Устройство крепления реле на вибростенде и ударном стенде
RELAY ATTACHMENT DEVICE ON VIBRATION TABLE AND SHOCK TABLE

Область применения
Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам крепления реле на испытательном стенде и может быть использовано для испытания на вибрационном и ударном стендах.
Уровень техники
Практически все изделия (элементы ракет, космических аппаратов, транспорта и др.), подвергающиеся в реальных условиях различным механическим воздействиям, испытывают на разных механических стендах. И для каждого изделия применяют индивидуальное устройство крепления на стенде испытываемого изделия. Все имеющиеся реле имеют свои посадочные и установочные габариты. Испытываемые реле (фиг. 1, 2), для крепления которых разработано заявленное устройство, имеют свои посадочные габариты (прямоугольная площадка, фиг. 2) и две крепежные шпильки, расположенные в углах посадочной плоскости реле. Поэтому и устройство крепления этих реле будет индивидуальным, пригодным только для данного типа реле. Основное требование к устройству крепления реле на механическом стенде - передача энергии механического действия (вибрации, удара) от стенда на реле с минимальными искажением и потерями.
Известно устройство крепления на центрифуге одновременно шести электромагнитных реле [Черкасов Ю.Н. Периодические испытания реле. Учебное пособие. Издание первое. М.: ФГУП «НПП ВНИИЭМ», 2010, 175 с.; с. 124], представляющее пустотелый параллелепипед из толстой жести с шестью специальными вырезами для крепления реле (фиг. 3). Недостатком данного устройства является наличие пустотелости, малое число посадочных мест для реле, потеря энергии и искажение механического импульса вибрации или удара при передаче его от стенда на испытываемое реле из-за жести и дополнительно нужно специальное крепление к стенду.
Известно устройство крепления реле на центрифуге одновременно десяти электромагнитных реле [Черкасов Ю.Н. Совершенствование системы испытаний: Книга 4. Антология совершенствования испытаний реле / Под ред. д.т.н., академика АЭН РФ А.П. Сарычева. - М.: ЛЕНАНД (URSS), 2017 - 464 с., с. 333; Черкасов Ю.Н. и др. Патент RU 2498257. С2. G01M 7/00 (2006.01). 10.11.2013 г.], представляющее такую же конструкцию (пустотелый параллелепипед из толстой жести) только с десятью посадочными местами для крепления реле (фиг. 4). Здесь достаточное число посадочных мест, но другие недостатки те же.
Известно устройство крепления на вибростенде и ударном стенде шести микродвигателей [Электродвигатели бесконтактные постоянного тока. ТАИК 521 273 009 Д2 (IAA.Б99.387.Д2), 28 листов, лист 16]. Устройство представляет кубическую конструкцию, к граням которого крепят болтами специальную плиту с шестью круглыми вырезами, в которые вставляют микродвигатели. Конструкция кубической конструкции такова, что крепить плиту с микродвигателями можно только к ее боковым граням. Следовательно, испытывать двигатели можно только в двух взаимно перпендикулярных положениях. По Техническим Условиям реле же нужно испытывать в трех взаимно перпендикулярных положениях. Кроме этого, конструкция этого устройства разработана специально для испытания микродвигателей на вибростенде и ударном стенде и не может быть использована для крепления любых других изделий, в том числе и реле.
Известно устройство крепления на вибростенде и ударном стенде одновременно четырех электромагнитных реле [Технические условия ТУ 16-647.037-86 «Реле электромагнитное». ЕЖИА.647115.001ТУ, лист 32] (фиг. 5), содержащее приспособление в форме куба крепления четырех реле, приспособление фиксации куба, приспособление крепления куба к стенду, при этом куб (фиг. 6) выполнен в виде толстостенной квадратной в сечении трубы, внутри которой, в центре по высоте, у граней куба расположены, неотъемлемые от граней куба, четыре посадочных места балконного типа для крепления реле.
Недостатком данного устройства является малое число посадочных мест для реле - четыре (по Техническим Условиям (ТУ) на реле [Технические условия ТУ 16-647.037-86 «Реле электромагнитное». ЕЖИА.647115.001ТУ, лист 10] требуется испытать 10 реле), неравноточные измерения, поскольку приходится проводить три одинаковых испытания разных реле, но в разное время, много коммутационных работ, сложная технология (рутинная, обременительная), большое время испытаний, большие ресурсо-, энерго- и трудозатраты. Кроме этого, здесь четыре сочленения - реле с кубом, куба с плитой, плиты с планшайбой, планшайбы с испытательным столом стенда, которые уменьшают энергию механического импульса и искажают его. Вибростенд и ударный стенд являются очень дорогими и энергозатратными, т.к. приводятся в действие мощными электродвигателями и любая экономия электроэнергии или ресурса стендов дает ощутимый экономический эффект.
Известно устройство крепления реле на вибростенде и ударном стенде одновременно десяти электромагнитных реле [Черкасов Ю.Н. и др. Патент RU 2661453. G01M 7/02 (2006.01). 16.07.2018 г.; Черкасов Ю.Н. Совершенствование системы испытаний: Книга 4. (Монография) Антология совершенствования испытаний реле / Под ред. д.т.н., академика АЭН РФ А.П. Сарычева. - М.: ЛЕНАНД (URSS), 2017 - 464 с., с. 106], содержащее приспособление в форме куба (фиг. 7) крепления десяти реле, приспособление крепления куба к стенду (фиг. 8).
Недостатком данного устройства является необходимость откручивать от пульта контроля реле десять круглых штепсельных разъемов (ШР) с кабелями после испытания реле в положении А и вновь прикручивать к пульту эти десять ШР для испытания в положении Б, что достаточно трудоемко и увеличивает продолжительность испытаний. Эту операцию приходится выполнять как при испытании реле на вибростенде, так и при испытании на ударном стенде.
Примечание. Согласно требований ТУ испытание реле на вибростенде и ударном стенде необходимо проводить в трех взаимно перпендикулярных положениях, условно А, Б, В.
Другим, очень опасным недостатком данного устройства является его резонанс на интервале испытательных частот при испытании реле на вибростенде.
Примечание. Резонанс конструкции изделия - физическое явление резкого увеличения амплитуды вынужденных колебаний конструкции изделия при постоянном внешнем воздействии, возникающее на частотах вибростенда, близких к частоте собственных (свободных) колебаний изделия [ГОСТ 30630.1.1-99. Методы испытания на стойкость к механическим внешним воздействиям. Определение динамических характеристик конструкций.]. Резонанс наблюдается, когда частота вынужденных колебаний вибростенда совпадает с частотой собственных колебаний устройства, установленного на вибростенд.
Опасность резонанса при механических испытаниях изделий состоит в том, что на резонансных частотах нагрузка на испытываемое изделие резко возрастает, на пике резонанса в несколько раз, может превысить предел механической прочности испытываемого изделия, и оно может механически разрушится. Реле - дорогие изделия.
Рассматриваемый куб - это квадратная труба с перегородкой. В монографии [Черкасов Ю.Н.. Совершенствование системы испытаний. Книга 7. Монография. Резонанс механической системы / Под ред. д.т.н., академика АЭН РФ А.П. Сарычева. - М.:ЛЕНАНД (URSS), 2019 - 53 с. ил.] доказано, что трубные конструкции любой формы при их испытании на вибростенде, при переменной частоте вынуждающих колебаний, всегда будут иметь резонанс, причем число резонансов равно числу колебательных систем (пустотелостей). В этой же работе разработана теория резонанса в квадратной трубе с перегородкой при вертикальной вибрации. Доказано, резонанс - следствие, а причина резонанса - совпадение частот вынуждающих и собственных колебаний, а увеличение амплитуды вынужденных колебаний следствие этого совпадения.
При вертикальной вибрации кинетическая энергия полностью переходит в потенциальную в нижней точке испытательного стола вибростенда. Поэтому, механическое разрушение изделия происходит (если оно происходит) именно в нижней точке испытательного стола вибростенда за счет перехода кинетической энергии в потенциальную, которая добавляется к энергии вынужденных колебаний на резонансной частоте. Поскольку приспособление жестко закреплено на вибростенде, то, как такового, его колебания отдельно от стола вибростенда не происходит. Поэтому, эти «колебания» проявляются в энергии. Механическое разрушение изделия происходит за счет совокупной энергии (кинетической, перешедшей в потенциальную + энергия соударения + энергия увлечения) в нижней точке колебаний стола вибростенда.
В этой же работе теоретически выявлены факторы обусловливающие возникновение резонанса, наиболее значимыми из которых являются:
1. Добротность материала, из которого изготовлен куб.
2. Пустотелости, их объем, форма, место расположения и количество.
3. Масса испытываемого изделия.
4. Испытательная нагрузка на изделие.
5. Частота вибростенда.
6. Наличие трения (в нашем случае трением пренебрегаем из-за жесткого крепления куба к вибростенду).
Для проверки разработанной теории, подтверждения факта резонанса и получения его количественных характеристик был проведен эксперимент: на вибростенд установили реальное приспособление П10-2756/1-00 [Паспорт на приспособление П10-2756/1-00] и провели его вибрацию. По ТУ на реле их нужно испытывать в евклидовой системе координат по трем взаимно перпендикулярным осям (условно X, Y, Z) на интервале частот вибростенда от 50 до 2500 Гц. Эксперимент по резонансу проводили на вибростенде путем воздействия на куб синусоидальной вибрацией при непрерывном изменении частоты по линейному закону от нижнего значения частоты 5 Гц до верхнего 2500 Гц («прямое направление») и обратно от 2500 Гц до 5 Гц («обратное направление») при постоянной амплитуде ускорения. Реальные положения куба в приспособлении при снятии резонансных характеристик показаны на фиг. 9 (видно разное положение куба в приспособлении). Задающий и измерительный датчики ставили на куб в места, где датчики лучше чувствовали действие вибрационных импульсов.
Результаты эксперимента приведены подробно в работе [Черкасов Ю.Н. и др. Периодические испытания реле в 2019 году. Результаты и анализ состояния системы испытаний. Научно-технический отчет / Под ред. д.т.н., академика АЭН РФ А.П. Сарычева. - М.: АО «Корпорация «ВНИИЭМ». 2019 - 182 с., ил.].
2
Вид экспериментально полученных резонансных кривых показан на фиг. 10, 11, 12. На графиках по оси абсцисс отложена частота вибрации в Герцах (Hz), по оси ординат - нагрузка в g (же; g=9,8 м/с).
На полученных графиках видно, что на резонансной частоте нагрузка на куб [g(же)] возрастает: по оси Х - на 22,66 g, по оси Y - на 26,25 g, по оси Z - на 13,94 g.
Рассчитаем, какова будет нагрузка на реле при резонансе при испытании, например, на вибропрочность. Испытательная нагрузка на реле по ТУ должна быть равна 12g. Выберем ось Y. На частоте резонанса нагрузка возрастает на 26,25 g. Тогда нагрузка на реле при резонансе будет равна 12g + 26,25 = 38,25 g!!!!!. Такая величина нагрузки означает только одно, что если испытывать реле, то на пике резонанса, вероятнее всего может быть превышен предел механической прочности реле и они механически разрушатся. Реле - дорогие изделия.
Именно поэтому возникла неотложная необходимость разработать безрезонансное устройство крепления реле на вибростенде, или устройство, у которого амплитуда резонанса была бы несущественной.
Проведены патентные исследования изобретений и полезных моделей СССР, Российской Федерации, стран СНГ и зарубежных стран по классам G01M 7/00; G01M 7/04; G01M 7/06 с 1979 г. по настоящее время. При проведении анализа уровня техники по патентным источникам обнаружен один аналог Черкасов Ю.Н. и др. Патент RU 2661453. G01M 7/02. 16.07.2018 г., характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. При проведении анализа уровня техники по научно-техническим источникам обнаружен этот же аналог Черкасов Ю.Н. Совершенствование системы испытаний: Книга 4. (Монография) Антология совершенствования испытаний реле / Под ред. д.т.н., академика АЭН РФ А.П. Сарычева. - М.: ЛЕНАНД (URSS), 2017 - 464 с., с. 106., который и был принят за прототип.
Раскрытие изобретения
Цель изобретения - исключение резонанса устройства крепления реле при их испытании на вибрационном стенде и сокращение времени испытаний.
Поставленная цель достигается заявленным безрезонансным устройством крепления электромагнитных реле на вибростенде и ударном стенде, содержащим приспособление в форме куба для крепления десяти реле, приспособление фиксации куба на стенде, отличающимся тем, что приспособление в форме куба выполнено из четырех элементов: куба меньшего размера, большой плиты, средней плиты и малой плиты, при этом в малой и средней плитах по три выемки, а в большой плите четыре выемки для размещения реле, причем толщина плит одинаковая и немного больше высоты реле, плиты с установленными в выемки реле крепят стороной с выемками к трем смежным граням куба меньшего размера, при этом каждую плиту крепят к граням куба меньшего размера четырьмя шпильками, шпильки вставляют в отверстия по углам плиты, на шпильки накручивают гайки сверху шайбы и жестко прижимают плиту к грани куба меньшего размера, приспособление фиксации куба на стенде состоит из четырех шпилек с шайбами и гайками, шпильки вставляют в отверстия по углам куба, вкручивают в испытательный стол стенда, на шпильки накручивают гайки сверху шайбы и жестко прижимают куб к столу стенда.
Технический результат заключается в исключении резонанса приспособления для крепления реле при испытании на вибростенде и, как следствие, исключение возможного механического разрушения дорогих реле при испытании на вибростенде, в сокращении времени и трудозатрат при их испытании на вибростенде и ударном стенде.
К защите патентом Российской Федерации предлагается техническое решение - безрезонансное устройство крепления на вибростенде и ударном стенде одновременно десяти электромагнитных реле.
Отметим, что крепежные места на испытательных столах вибростенда и ударного стенда одинаковые. Поэтому заявленное устройство одно и его можно применять без изменения для вибростенда и ударного стенда.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 показано электромагнитное реле со стороны кожуха, а на фигуре 2 со стороны выводов, для крепления на стенде десяти таких реле и разработано заявленное устройство. На фигуре 2 видны две шпильки, с помощью которых реле крепят к посадочному месте в выемке пластины. На шпильки накручивают гайки.
На фигуре 3 показано устройство крепления одновременно шести электромагнитных реле на центрифуге. Для наглядности показано два закрепленных в устройстве реле, подготовленных к испытанию.
На фигуре 4 показано устройство крепления одновременно десяти электромагнитных реле на центрифуге.
На фигуре 5 показано устройство в сборе крепления одновременно четырех электромагнитных реле на вибростенде и ударном стенде.
На фигуре 6 показан куб для крепления четырех реле.
На фигуре 7 показано приспособление для крепления десяти реле - куб.
На фигуре 7 показано приспособление для крепления куба на вибростенде и ударном стенде.
На фигуре 9 показаны реальные положения куба в приспособлении при снятии резонансных характеристик.
На фигуре 10 показаны реальные резонансные характеристики приспособления - прототипа по оси Х в прямом и обратном направлениях (по частоте), полученные в эксперименте.
На фигуре 11 показаны реальные резонансные характеристики приспособления - прототипа по оси Y в прямом и обратном направлениях (по частоте), полученные в эксперименте.
На фигуре 12 показаны реальные резонансные характеристики приспособления - прототипа по оси Z в прямом и обратном направлениях (по частоте), полученные в эксперименте.
На фигуре 13 показаны копии производственных чертежей заявленного устройства в сборе (в нужном для изготовления числе проекций). По этим чертежам изготавливают устройство - изделие П10-2756/1. На фигуре 13 обозначено:
1. Куб меньшего размера (неразборная часть заявленного устройства), к которому крепятся плиты. По форме она строго геометрический куб. После того, как к трем смежным граням куба меньшего размера будут прикреплены три плиты, то получится опять строго геометрически куб, но уже большего размера на толщину плит. Получилось два куба - меньшего размера (без плит), и большего размера (с плитами).
2. Три плиты, с внутренней стороны которых имеются выемки для реле. Этой стороной плиты крепят к трем смежным граням куба меньшего размера.
3. Выемка в плите. Показан разрез куба. Видно как проходят шпильки через куб.
4. Шпильки с шайбами и гайками крепления плит к кубу меньшего размера.
5. Шпильки с шайбами и гайками крепления куба к испытательному столу стенда.
6. Рым-болт для удобства помещения устройства с реле на стенд.
На фигуре 14 показаны копии производственных чертежей куба меньшего размера (в нужном для изготовления числе проекций). Изделие П10-2756/101. Показаны три плиты и три грани куба меньшего размера, к которым и крепят эти плиты. Показаны также отверстия под шпильки.
На фигуре 15 показаны копии производственных чертежей плиты №1 с тремя выемками для установки в них трех реле (в двух проекциях). Изделие П10-2756/102.
На фигуре 16 показаны копии производственных чертежей плиты №2 для установки трех реле. Изделие П10-2756/103. Показаны места для сверления отверстий в плитах №1 и №2.
На фигуре 17 показаны копии производственных чертежей плиты №3 для установки четырех реле. Изделие П10-2756/104. Показаны места расположения выемок для реле и отверстий для шпилек.
На фигуре 18 показаны копия производственного чертежа шпильки для крепления плит к кубу меньшего размера. Изделие П10-2756/105.
На фигуре 19 показаны копия производственного чертежа шпильки для крепления куба к испытательному столу вибростенда или ударного стенда. Изделие П10-2756/106.
На фигуре 20 приведена таблица, в которой указаны необходимые трудозатраты для изготовления заявленного приспособления.
x
y
z
На фигуре 21 показана трехмерная (3D) твердотельная компьютерная модель разработанного куба. На фигуре указаны вершины модели куба (U, U, U), в которых были получены амплитудно-частотные характеристики перемещений вершин по осям X, Y, Z путем динамического анализа модели куба методом конечных автоматов.
На фигуре 22 показаны амплитудно-частотные характеристики перемещений четырех вершин модели куба вдоль оси X. По оси абсцисс отложена частота в Гц, по оси ординат - перемещение в мкм.
На фигуре 23 показаны амплитудно-частотные характеристики перемещений четырех вершин модели куба вдоль оси Y. По оси абсцисс отложена частота в Гц, по оси ординат - перемещение в мкм.
На фигуре 24 показаны амплитудно-частотные характеристики перемещений четырех вершин модели куба вдоль оси Z. По оси абсцисс отложена частота в Гц, по оси ординат - перемещение в мкм.
Осуществление изобретения
На основе приведенной выше теории резонанса и результатов эксперимента разработано безрезонансное устройство крепления десяти реле на вибростенде, сборочные чертежи которого приведены на фигурах 13, 14, 15, 16, 17 18, 19, а также рассчитаны необходимые трудозатраты (фиг. 20) для его изготовления. Устройству присвоен производственный индекс - П10-2756/1.
Для проверки куба на резонанс была разработана трехмерная твердотельная компьютерная его модель (фиг. 21), проведен на компьютере ее динамический анализ методом конечных элементов [Руковицин И.Г. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М.:ВНИИЭМ, 2010] по трем взаимно ортогональным осям (условно X, Y, Z) в интервале частот 50 - 2500 Гц и по модели рассчитаны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) модельного куба по осям X, Y, Z (фиг. 22, 23, 24).
Результаты расчета по модели показали, а также видно на графиках (фиг. 22, 23, 24), что в диапазоне частот испытания реле 50 - 2500 Гц, требуемых по ТУ, отсутствуют как собственные, так и резонансные частоты куба.
Принцип работы заявленного устройства. Перед испытаниями реле устанавливают в выемки 3 плит 2 (фиг. 13) и закрепляют их с помощью гаек, которые накручивают на шпильки реле (фиг. 2). Плиты с установленными реле, стороной с выемками, крепят к граням куба меньшего размера 1 (фиг. 13) с помощью четырех шпилек 4 с гайками. К выводам каждого реле припаивают испытательные кабели (всего 10 кабелей, поскольку 10 реле). Затем куб с реле и кабелями устанавливают на испытательный стол вибростенда и крепят куб к столу четырьмя шпильками 5 (фиг. 13) с гайками. На другом конце испытательных кабелей имеются штепсельные разъемы, которые прикручивают к штепсельным разъемам пульта контроля реле. Реле готовы к испытаниям.
Выемки в плитах сделаны строго под размер реле. Поэтому после установки реле в выемки практически отсутствуют пустоты. Следовательно, в заявленном устройстве нет колебательных систем, как было в прототипе, поэтому нет резонанса. Поскольку реле в выемках плит жестко прижаты к посадочным местам, плиты с реле жестко прижаты к граням кубика, поэтому заявленное устройство практически является цельнометаллическим кубом, при этом куб жестко прижат к испытательному столу вибростенда, вследствие чего отсутствуют зазоры, поэтому отсутствует трение.
Отметим, что при поворотах куба из одного положения в другое (X→Y→Z) не нужно откручивать от пульта контроля и вновь прикручивать к пульту штепсельные разъемы испытательных кабелей, как это приходилось делать в прототипе, за счет этого сокращается время испытаний и уменьшаются трудозатраты.
После окончания испытаний реле на вибростенде система (куб с реле, припаянные к реле измерительные кабели и пульт контроля реле с подключенными измерительными кабелями) не разбирается, а выкручивают шпильки из стола вибростенда и переносят всю систему на ударный стенд и прикручивают к столу ударного стенда четыре шпильки. Реле готовы к испытанию на ударном стенде. За счет этого уменьшаются трудозатраты и время испытаний на ударном стенде.
Принципиальное техническое отличие заявленного устройства от прототипа состоит в новой его конструкции, представляющей цельнометаллический куб без пустотелостей и зазоров, что исключило резонанс приспособления на интервале испытательных частот (50 - 2500 Гц) при испытании реле на вибростенде, тем самым полностью исключено возможное механическое разрушение (это главное преимущество заявленного устройства) дорогих реле по причине резонанса.
Получившиеся пустотелости в выемках плит, после помещения в них реле, получились очень маленького размера, они практически не являются колебательными контурами и поэтому ими можно пренебречь. Из графиков на фигурах 22, 23, 24 видно отсутствие даже незначительного увеличения амплитуды колебания по всем (трем) осям во всем интервале испытательных частот от 50 до 2500 Гц. Это доказывает, что заявленное устройство для крепления реле на вибростенде является безрезонансным на интервале испытательных частот от 50 до 2500 Гц.
Заявленное устройство будет изготовлено на одном (нашем) заводе, который оснащен современными станками. Для этих станков и разработаны производственные (конструкторские) чертежи приспособления (фиг. 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19).