Способ испытания объекта широкополосной случайной вибрацией
METHOD FOR TESTING AN OBJECT BY BROADBAND RANDOM VIBRATION

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для испытаний в лабораторно-стендовых условиях конструкций авиационной техники на прочность от действия вибрационных нагрузок.
Известно, что любое техническое изделие после его изготовления вступает в период эксплуатации. Под условиями эксплуатации понимают совокупность внешних факторов, которые могут оказывать влияние на работоспособность технического изделия. К этим факторам относятся климатические, механические (вибрационные) и прочие воздействия. Для того, чтобы изделие работало безотказно, оно должно выдерживать без повреждений и необратимых изменений воздействие разнообразных внешних факторов, характеризующих условия его эксплуатации. Воздействию различных внешних факторов изделие подвергается при натурных или стендовых испытаниях. В стендовых условиях для механических испытаний изделий широко используются вибростенды. Воспроизводимые на них условия имитируют условия, возникающие при эксплуатации изделия в натурных условиях.
В общем случае свойства испытываемого изделия как среды, в которой распространяются вибрационные возмущения в условиях полета, не являются изотропными. Испытываемое изделие представляет собой совокупность различных узлов и блоков, отличающихся модулями упругости, жесткостями, массами и т.д. В процессе эксплуатации и полете изделия на его корпусе и составных частях возникают вибрационные процессы, которые носят нелинейный характер, в результате чего вибрация оказывается многомерной. Поэтому для воспроизведения таких вибраций применяют многокомпонентные вибростенды или отдельные вибростенды, воздействующие на испытуемое изделие в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Для таких испытаний требуется дорогостоящее оборудование, при отсутствии которого изделие приходится последовательно (поочередно по трем осям) нагружать вибрацией со временем нагружения по каждой оси равным времени полета изделия как в с составе носителя, так и на траектории.
Известен способ вибрационных испытаний, описанный в стенде для вибрационных испытаний длиномерных изделий [SU №1840349, МПК G01M 7/00, опуб. 10.10.2006 г, бюл. №28], заключающийся в том, что формируют вибрацию, которую передают объекту испытаний с помощью одного вибровозбудителя с приспособлением, к которому присоединяют объект испытания в его центре масс. Приспособление выполняют таким образом, чтобы центр масс приспособления совпадал с центром масс испытуемого изделия и совпадал с направлением возбуждающей силы.
0
Данный способ позволяет осуществить передачу вибрации на испытуемое изделие в осевом (продольном) направлении. Для поперечной передачи вибраций изделие необходимо отсоединить от приспособления, а приспособление - от платформы вибровозбудителя. Затем приспособление с изделием устанавливают в роликах кантователя, после чего поворачивают на 90** и возвращают приспособление с изделием на платформу вибровозбудителя. Передача нагрузки от вибровозбудителя на изделие производится в направлении максимальных жесткостей приспособления, вследствие чего передача частоты и амплитуды на испытуемое изделие от вибровозбудителя обеспечивается полностью.
К недостаткам известного способа следует отнести то, что формирование вибрационной нагрузки проводится только в одном сечении объекта испытаний (в районе центра масс). Возможность передачи вибрации на испытуемое изделие только в одном сечении недостаточно для имитации вибрационных воздействий при испытаний в лабораторно-стендовых условиях конструкций авиационной техники. Для создания же вибрации с помощью одного вибровозбудителя требуемого спектра вибрации одновременно в нескольких контрольных точках изделия приходится изменять место присоединения вибровозбудителя, что трудоемко и ограничивает область применения способа.
Известен способ вибрационных испытаний авиационных управляемых ракет в сборе на прочность при воздействии широкополосной случайной вибрации [RU №2731019, МПК G01M 7/00, опуб. 28.08.2020 г, бюл. №25], принятый за прототип. Данный способ заключается в формировании широкополосной случайной вибрации и передаче ее к объекту испытаний по вертикальной оси Y и в поперечной оси Z с помощью двух электродинамических вибровозбудителей. В данном способе формирование вибрации осуществляют посредством однонаправленных поворотных вибровозбудителей, соединенных через безлюфтовые шарнирные соединения с приспособлением, имеющим штатные узлы подвески объекта испытания к самолету-носителю. При передаче вибрационной нагрузки по оси Y через узлы подвески изделия реализуется пространственная широкополосная случайная вибрация с уровнями вибрационных нагрузок в ортогональных направлениях одного порядка с основным направлением.
В прототипе при отсутствии измерений, проведенных в реальных условиях применения изделия, определяют вибронагрузки в контрольных и измерительных точках изделия по ГОСТ РВ.20.57.305-98, а именно среднеквадратическое значение суммарного ускорения при испытании в продольном направлении (ось X) устанавливают равным 0,7 от вертикального (ось Y) и поперечного (ось Z), а общее заданное время испытания в вертикальном, поперечном и продольном направлениях распределяют в следующих пропорциях 0,5; 0,3 и 0,2. Отработку режима испытаний проводят на макете изделия или на штатном изделии на 50%-ном уровне нагружения. При проведении испытаний по оси Y для снятия статической нагрузки с вибровозбудителей, удержания изделия в горизонтальном положении и исключения влияния амортизаторов на испытательный режим, длину резиновых авиационных амортизаторов для вывески изделия по передним и задним узлам подвески необходимо рассчитывать.
Недостатком прототипа является неполное соответствие условий испытаний к реальным условиям эксплуатации изделия. В прототипе при испытании объекта учитывают лишь пространственные и случайные вибрации, которые передаются через передние и задние узлы подвески изделия от узлов захвата самолета-носителя. Когда как в натурных условиях (при полете самолета-носителя с изделием) вибрация возбуждается также от пульсаций давления набегающего потока воздуха, а при автономном полете изделия на траектории при отделении его от самолета-носителя отсутствует присоединение изделия к носителю и вибрация возбуждается только аэродинамическим воздействием, что не учтено в прототипе. Прототип не дает возможность сымитировать вибрацию, возникающую при автономном полете изделия после отделения от самолета-носителя, а также вибрацию, возникающую от аэродинамического воздействия, т.е. более полно воспроизвести (сымитировать) эксплуатационные нагрузки на конструкцию объекта испытаний.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение является более точная имитация эксплуатационных воздействий на конструкцию, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации изделия, создаваемых в лабораторных условиях, приближенных к натурным вибрационным нагрузкам, возникающим от аэродинамического воздействия и при автономном полете изделия после отделения от самолета-носителя.
Технический результат достигается тем, что в способе испытания объекта широкополосной случайной вибрацией заключающийся в формировании широкополосной случайной вибрации, которую передают к объекту испытаний по вертикальной оси Y и в поперечной оси Z с помощью двух электродинамических вибровозбудителей, согласно изобретения вибрацию формируют одновременно двумя вибровозбудителями, к которым жестко присоединяют объект испытания по двум сечениям, одно из которых размещено в центре масс объекта, а другое - на торце хвостовой части, причем формирование вибрации осуществляют в частотном диапазоне от 10 до 2000 Гц путем создания спектральной плотности мощности ускорения в указанных сечениях объекта испытания, вибрационное воздействие осуществляют последовательно в вертикальном, поперечном и продольном направлениях при 100%-ном уровне нагружения, при этом общее заданное время испытания, соответствующее времени автономного полета объекта на траектории, в каждом из направлений распределяют в равных пропорциях.
Формирование вибрации одновременно двумя вибровозбудителями, размещенных по двум сечениям объекта исследования, одно из мест размещения - в центре масс объекта, а другое - на торце хвостовой части позволяет более полно сымитировать эксплуатационные воздействия, создаваемые в лабораторных условиях, с приближением к натурным вибрационным нагрузкам, возникающим от аэродинамического воздействия и при автономном полете изделия после отделения от самолета-носителя.
Жесткое присоединение объекта испытания к вибровозбудителям позволяет исключить «паразитное» влияние дополнительных элементов (например, безлюфтовые подшипники, амортизаторы), которые могут искажать вибрацию (спектральный состав среднеквадратического ускорения), передаваемую от вибростендов к корпусу изделия, что увеличивает точность и достоверность испытаний.
Известно из книги [В.А. Карбовский. Вибронагружение тела вращения с оперением. Издательство РФЯЦ-ВНИИТФ. Снежинск 2009 г., стр. 21], что результаты вычислений частот срывов вихрей с торцевых кромок хвостовой части изделия показывают, что частоты срыва вихрей за задними кромками стабилизаторов и за торцевым шпангоутом хвостовой части изделия располагаются в частоте 20…2000 Гц. В этой же полосе частот обычно находятся собственные частоты изделия. При совпадении частоты срыва вихрей с одной из собственных частот изделия вибронагружение конструкции будет более интенсивным, особенно в зоне расположения стабилизаторов и на торце хвостовой части. В результате такого взаимодействия изделия с воздушным потоком оно будет "вибрировать", т.е. совершать колебания, что отвечает более полной имитации эксплуатационных воздействий. Поэтому, формирование вибрации, осуществленной в частотном диапазоне от 10 до 2000 Гц путем создания спектральной плотности мощности ускорения в указанных сечениях объекта испытания (в центре масс и в хвостовой части), обеспечивает более полную имитацию эксплуатационных воздействий на конструкцию объекта испытаний, близкую к натурным условиям применения
Осуществление вибрационного воздействия последовательно в вертикальном, поперечном и продольном направлениях обеспечивает более полную имитацию эксплуатационных воздействий.
Проведение испытаний на 100%-ном уровне нагружения дает возможность более качественно подбирать (производить) режим нагружений, наиболее приближенный к вибрации, получаемой в натурных условиях.
Распределение общего заданного времени испытания в трех направлениях в равных пропорциях, по сравнению с прототипом, где общее заданное время распределено как 0,5; 0,3 и 0,2 дает возможность максимально приблизить лабораторные испытания к натурным условиям эксплуатации объекта испытаний, где время работы системы автоматики изделия в натурных условиях должно совпадать со временем полета изделия на траектории, а также со временем нагружения изделия в наземных условиях по каждой оси, что особенно важно при подтверждении виброустойчивости изделия.
В результате указанной передачи вибрации в ортогональных направлениях (Z,X) реализуется пространственная широкополосная случайная вибрация с различными уровнями вибрационных нагрузок в указанных сечениях корпуса объекта испытаний (в центре масс и на торце хвостовой части), что позволяет нагрузить объект испытаний различными спектральными составами ускорения в указанных сечениях корпуса, тем самым позволяет сымитировать вибрацию как при полете ЛА с самолетом-носителем, так и вибрацию, возникающую от аэродинамического воздействия и при автономном полете изделия после отделения от самолета-носителя.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежом (фиг.), где представлено устройство, реализующее заявляемый способ испытания объекта широкополосной случайной вибрацией.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Предварительно определяют вибрационные нагрузки для испытаний изделия 1, которые должны соответствовать параметрам вибрации, полученным в реальных условиях его эксплуатации. Макет объекта испытаний 1 жестко закрепляют через силовые шпангоуты 2, 3 к двум вибрационным стендам 4, 5. Одно из шпангоутов 2 размещают в центре масс объекта 1, а другое 3 - на торце хвостовой части объекта 1. Один из вибрационных стендов 5 (как правило, расположенный для закрепления хвостовой части изделия 1) оснащен приспособлением 6 для перемещения в горизонтальной плоскости, что позволяет оперативно менять место приложения подводимой вибрации к изделиям с различной длиной корпуса. Широкополосную случайную вибрацию формируют одновременно двумя стендами 4, 5 и передают к объекту испытаний через шпангоуты 2,3 по вертикальной оси Y и в поперечной оси Z. Формирование вибрации осуществляют в частотном диапазоне от 10 до 2000 Гц путем создания спектральной плотности мощности ускорения в указанных сечениях (центре масс и хвостовой части) объекта испытания 1. Проводят отработку режима испытаний последовательно в вертикальном, поперечном и продольном направлениях на макете изделия 1 на 100% -ном уровне нагружения или с определенным запасом, накладываемым на длительность и уровень вибрационного воздействия. Отработку ведут с помощью двух автоматизированных цифровых систем управления (не показано) случайной вибрации, каждая из которых подключена к соответствующему вибростенду 4, 5, которым она управляет. При отработке режимов в процессе испытаний проводят сравнительную оценку параметров вибрации в направлении воздействия со значениями вибрационных нагрузок, возникающих в этом же направлении в натурных условиях. При необходимости проводят корректировку параметров воздействия на объект испытаний 1. Нагружения объекта испытаний проводят в течение требуемого времени. Общее заданное время испытания, соответствующее времени автономного полета объекта на траектории, в каждом из направлений распределяют в равных пропорциях. На выбранном режиме проводят испытания объекта испытаний.
Предлагаемый способ испытаний объекта 1 имитирует не только вибрацию, возникающую от узлов захвата самолета-носителя, но и вибрацию, возникающую от аэродинамического воздействия и при автономном полете изделия после отделения от самолета-носителя, максимально приблизив испытательные нагрузки, создаваемые в лабораторных условиях, к натурным вибрационным нагрузкам.
На предприятии были проведены предварительные испытания устройства, с помощью которого был осуществлен метод испытания объекта широкополосной случайной вибрацией, выполненный в соответствии с заявляемым изобретением. Испытания подтвердили достоверность испытаний с максимальным приближением к реальным условиям эксплуатации изделия, позволив осуществить более полную имитацию эксплуатационных воздействий, создаваемых в лабораторных условиях, приближенных к натурным вибрационным нагрузкам, возникающим от аэродинамического воздействия и при автономном полете изделия после отделения от самолета-носителя.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявляемый способ при его осуществлении, относится к испытательной технике и может быть использовано для испытаний в лабораторно-стендовых условиях конструкций авиационной техники на прочность от действия вибрационных нагрузок.;
- заявляемый способ при использовании способен обеспечить более точную имитацию эксплуатационных воздействий на конструкцию, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации изделия;
- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленный способ активной защиты соответствует условию «промышленная применимость».