ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ СОЗДАНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫХ ДИНАМИЧНЫХ НАГРУЗОК
TEST BENCH FOR CREATION OF CONTROLLED DYNAMIC LOADS

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к стендам для испытания деталей машин и механизмов на воздействие динамических нагрузок, изменяющихся по заданному закону. Изобретение может найти применение для испытания амортизаторов, гидроцилиндров, преимущественно, гидродемпферов вертолетов и т.д.
Известен стенд, модель 6365/060, для испытания и обкатки гидравлического демпфера [Паспорт на стенд для обкатки и снятия характеристик гидродемпфера 8-910-700. Шифр стенда М6365/06, Ступинский з-д, 1971]. Корпус гидродемпфера закрепляется на кронштейне и приводится в колебательное движение кривошипно-шатунным механизмом, вращение которого происходит под воздействием привода, снабженного двигателем с редуктором. Эксцентрик кривошипного механизма выполнен с возможностью изменения его эксцентриситета, что позволяет регулировать амплитуду циклически изменяемой нагрузки. Стенд оборудован измерительными приборами, которые позволяют снимать зависимость усилия по штоку от хода штока. Выполнение стенда на основе электромеханической конструкции делает его громоздким, энергоемким неудобным в эксплуатации и обслуживании, поскольку перед проведением испытаний необходим продолжительный разогрев редуктора, а в процессе испытаний необходимо вручную изменять положение эксцентрика в зависимости от режима испытаний.
Известен стенд для испытания на прочность [а.с. СССР 1392416, опубл. 30.04.08]. Стенд содержит: силовозбудитель, выполненный в виде силового гидроцилиндра, шток которого оказывает воздействие на испытуемый объект; задатчик, определяющий характер изменения значений возбуждаемой нагрузки; датчик нагрузки, установленный между гидроцилиндром и испытуемым объектом. В состав стенда также входит регулятор нагрузок, включающий в себя элемент сравнения и формирователь сигнала, определяющий закон регулирования. Регулятор нагрузок через усилитель соединен с исполнительным органом, воздействующим на силовозбудитель. Стенд снабжен блоком аварийной защиты с программным устройством, обеспечивающим разгрузку испытуемого объекта в опасных ситуациях, а также снабжен регистрирующим прибором с измерительным прибором. Стенд, в зависимости от настройки, позволяет создавать как повторно-статические, так и динамические нагрузки, получать информацию о динамике разрушений и регистрировать процесс развития повреждений. Однако стенд не позволяет с высокой точностью отслеживать и задавать амплитуду колебаний, поскольку датчики нагрузки и деформации фиксируют лишь усилия, прилагаемые к испытуемому объекту, но не фактическое перемещение его рабочих частей.
В качестве прототипа выбран стенд для испытаний элементов вертолетов [патент РФ №2077042, опубл. 10.04.1997 г.], который имеет в своем составе гидроцилиндр нагружения повторно-статической нагрузки, корпус которого шарнирно крепится к основанию, а также дополнительный гидроцилиндр нагружения динамической нагрузки, корпус которого жестко установлен на основании, а площадь его поршня меньше площади поршня первого гидроцилиндра. Испытуемые объекты соединены со штоками гидроцилиндров. Первый гидроцилиндр снабжен датчиком перемещения штока, второй - датчиком перепада давления. Обе полости каждого из гидроцилиндров соединены с гидравлическими входами электрогидравлических преобразователей. Стенд имеет два сумматора. Входы одного сумматора соединены с выходами датчика перепада давления и выходом первого генератора задающего сигнала по динамике. Выход этого сумматора соединен с электрическим входом электрогидравлического преобразователя гидроцилиндра динамической нагрузки. Входы второго сумматора соединены соответственно с выходом датчика перемещения штока и выходом второго генератора задающего сигнала по статике. Выход второго сумматора соединен с электрическим входом электрогидравлического преобразователя гидроцилиндра повторно статической нагрузки. Такая схема позволяет проводить испытания на различных режимах нагрузки при уменьшении потребляемой мощности, т.к. при испытаниях оказывается задействованный соответствующий гидроцилиндр. Основным недостатком этого стенда является то, что используемые гидроцилиндры имеют автономные системы управления, что усложняет схему.
Кроме того, измерение силы, воздействующей на испытуемый образец, осуществляется косвенным путем через измерение давления, что снижает точность измерения силы, а следовательно, и точность определения скорости перемещения как функции силы.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение - создание испытательного стенда, позволяющего производить измерения силы, воздействующей на шток испытуемого образца, измерение скорости перемещения штока и другие комплексные испытания, в том числе определение зависимости скорости перемещения штока от осевой нагрузки, изменяющейся по заданному закону.
Достигаемый технический результат - повышение точности измерений.
Следует отметить, что диагностика состояния гидроцилиндров (например, гидродемпферов вертолетов) осуществляется по соответствию реальной зависимости скорости перемещения штока от осевой нагрузки заданной зависимости и/или по соответствию реальной зависимости осевой нагрузки от заданного перемещения.
Таким образом, повышение точности получаемой в процессе испытаний реальной зависимости скорости перемещения штока от осевой нагрузки является весьма актуальным техническим результатом, который достигается настоящим изобретением.
Поставленная задача решается изменением схемы испытательного стенда.
Стенд имеет в своем составе гидроцилиндр нагружения, рабочие полости которого соединены с электрогидравлическим преобразователем, и датчик перемещения штока гидроцилиндра нагружения. От прототипа стенд отличается тем, что дополнительно снабжен датчиком нагрузки, который установлен в кинематической цепи с испытуемым объектом, снабжен программируемым устройством управления, который через цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) соединен с первым и вторым электронными регуляторами. Выходы электронных регуляторов соединены электрогидравлическим преобразователем. Датчик перемещения соединен с первым электронным регулятором и через аналого-цифровой преобразователь - с программируемым устройством управления, а датчик нагрузки соединен со вторым электронным регулятором и через второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - с программируемым устройством управления.
Стенд может дополнительно содержать второй электрогидравлический преобразователь, соединенный выходом с гидравлическими полостями испытуемого объекта, при этом программируемое устройство управления соединено с двумя входами второго электрогидравлического преобразователя через третий цифроаналоговый преобразователь и через устройство коммутации соответственно.
Электрогидравлический преобразователь имеет в своем составе насос, обеспечивающий подачу жидкости в рабочие полости гидроцилиндра нагружения, соединенный с рабочими полостями через распределительный клапан, а также имеет регулятор давления.
Второй дополнительный электрогидравлический преобразователь может иметь в своем составе насос, обеспечивающий подачу жидкости в рабочие полости испытуемого объекта, клапаны, предназначенные для подачи рабочей жидкости в полости испытуемого объекта, и содержит аккумулятор давления, подсоединенный через клапан к рабочим полостям испытуемого объекта.
Более подробно сущность изобретения раскрывается на примере стенда для испытания гидродемпфера втулки несущего винта вертолета и иллюстрируется чертежами, на которых представлено: фиг.1 - функциональная схема стенда, фиг.2 - гидравлическая схема электрогидравлического преобразователя, фиг.3 - гидравлическая схема второго электрогидравлического преобразователя.
Стенд содержит гидроцилиндр нагружения 1, шток которого связан со штоком испытуемого объекта 2 жесткой кинематической связью. В кинематической цепи между упомянутыми штоками установлен датчик нагрузки 3. Рабочие полости гидроцилиндра нагружения 1 соединены с электрогидравлическим преобразователем 4, два входа которого двумя параллельными цепями соединены с программируемым устройством управления (ПУУ) 5. Одна из цепей включает первый электронный регулятор 6 и первый ЦАП 7, который соединен с ПУУ 5, вторая цепь включает второй электронный регулятор 8 и второй ЦАП 9, который соединен со вторым выходом ПУУ 5.
Схема содержит датчик перемещения 10 штока гидроцилиндра нагружения 1, расположенный в цепи обратной связи и соединенный с первым электронным регулятором 6 и через первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11 - с ПУУ 5.
Выход датчика нагрузки 3 соединен через второй АЦП 12 с ПУУ 5 и со вторым электронным регулятором 8.
Кроме того, стенд дополнительно содержит второй электрогидравлический преобразователь 13, соединенный с гидравлическими полостями испытуемого объекта 2. Первый вход второго электрогидравлического преобразователя 13 через третий ЦАП 14 соединен с ПУУ 5, второй вход электрогидравлического преобразователя 13 через устройство коммутации 15 соединен с ПУУ 5.
Электрогидравлические преобразователи 4 и 13 представляют собой насосные станции с системой клапанов.
Электрогидравлический преобразователь 4, схема которого представлена на Фиг.2, имеет в своем составе насос 16, обеспечивающий подачу жидкости от первого резервуара 17 через распределительный клапан 18 в рабочие полости гидроцилиндра нагружения. В гидравлической схеме электрогидравлического преобразователя 4 имеется также регулятор давления 19, задающий необходимое давление в системе.
Второй электрогидравлический преобразователь 13, схема которого представлена на Фиг.3, имеет в своем составе насос 20, обеспечивающий подачу жидкости от второго резервуара 21 в рабочие полости испытуемого объекта 2. В схеме второго преобразователя 13 также имеется: регулятор давления 22, задающий необходимое давление в системе; регулятор расхода 23, задающий расход, необходимый для равномерного заполнения полостей испытуемого объекта 2 рабочей жидкостью; клапан 24, предназначенный для подачи рабочей жидкости в полости испытуемого объекта с заданным расходом; клапан 25 - общий для обеих полостей, клапаны 26, 27 - предназначенные для подачи рабочей жидкости в полости испытуемого объекта 2 (каждый в свою полость). Эти элементы участвуют в проведении операций промывки и проливки. Имеющийся в схеме клапан 28 предназначен для подключения к испытуемому объекту аккумулятора давления 29, который необходим для создания избыточного давления в полостях испытуемого объекта при проведении испытаний.
В практической реализации функциональной схемы первый электронный регулятор 6 представляет собой ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференциального действия), который для отслеживания фактического перемещения штока имеет в цепи обратной связи датчик абсолютного перемещения 10; второй электронный регулятор 6 представляет собой ПИ-регулятор (пропорциоанльно-интегрального действия), который для отслеживания фактической силы, создаваемой на штоке, имеет в цепи обратной связи тензометрический датчик нагрузки 3 с мостовой измерительной схемой. Программируемое устройство управление 5 - это логическое устройство, снабженное памятью, дискретными и аналоговыми входами и выходами, интерфейсом передачи данных, предназначенное для управления процессами испытаний, сбора данных с датчиков и выдачи результатов измерений.
Устройство коммутации 15 представляет собой набор ключей, подключенных к клапанам второго электрогидравлического преобразователя 13, управляемых логическими сигналами от программируемого устройства управления 5 и предназначенных для коммутации сильноточных цепей питания клапанов.
Испытания проводят следующим образом.
Насос 16 подает рабочую жидкость (гидравлическое масло) из резервуара 17 в распределительный клапан 18. Давление в системе задается регулятором 19. Сигнал, поступающий от ПУУ 5 через ЦАП 9 и соответствующий заданному закону изменения силы, воздействующей на шток испытуемого объекта, сравнивается в регуляторе 8 с сигналом, поступающим от датчика силы 3. Исходя из разницы этих сигналов, регулятор 8 вырабатывает управляющий сигнал, воздействующий на ЭГП 4 таким образом, что гидроцилиндр 1 нагружает шток испытуемого образца 2 силой, соответствующей заданной. Шток перемещается, а информация о перемещении штока от датчика 10 через первый АЦП 11 поступает в ПУУ 5 и используется для определения скорости перемещения. Полученная зависимость скорости перемещения штока испытуемого образца от заданной осевой нагрузки сравнивается с эталонными значениями и анализируется с целью определения состояния испытуемого объекта. Поскольку датчик нагрузки 3 жестко связан со штоками гидроцилиндра нагружения 1 и испытуемого объекта 2, точность измерения, а соответственно, диагностики, повышается.
Стенд также позволяет испытывать гидродемпфер на соответствие силовой характеристики эталонной. При этом осевая нагрузка измеряется в зависимости от перемещения, закон изменения которого задается ПУУ 5. Выполнение этого закона обеспечивается регулятором 6, работающим аналогично регулятору 8 при измерении скорости перемещения.
При снятии характеристик силы к гидродемпферу может также подключаться (при открывании клапана 28) гидроаккумулятор 29 для создания избыточного давления в цилиндре испытуемого объекта, что препятствует попаданию воздуха внутрь последнего.
Для проведения операций заполнения, промывки, проливки и проверки герметичности испытуемого объекта используется дополнительный электрогидравлический преобразователь 13. Для выполнения этих операций рабочая жидкость из бака 21 (второй бак используется для получения компактных гидросистем) с помощью насоса 20 через клапан 24 поступает в одну из полостей гидродемпфера 2. Расход задается регулятором 23. Выбор полостей осуществляется открытием/закрытием соответствующего клапана 26 или 27. При проверке гидродемпфера на герметичность открыт только клапан 24, через который рабочая жидкость под высоким давлением, заданным регулятором 23, поступает в гидродемпфер.
Таким образом, заявляемый стенд позволит повысить точность измерений при снятии характеристик силы и других параметров (например, скорость перемещения), за счет чего повышается качество диагностики состояния испытуемого объекта, а также получить более точную информацию о состоянии внутренних механизмов (например, клапанов) и деталей испытуемого объекта, путем анализа силовых и скоростных характеристик.
Кроме того, стенд может использоваться для испытаний других объектов, таких как гидродемпферы подвижного железнодорожного состава, амортизаторы различных типов и другие гидроцилиндры.