УСТРОЙСТВО ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ СИЛОВОЗБУДИТЕЛЯ

Область применения устройства для крепления силовозбудителя при проведении наземных частотных (резонансных) испытаний (НЧИ) - авиастроение, ракетостроение, машиностроение, атомная энергетика и др.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для обеспечения заданного внешнего воздействия в виде гармонических колебаний на объект испытаний и обеспечения необходимых граничных условий при измерениях динамических характеристик механических конструкций путем проведения наземных частотных (резонансных) испытаний.
При проведении НЧИ специалисты российских авиационных и ракетных исследовательских предприятий для возбуждения колебаний в требуемых направлениях (по осям OX, OY, OZ) используют набор электродинамических силовозбудителей с различными значениями динамической силы.
Для возбуждения колебаний агрегатов натурных конструкций, крупногабаритных элементов (узлов) и большеразмерных тяжелых моделей летательных аппаратов (ЛА) в горизонтальной плоскости (например, по оси OZ), специалисты российских авиационных и ракетных исследовательских предприятий используют электродинамические силовозбудители, закрепленные на тяжелых силовых плитах. Обычно такие сборки «силовозбудитель-плита» вывешиваются на длинных тросах для обеспечения очень низких значений собственных частот колебаний («маятниковых» колебаний) системы возбуждения по сравнению с собственными частотами испытываемой конструкции, в том числе колебаний ее как твердого тела (на подвеске), как правило, длина такого маятника равна 6÷10 м.
Вторым вариантом горизонтального возбуждения колебаний, применяемым при исследовании легких небольших элементов (узлов) и малоразмерных моделей, является применение электродинамических силовозбудителей, установленных на стойках, домкратах, рамных конструкциях или временных помостах.
Усилие от силовозбудителя на объект испытаний передается при помощи специальной тяги с упругим шарниром.
При правильной организации работ в ходе выполнения НЧИ для возбуждения колебаний в требуемых плоскостях используются указанные выше две схемы присоединения силовозбудителя к объекту испытаний (Shaker excitation tutorial. Considerations and Problems. Young Engineer's Program - IMAC 2001. - Structural Dynamics Research Laboratory. University of Cincinnati (Cincinnati, Ohio 45221-0072 USA), 2001. - c. 20, 25. Белый Н.Г., Каурова Н.Ф. Экспериментальная техника и методы вибрационных испытаний конструкций летательных аппаратов (по материалам иностранной печати). Обзоры. Переводы. Рефераты. №431. - Издательский отдел ЦАГИ, 1973. - с. 67, 70-71):
- вывешивание сборки «силовозбудитель-плита» с использованием грузоподъемной машины,
- установка силовозбудителя в специальную стойку с сейсмическим подвесом («кроватку»), которая закрепляется, например, на домкрате.
Недостаток сборки «силовозбудитель-плита» для возбуждения колебаний в горизонтальной плоскости заключается в том, что масса плиты, на которой закрепляют силовозбудитель, составляет ≈1000 кг (при массе, например, силовозбудителя Prodera ЕХ420/С - 155 кг). Это обстоятельство накладывает жесткие ограничения не только на возможный вид транспортировки такого приспособления до места проведения испытаний, но и требует наличия в цехе (ангаре), где оборудован испытательный стенд, мощной грузоподъемной машины.
Задача значительно усложняется, если необходимо обеспечить одновременное вывешивание 2-х или более силовозбудителей, закрепленных на стальных плитах (общая масса каждой сборки около 1200 кг), с использованием нескольких подъемных машин (например, кранов-балок).
Известны устройства возбуждения колебаний для НЧИ, при которых отсутствует силовая плита. То обстоятельство, что не во всех местах проведения НЧИ натурных конструкций ЛА имеются грузоподъемные машины с требуемыми характеристиками, вынуждают испытателей искать различные технические решения, например, такие как:
- применение строительных лесов, которыми должно быть оборудовано изделие, необходимых для обеспечения удобного доступа испытательной бригады к агрегатам испытываемой конструкции; на них размещаются элементы систем возбуждения, а также систем измерения колебаний (Рекламная листовка «Наземные частотные и жесткостные испытания натурных ЛА. Экспериментальная база ЦАГИ». - Жуковский: ЦАГИ, 2010 г.);
- использование силовозбудителей в «кроватках» без дополнительных грузов; для горизонтального возбуждения они либо устанавливаются на специальные регулируемые по высоте стойки с большим количеством вставок, либо вывешиваются с использованием «подручных способов» - имеющихся в ангаре (цехе) грузоподъемных машин, по своему назначению не приспособленных для таких работ, например, «кранов-гусей», служащих для установки катапультных кресел в самолеты. Так при НЧИ крупных натурных авиационных конструкций, например, для определения динамических характеристик консолей килей и рулей направления (горизонтальное возбуждение колебаний) самолета Су-35-1 используются силовозбудители Prodera 20JE20/C (максимальная развиваемая сила 200 Н), вмонтированные в устройства сейсмического подвеса («кроватки») SS 331 (масса 30,9 кг), которые вывешиваются с использованием «кранов-гусей», грузоподъемностью до 300 кг. Ограничение в массе устройств возбуждения колебаний обусловлено специфическими условиями НЧИ в корпусах и ангарах ряда летно-испытательных и доводочных баз, где проводились испытания. Часто эти помещения не оборудованы мощными грузоподъемными машинами;
- использование для горизонтального возбуждения колебаний силовозбудителей (без дополнительных грузов), смонтированных на цапфе и установленных на винтовую стойку-треногу; как правило, такой способ нередко применяется при контрольных НЧИ агрегатов ЛА и их моделей (Smyslov V.,  Dijkstra K., Karkle P. The experience in ground vibration tests of flexible flying vehicles using PRODERA equipment and some. Additional tasks. - Proc. of the European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS). Session 4.1: Aeroelasticity and Dynamics, 2009 г.).
Известно, что зарубежные инженеры-исследователи при проведении НЧИ натурных машиностроительных конструкций и их агрегатов для возбуждения их колебаний в горизонтальной плоскости (по оси Z) используют, в основном, электродинамические силовозбудители, вывешенные на длинных тросах, которые непосредственно закрепляются на крюке грузоподъемной машины, для обеспечения необходимых значений частот «маятниковых» колебаний системы возбуждения (Olesen Hans P. Measurement of the dynamic properties of materials and structures. Application notes. - Paper №17-180. , 1974. Modal Analysis and Vibration Testing. Kongsberg Defense & Aerospace (Norway Defense and Aerospace Industries). CASE STUDY. - Paper № BA0611-12. , 2008).
Известен способ организации работ, при котором используют мобильный стреловой кран для вывешивания по оси OZ силовозбудителя, так для определения динамических характеристик киля при НЧИ военного маневренного самолета силовозбудитель был зацеплен стропами непосредственно за оба вала, служащие для крепления в цапфе (Shaker excitation tutorial. Considerations and Problems. Young Engineer's Program - IMAC 2001. - Structural Dynamics Research Laboratory. University of Cincinnati (Cincinnati, Ohio 45221-0072 USA), 2001).
В компании Shell Chemicals U.K. Ltd. в 1971 году при вывешивании электродинамических силовозбудителей использовали завязанную узлом петлю из троса, закрепленную вверху на трубе технологического оборудования цеха, а внизу - непосредственно за оба вала силовозбудителя, служащие для крепления в цапфе (Downham Е., Woods R. The Rationale of Monitoring Vibration on Rotating Machinery in Continuously Operating Process Plant. ASME Paper No. 71-Vibr-96. Transactions of ASME. Journal of Engineering for Industry. - Paper №19-023. , 1979).
Аналогичную схему в своих экспериментах для измерения динамических характеристик сотовой балки из полимерного композиционного материала использовали аэрокосмические инженеры из Канзасского университета (город Лоуренс, штат Канзас, США) в 2007 году (Liu W., Ewing M.S. Particle Damping of Composite Honeycomb Beams by the Power Input Method. Paper AIAA 2007-2044. - Proceeding of 48th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference (23-26 April 2007, Honolulu, Hawaii). - 2007).
Использование таких «подручных средств», как строительные леса (монтажные площадки), регулируемые по высоте стойки, не штатные грузоподъемные машины, для обеспечения необходимого по высоте размещения силовозбудителей при проведении НЧИ натурных конструкций ЛА обычно приводит к различным негативным последствиям. Среди них можно выделить следующие часто встречающиеся:
- появление так называемых паразитных тонов колебаний, которые возникают вследствие изменения исходной исследуемой динамической механической системы (например, возникновение тонов колебаний монтажных площадок в измеряемом диапазоне частот);
- искажение динамических характеристик испытываемой конструкции по причине раскачивания самой системы возбуждения колебаний;
- ограничение значения прикладываемой к объекту испытаний динамической силы из-за невозможности использования более мощных силовозбудителей, имеющих большую массу, как следствие, ограничивается возможность исследовать различные «нелинейности» в конструкции, например, зарегистрировать для органов управления самолета зависимости амплитуды от возбуждающей силы и частоты от амплитуды;
- поломка измерительного оборудования (например, перегорание катушек магнитной системы силовозбудителей) и испытательных приспособлений (например, разрыв упругих тяг силовозбудителей).
Известно устройство, применяемое при НЧИ (Peeters В. Introduction to Ground Vibration Testing. LMS GVT Master Class, Leuven & Sint-Truiden, Belgium, 22-25 September 2008. - LMS, 2008 (LMS GVT Master Class 2008 - 2 - электронная презентация: Modal testing theory and practical considerations.pdf), которое представляет собой сборку, состоящую из силовой плиты, приспособлений для крепления цапфы с силовозбудителем и грузов. При выполнении экспериментов устройство вывешивается на длинных тросах.
Из недостатков можно отметить, во-первых, то, что для соединения тросов с устройством используются шпильки верхнего ряда, аналогичные шпилькам, которые служат для монтажа составной силовой плиты - ряды средний и нижний. Это не позволяет применять данное устройство для крепления силовозбудителя в других рабочих положениях, то есть при повороте его на 90° вокруг продольной оси относительно упругой тяги силовозбудителя, во-вторых, при такелажных и монтажно-демонтажных работах существует опасность поломок упругих тяг и крепежных элементов цапфы, так как в случае опускания устройства на пол цеха (ангара) оно может опрокинуться вперед из-за разности уровней навески цапфы силовозбудителя и массивных грузов.
Известен вибрационный стенд американской фирмы РСВ Piezotronics (Lateral Excitation Stand Model 2050A. Paper DS-0013P rev A. - Cincinnati (OH), USA: PCB Group, Inc., 2007 - электронная презентация: 02_Стойка для вывешивания вибростенда 2050A.pdf), обеспечивающий возбуждение в боковом направлении. Он представляет собой устройство, состоящее из треноги с центральной штангой, на которой имеется регулируемая по высоте и поворачиваемая вокруг вертикальной оси горизонтальная штанга, оснащенная приспособлением для крепления цапфы силовозбудителя при помощи четырех тендеров. Силовозбудитель можно перемещать по горизонтали при помощи муфты, расположенной на горизонтальной штанге, и поворачивать вокруг горизонтальной оси. Установка силовозбудителя по углу наклона (для обеспечения точного присоединения по нормали упругой тяги в точке приложения силы на испытываемой конструкции) достигается регулировкой четырех тендеров, на которых вывешена цапфа силовозбудителя, и поворачиванием самого силовозбудителя в цапфе на валу.
Среди недостатков и ограничений в применении на практике этого аналога, можно указать главные:
- наличие значительных конструктивных ограничений этого устройства по высоте вывешивания и массе силовозбудителя,
- длинномерные опоры («горизонтальные лапы») стенда с аутригерами не позволяют его использовать в ограниченных пространствах,
- наличие неустранимого ограничения снизу значения частоты собственных колебаний системы возбуждения, обусловленное конструктивными особенностями стенда, например, отсутствие дополнительной массы, как и указанной выше сборки «силовозбудитель-плита».
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для крепления силовозбудителя, обеспечивающее возбуждение горизонтальных колебаний исследуемой конструкции (Воробьев А.Н., Кажичкин Г.В., Смотров А.В. Патент РФ на полезную модель №139045. Опуб. 10.04.2014. Бюл. №10). Данное устройство (фиг. 1) предназначено для крепления, например, силовозбудителя Prodera EX 520 С50, состоит из тяжелой силовой основы, в качестве которой служит силовая плита, приспособлений для крепления цапфы, навешиваемых грузов. Силовая плита является стальной коробчатой конструкцией с продольными ребрами жесткости и содержит проушины в верхней части, петли, две опоры в нижней части плиты, отверстия для крепления цапфы силовозбудителя, расположенные таким образом, чтобы ось вращения силовозбудителя находилась в горизонтальном положении.
К недостаткам этого устройства можно отнести следующие:
- необходимость комплектации применяемого силовозбудителя цапфой,
- невозможность его установки на вертикальной опоре,
- значительные габариты силовой плиты (814×647×273 мм) и выступающие опоры не позволяют использовать устройство-прототип в ограниченных пространствах.
Задачей предложенного устройства для крепления силовозбудителя является расширение номенклатуры используемых при погрузке-разгрузке грузоподъемных машин с различными значениями грузоподъемности, наличие возможности закрепления устройства на регулируемой по высоте вертикальной опоре, сокращение затрат на испытательное оборудование и снижение трудоемкости частотных испытаний.
Техническим результатом является: устранение погрешности, обусловленной близостью значений собственных частот колебаний системы возбуждения («маятниковых» колебаний) и значений собственных частот колебаний испытываемой конструкции, в том числе частот ее колебаний, как твердого тела при небольших габаритах устройства, удобство транспортировки устройства для крепления силовозбудителя в сборе.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для крепления силовозбудителя, состоящем из тяжелой силовой основы, в качестве которой использована силовая рама, имеющая Г-образную форму, на горизонтальной части которой вертикально закреплены соосные кольцевые грузы, содержащие на внутренней поверхности посадочные места для крепления силовозбудителя, подвижную с отверстием в верхней части и неподвижную траверзы, причем неподвижная траверза имеет в верхней части петли для крепления регулируемого тендера, а на верхней части вертикальной стенки силовой рамы также находятся петли, кроме того на нижней поверхности горизонтальной части силовая рама содержит специальные отверстия для крепления дополнительных грузов либо для закрепления устройства на вертикальной опоре.
Технический результат достигается также тем, что в устройстве для крепления силовозбудителя кольцевые грузы имеют разный диаметр.
Сущность изобретения поясняется фигурами, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 изображено устройство-прототип.
На фиг. 2 приведено схематическое изображение основных элементов предлагаемого устройства с установленным электродинамическим силовозбудителем.
На фиг. 3 приведена фотография сейсмического подвеса Prodera SS 429 с установленным в нем электродинамическим силовозбудителем.
На фиг. 4 изображено предлагаемое устройство для крепления силовозбудителя с указанием его составных частей (а - вид сбоку, б - вид сверху).
На фиг. 5 показан один из возможных вариантов установки устройства для крепления силовозбудителя на регулируемой по высоте винтовой стойке.
На фиг. 6 изображено устройство для крепления силовозбудителя в транспортном положении со снятым коробом-укрытием.
Устройство для крепления силовозбудителя (фиг. 2 и фиг. 4), состоит из силовой рамы 1, имеющей Г-образную форму и являющейся стальной сварной коробчатой конструкцией с приваренным в верхней части швеллером с отверстиями для крепления балки 2, на горизонтальной части силовой рамы вертикально закреплены соосные кольцевые грузы 3, при этом кольцо меньшего диаметра имеет специальные посадочные места для крепления силовозбудителя 4, подвижную 5 с отверстием в верхней части и неподвижную 6 траверзы, на верхней части вертикальной стенки силовой рамы находятся петли 7, причем неподвижная траверза 6 имеет в верхней части петли 8 для крепления регулируемого тендера 9, кроме того на нижней поверхности горизонтальной части силовая рама содержит специальные отверстия для крепления на вертикальной опоре, например, на регулируемой по высоте винтовой стойке (фиг. 5). Кольцевые грузы 3 представляют собой неразъемную деталь с соосными тяжелыми стальными кольцами разного диаметра и толщины (фиг. 2, фиг. 4), соединенными между собой балкой 2 в верхней части и приваренными к силовой раме двумя прямоугольными параллелепипедами в нижней части, при этом кольцо меньшего диаметра имеет специальные отверстия для болтового крепления к нему электродинамического силовозбудителя 4 за днище, а в кольце большего диаметра есть отверстия для соединения при помощи болтовых соединений с балкой 2 и силовой рамой 1. Петли 7 и 8 приварены к верхним поверхностям силовой рамы и неподвижной траверзы соответственно (фиг. 4) и служат для вывешивания устройства с закрепленным на нем силовозбудителем, например, на крюке крана при помощи, например, цепей либо строп, а также могут использоваться при такелажных и монтажно-демонтажных работах. Для крепления кольцевых грузов 3 и неподвижной траверзы 6 к силовой раме балки 2 используют болтовые соединения. При использовании устройства для крепления силовозбудителя в основном положении при проведении НЧИ (фиг. 4-а) к петлям 7, например, через стальные карабины 10 присоединяют равновеликие цепи 11, а к петле 8, например, через такой же стальной карабин 10 прикрепляют тендер 9, к которому далее присоединяют цепь 11, таким образом, что изменением длины цепи производится необходимый поворот силовозбудителя вокруг горизонтальной оси (оси z), а регулировкой тендера достигается точная настройка угла поворота силовозбудителя 2 вокруг этой оси.
В предлагаемом устройстве для крепления силовозбудителя использована штатная подвижная траверза сейсмического подвеса («кроватки»), например Prodera SS 429 (фиг. 3). Подвижная траверза 5 закреплена на кольцевом грузе большего диаметра на валах. Подвижная траверза в верхней части имеет сквозное отверстие, применяется при погрузочно-разгрузочных и такелажных работах и может быть использована для поворота силовозбудителя в нужном направлении и для расчаливания силовозбудителя при проведении НЧИ.
Имеющиеся в низу силовой рамы специальные отверстия в случае необходимости могут быть использованы для крепления дополнительных съемных грузов. Навеска дополнительных съемных грузов позволяет регулировать общую массу устройства крепления силовозбудителя и тем самым отстроить значения собственных частот колебаний системы возбуждения («маятниковых» колебаний) от значений собственных частот колебаний испытываемой конструкции, в том числе частот ее колебаний, как твердого тела, что обеспечивает требуемые граничные условия при измерениях динамических характеристик механических конструкций при их возбуждении в горизонтальном (боковом) направлении и в результате увеличивает точность экспериментальных данных.
На фиг. 4-а показано устройство для крепления силовозбудителя в одном из рабочих положений подготовленное к выполнению экспериментов по частотным испытаниям, вывешенное при помощи цепей 11 за петли 7 и 8 с использованием карабинов 10 и тендера 9. Силовозбудитель 4 донной частью корпуса закреплен на кольцевом грузе 3 меньшего диаметра болтовым соединением. В качестве источника возбуждающей силы в данном примере выбран возбудитель вибраций электродинамического типа с постоянным полем - силовозбудитель Prodera EX 220 SC, часто используемый при НЧИ натурных конструкций, или подобный ему по своим массогабаритным и эксплуатационным характеристикам.
На фиг. 5 показано устройство для крепления силовозбудителя, установленное на регулируемой по высоте винтовой стойке, например А4520-7300-0, подготовленное к выполнению экспериментов по частотным испытаниям. Крепеж устройства на стойке выполнен при помощи болтового соединения через имеющиеся в низу силовой рамы специальные отверстия. В качестве источника возбуждающей силы в данном примере выбран тот же силовозбудитель Prodera EX 220 SC. Небольшие габариты предлагаемого устройства для крепления силовозбудителя (500×300×400 мм) исключают возможность опрокидывания стойки.
В транспортном положении (фиг. 6) заявляемое устройство с установленным в нем силовозбудителем и комплектом соединительных кабелей можно упаковать при помощи короба-укрытия. Благодаря небольшим габаритам устройства, такая упаковка является одним багажным местом.
При использовании устройства для крепления силовозбудителя в основном положении, когда оно вывешено при помощи, например, цепей на крюке грузоподъемного механизма, оценивается необходимость догрузки его (присоединения дополнительных грузов для обеспечения как можно меньших значений частот его «маятниковых» колебаний). К силовозбудителю присоединяется упругая тяга. Изменением длины цепи производится необходимый поворот силовозбудителя, закрепленного в заявляемом устройстве, вокруг горизонтальной оси, а регулировкой тендера достигается точная настройка угла поворота силовозбудителя вокруг оси z по отношению к поверхности испытываемой конструкции. На конструкцию наклеивается «пятачок», например, с приваренной к нему гайкой, в гайку вкручивается упругая тяга и законтривается по обоим концам. Через упругую тягу и «пятачок» динамическая сила передается от силовозбудителя на испытываемую конструкцию.
В транспортном положении устройство, в котором закреплен силовозбудитель, располагается параллельно полу ангара (цеха) и на него сверху надевается специальный короб-укрытие (фиг. 6). В совокупности все это дает возможность сократить затраты на испытательное оборудование и снизить трудоемкость частотных испытаний.
Существенные особенности (отличительные признаки) заявляемого изобретения были реализованы в конкретных устройствах, эксплуатируемых в Научно-исследовательском комплексе прочности летательных аппаратов ФГУП «ЦАГИ», при помощи которых проведен ряд экспериментов по определению динамических характеристик крупномасштабного демонстратора отсека крыла самолета со специальным (адаптивным) предкрылком.