этом повторяемость результатов испытаний обеспечивается замкнутостью системы и возможностью точного воспроизведения начальных параметров установки. В зависимости от начальных параметров: перемещение до момента соударения, изменения модуля упругости жидкости за счет ее насыщения газом происходит перераспределение вклада указанных выше колебательных контуров в частотное наполнение воздействий. На предприятии были проведены экспериментальные исследования стенда для воспроизведения динамических нагрузок, результаты которых представлены в таблице.
Данные таблицы наглядно демонстрируют, что при повышении давления в полости пневматической камеры (опыт 3 и 5), происходит увеличение амплитуды ускорения воспроизводимого воздействия, при этом в зависимости от соотношения в гидравлической камере между жидкостью и газом, а также расстояния от поршня 11 до крышки, стенд позволяет варьировать длительность импульса и распределение энергии по основным частотам (изменение дисперсии). Проведенные исследования подтверждают, что с помощью предлагаемого стенда возможно воспроизводить динамические воздействия с различной амплитудой, формой, длительностью и дисперсией.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для создания динамических нагрузок и ускорений на испытуемых объектах - конструкций различного назначения, материалов, приборов и т.п.;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно расширить диапазон и повысить точность воспроизводимых установкой динамических воздействий на объект испытаний при простоте конструкции с одновременным сокращением времени проведения испытаний;
- 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.
Следовательно, заявленный стенд для воспроизведения динамической нагрузки соответствует условию «промышленная применимость».