СТЕНД ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИИ

Полезная модель относится к области испытательной техники, в частности, к методам проведения усталостных испытаний для установления ресурса конструкции и может быть использована в машиностроении, авиации и т.д.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является принятый в качестве прототипа «Стенд для динамических испытаний конструкций балочного типа воздушного винта летательного аппарата» патент РФ №2052787, содержащий станину (силовой портал), устройства для закрепления испытываемой конструкции на стенде, вибровозбудитель (силовозбудитель), приспособление для обеспечения требуемого соотношения силовых факторов в сечении испытываемой конструкции, выполненное в виде рычага с регулируемой массой, являющихся принадлежностью стенда. Все данные признаки, кроме выполнения приспособления для обеспечения требуемого соотношения силовых факторов в виде рычага с регулируемой массой, присутствуют (являются общими) и в предлагаемом техническом решении.
Метод испытаний основан на возбуждении колебаний конструкции на резонансных частотах. Испытываемая конструкция устанавливается на стенде. Колебания на резонансных частотах возбуждаются механическими или электродинамическими силовозбудителями. Возбуждение колебаний на резонансной частоте позволяет с помощью сравнительно небольших усилий со стороны вибратора создавать в испытываемой конструкции напряжения, превышающие предел усталости. Достоинством метода является существенное сокращение сроков усталостных испытаний по сравнению с повторно статическим способом нагружения.
Недостатком принятого в качестве прототипа стенда является то, что
он предназначен для испытаний конструкций только определенного типа (частей винтов вертолетов): крутящий момент, создаваемый регулируемым грузом, постоянен по длине испытываемой конструкции; максимальное значение изгибающего момента получается в срединном сечении образца, что не характерно для других конструкций, например, консолей крыла, лопастей ветроэнергетических установок и т.д.
Предлагаемой полезной моделью решается задача проведения усталостных испытаний резонансным методом широкого круга конструкций путем обеспечения заданного соотношения силовых факторов и их амплитудных значений в одном или нескольких выбранных сечениях конструкции.
Для достижения названного технического результата в стенде для динамических испытаний конструкции, содержащем станину, устройство для закрепления испытываемой конструкции на станине, вибровозбудитель, а также приспособление для обеспечения требуемого соотношения силовых факторов в выбранном сечении конструкции, испытываемая конструкция закреплена на станине консольно, а приспособление для обеспечения требуемого соотношения силовых факторов в выбранном сечении конструкции выполнено в виде не менее одного корректирующего груза с возможностью закрепления на испытываемой конструкции в необходимом положении, как в поперечном, так и в продольном направлении.
Отличительными признаками предложенного устройства является то, что испытываемая конструкция закреплена на станине консольно (штатно), а приспособление для обеспечения требуемого соотношения силовых факторов в выбранном сечении конструкции выполнено в виде не менее одного корректирующего груза с возможностью закрепления на испытываемой конструкции в необходимом положении, как в поперечном, так и в продольном направлении.
Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными существенно расширяется класс испытываемых
конструкций, повышается точность воспроизведения силовых факторов при испытаниях резонансным методом, проводимых с целью установления ресурса конструкции.
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации, решений, содержащих аналогичные признаки, не обнаружено. Таким образом, можно сделать заключение о том, что предложенный стенд не известен из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности - «новое».
Предложенное решение может найти применение в машиностроении, авиации и т.д. везде, где требуется определять ресурс создаваемых конструкций, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость».
Полезная модель поясняется чертежами фиг.1-3.
На фиг.1 изображена схема испытательного стенда.
На фиг.2 изображена собственная форма колебаний первого тона конструкции в виде перемещений точек оси жесткости в плоскости перпендикулярной плоскости хорд лопасти (f) и углов поворота относительно оси жесткости (φ), а также собственная частота колебаний для варианта конструкции без установки корректирующих грузов 5.
На фиг.3 то же самое, но для варианта с корректирующим грузом.
На фиг.1 схематически показан силовой портал 1, на котором закреплено устройство 2 для закрепления испытываемой конструкции 3 на стенде, в котором с использованием штатных элементов, являющихся частью испытываемой конструкции 3, последняя установлена на стенде. С помощью ложемента 4 на испытываемой конструкции 3 в выбранном сечении закреплен корректирующий груз 5. Возбуждение колебаний осуществляется силовозбудителем (вибровозбудителем) 6. Контроль силовых факторов в критическом (с точки зрения усталостной прочности сечении) осуществляется измерительной системой 7 посредством тензорезисторов 8.
Работа стенда осуществляется следующим образом.
На этапе подготовки испытаний расчетным и (или) экспериментальным путем определяются массы корректирующих грузов 5 и точки их расположения так, чтобы обеспечить требуемые величины и соотношение силовых факторов, например, изгибающих и крутящих моментов в выбранных сечениях конструкции 3.
Для этого по общепринятой теории, например, в рамках балочной модели, производится расчет частот и форм колебаний конструкции 3 и соответствующих им эпюр внутренних силовых факторов. Если в результате расчета полученные соотношения силовых факторов и их амплитудные значения не соответствуют требуемым, то в расчетную модель вводят корректирующие грузы 5.
j
Значения изгибающих и крутящих моментов в сечении x=x балки 3 (испытываемой конструкции) длиной l, закрепленной в корневом сечении x=0 могут быть определены по формулам:
где:
i
m(x) - погонная масса балки 3, m - масса груза 5,
z(x) - расстояние от оси жесткости до центра масс сечения балки 3,
i
Z - расстояние от оси жесткости до центра масс груза 5,
f(x), φ(x) - перемещения оси жесткости балки 3 при изгибе и угол поворота относительно оси жесткости по форме собственных колебаний,
пронормированной по перемещению конца балки 3,
ω - собственная частота выбранного тона колебаний в герцах,
0
j
i
j
i
q - амплитуда колебаний конца балки 3. Величины силовых факторов в сечении х=x увеличиваются с увеличением масс и плеч установки корректирующих грузов 5 x-x; z, и пропорциональны квадрату собственной частоты выбранного тона колебаний. Увеличение плеч установки корректирующих грузов 5 и их масс ведет к уменьшению собственной частоты выбранного тона колебаний.
Таким образом, подбор масс и мест расположения корректирующих грузов 5, обеспечивающих требуемое соотношение силовых факторов и их величин является задачей оптимального проектирования, которая может быть решена методом проб и ошибок.
Получив расчетным путем значения масс и места расположения корректирующих грузов 5 переходят к экспериментальной проверке полученных результатов. С помощью ложементов 4 или иных приспособлений грузы 5 закрепляются на испытываемой конструкции 3 в местах определенных расчетным путем. Конструкция 3 устанавливается на стенде. Производится статическая тарировка чувствительных элементов 8 (тензорезисторов), измеряющих усилия в выбранном сечении конструкции 3. Проводятся частотные испытания с целью определения резонансных частот и проверки соответствия выбранной формы собственных колебаний предъявляемым к ней требованиям. При необходимости величины и места расположения корректирующих грузов 5 уточняются.
Производятся усталостные испытания конструкции 3 путем возбуждения колебаний на резонансной частоте выбранного тона собственных колебаний с помощью силовозбудителей 6. Параметры силовозбудителей 6 и места их установки подбираются из условий обеспечения требуемых величин амплитудных значений силовых факторов с учетом возможных ограничений, например, на ход штока
электродинамических силовозбудителей 6.
В качестве иллюстрации рассмотрим реализацию испытаний на выносливость резонансным способом лопасти ветроэнергетической установки массой 50.6 кг и длиной 4.5 м, упругие свойства которой с высокой степенью точности могут быть описаны в рамках балочной теории. Силовыми факторами, определяющими усталостную прочность конструкции, являются изгибающий и крутящий моменты в корневом сечении, соотношение которых в процессе работы равно 3:1. Собственная форма колебаний первого тона конструкции в виде перемещений точек оси жесткости в плоскости перпендикулярной плоскости хорд лопасти (f) и углов поворота относительно оси жесткости (φ), а также собственная частота колебаний для варианта конструкции 3 без установки корректирующих грузов 5 приведены на фиг.2. То же для варианта конструкции с установленным с помощью ложемента корректирующим грузом 5 массой 15 кг, размещенным на расстоянии 1 м от корневого сечения и вынесенным на 1 м относительно оси жесткости, приведено на фиг.3.
изг
кр
изг
кр
В варианте без установки корректирующего груза амплитуда изгибающего момента в корневом сечении при возбуждении на резонансной частоте первого тона составила M=6600н·м, крутящего момента М=130н·м, в варианте с установкой корректирующего груза 5 амплитуда изгибающего момента составила M=10700н·м, крутящего момента М=3010н·м, Амплитуда перемещений оси жесткости в концевом сечении лопасти при испытаниях в первом и втором вариантах составляла 0.1м.
Таким образом, установка корректирующего груза 5 привела к увеличению амплитуды изгибающего момента в корневом сечении и позволила обеспечить требуемое соотношение силовых факторов в заданном сечении.