УДАРНЫЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД
IMPACT TEST BENCH

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к стендам для испытания изделий на виброударные воздействия.
Известен стенд для динамических испытаний изделий, содержащий стол для закрепления испытуемого изделия, установленный в центральной части связанного с основанием упругого элемента, и средство создания ударной нагрузки (см. патент RU №2242731 от 01.04.2003 «Стенд для динамических испытаний изделий» Иванов А.И., Кияткин А.Е., опубликован 20.12.2004 г.). Упругий элемент представляет собой пакет тарельчатых пружин, заключенный в корпус, а стол снабжен двусторонними упорами для упругого элемента с изменяемым положением и установлен с возможностью продольного перемещения относительно него. Установка двусторонних упоров обеспечивает при деформировании упругих элементов перемещение объекта испытаний (ОИ) в двух взаимно противоположных направлениях. Средством создания ударной нагрузки может являться как разрывной элемент, соединенный с рабочим столом, так и падающий груз. Данное изобретение позволяет проводить испытания конструкций знакопеременными квазипериодическими затухающими импульсами.
Недостатками данного стенда являются:
- невозможность нагружать объект испытаний незатухающими периодическими нагрузками синусоидального вида, так как нагрузка к ОИ прикладывается импульсно и вся энергия удара сразу преобразуется в потенциальную энергию сжатых пружин, после чего происходит ее высвобождение в виде механического колебания пружин с перемещением ОИ вдоль оси колебания, что соответствует затухающему и квазипериодическому характеру приложения нагрузки к ОИ.
- знакопеременный характер действующей на ОИ нагрузки.
Известен способ формирования трапецеидального ударного импульса на ударном испытательном стенде с помощью тормозного устройства (см. патент RU №1778600 от 19.07.1989 г. «Способ формирования трапецеидального ударного импульса на ударном испытательном стенде» Добровольский Е.Г., опубликован в Б.И. №44 30.11.1992 г.). Способ реализован устройством, которое содержит основание, установленный на нем крешер из упругопластического материала и охватывающую часть крешера обойму, скрепленную с основанием с помощью резьбы, поршень со штоком, выходящим из обоймы. Между торцом обоймы и основанием имеется зазор для выдавливания через него материала крешера.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому ударному испытательному стенду и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком вышеуказанного устройства является то, что с помощью данного устройства возможно проводить погружение объекта испытаний только единичным трапецеидальным импульсом, что не соответствует требуемым параметрам ударного импульса, действующего на ОИ в реальных условиях.
Решаемой задачей является создание ударного испытательного стенда для проведения испытания изделий незатухающими периодическими синусоидальными импульсами положительной полярности.
Достигаемым техническим результатом является обеспечение возможности воспроизведения на ОИ многократного синусоидального ударного импульса положительной полярности (без перехода в отрицательную область ударного ускорения), одинаковой амплитуды и длительности за одно нагружение устройства (один опыт) путем преобразования одиночного ударного импульса трапецеидальной формы, формируемого с помощью тормозного устройства, в сложный выходной синусоидальный импульс с заданными параметрами при нагружениях устройства на испытательном ударном стенде.
Для достижения технического результата в ударном испытательном стенде, содержащем объект испытаний, фундамент, на котором размещено устройство формирования ударного импульса, поддон, закрепленный на копре с возможностью перемещения и соударения с устройством формирования ударного импульса, новым является то, что дополнительно введено приспособление, состоящее из основания и крышки, на которой установлен объект испытаний, соединенных между собой крепежными элементами со стороны верхнего торца крышки, при этом между каждым крепежным элементом и верхним торцом крышки установлен по крайней мере один упругий элемент для поджатая крышки к основанию, которое жестко соединено с поддоном при помощи крепежных элементов.
Новая совокупность существенных признаков в заявляемом устройстве позволяет проводить испытания изделий незатухающими периодическими синусоидальными импульсами положительной полярности.
Изобретение реализуется схемой, представленной на фиг. 1.
Ударный испытательный стенд содержит объект испытаний 1, фундамент 2, на котором размещено устройство формирования ударного импульса 3, поддон 4, закрепленный на копре (на фиг. 1 не показан) с возможностью перемещения и соударения с устройством формирования ударного импульса 3. Дополнительно введено приспособление, состоящее из основания 5 и крышки 6, на которой установлен объект испытаний 1, соединенных между собой крепежными элементами 7 (болтами М8) со стороны верхнего торца крышки 6. Между каждым крепежным элементом 7 и верхним торцом крышки 6 установлены два упругих элемента в виде тарельчатых пружин 8 для поджатая крышки 6 к основанию 5, которое жестко соединено с поддоном 4 при помощи крепежных элементов 9 (болты М10).
Ход испытательной крышки 6 вверх ограничен максимально возможной величиной деформации тарельчатых пружин 8, установленных под головки болтов М8 7. Присутствует возможность установки одной или пакета тарельчатых пружин 8, а также возможность изменения их начального поджатия с помощью гаек 10 для регулировки параметров результирующего импульса ударного ускорения, приходящего на объект испытаний 1 (ОИ).
Настройка требуемой частоты колебаний крышки с ОИ осуществляется с помощью тарельчатых пружин, которые формируют в пакеты по различным схемам (одиночной, параллельной, последовательной, параллельно-последовательной), тем самым варьируя их жесткость, а также величиной предварительного поджатия пакетов с помощью гаек.
Возбуждение колебательной системы и требуемая амплитуда результирующих синусоидальных колебаний ударного ускорения на ОИ обеспечивается внешним ударным воздействием A(t), которое формируется с помощью устройства формирования ударного импульса.
0
Количество периодов синусоидальных колебаний определенной частоты регулируется длительностью внешнего трапецеидального ударного импульса A(t) за счет изменения скорости в момент удара V.
Устройство работает следующим образом. Рассмотрим случай, когда под головки болтов М8 установлено три пакета тарельчатых пружин сформированных по двухпараллельной схеме.
Объект испытаний 1, установленный в испытательное приспособление, закрепленное на поддоне 4, поднимается над устройством формирования ударного импульса 3 на высоту, достаточную для достижения необходимой скорости соударения. Далее происходит сброс приспособления вниз по направляющим ударного стенда, обеспечивающим приложение нагрузки строго в вертикальном направлении. В момент удара устройство формирования ударного импульса 3 реализует трапецеидальный ударный импульс, который передается на основание 5 за счет жесткой связи с поддоном 4, возбуждая тем самым крышку 6 с ОИ 1. Так как движение крышки 6 вниз жестко ограничено основанием 5, возбуждение происходит с наиболее крутым фронтом. В процессе ударного нагружения крышка 6 с ОИ 1 совершает колебательные движения на частоте, определяемой жесткостью упругих элементов 8, при этом характер перегрузки на ОИ 1 будет иметь вид, представленный на фиг. 2.
Данная схема может быть реализована на ударных стендах свободного падения, рычажных копрах, горизонтальных ударных стендах.
Как известно из теории удара, при мгновенном изменении скорости и ускорения основания системы (простая ступень скорости), реакция системы (абсолютное смещение) будет иметь вид, показанный на фиг. 3.
n
Как видно из чертежа, в случае возбуждения изменением скорости (ускорения) результирующая скорость (ускорение) системы всегда положительна, за исключением моментов времени t=0, Т, 2Т …, когда оно равно нулю. Собственный период колебаний системы Т=2π/ω.
R
Для такой системы являются характерными два типа максимальных значений отклонений. Первым является результирующая амплитуда реакции - амплитуда свободных колебаний системы относительно конечного положения крепления ν:
.
Второй максимум представляет собой наибольшую величину реакции ν. Как правило, она имеет тот же знак, что и возбуждение, и составляет:
.
Далее, рассмотрим реакцию системы, вызванную однократным симметричным возбуждением прямоугольной формы. Функции возмущения и реакции во времени описываются следующими уравнениями:
;
,
где T - период собственных колебаний возбуждаемой системы.
Для нашего случая характерным является условие, когда отношение  - равно целому числу (в примере ). В этом случае реакция системы на внешний одиночный импульс прямоугольной формы будет иметь вид, представленный на фиг. 4.
Для достижения реакции системы, представленной на фиг. 2, в качестве внешнего ударного импульса используется трапецеидальный импульс A(t). Качественная картина реакции крышки с ОИ на данный импульс A(t) представлена на фиг. 5.
ф
Многие функции ступенчатого возбуждения возрастают до постоянной максимальной величины за конечный промежуток времени τ, называемый временем нарастания.
Для максимального приближения ожидаемой реакции НЭД к расчетному ударному импульсу необходимо, чтобы коэффициент динамичности β находился в диапазоне β=1,9…2, (см. «Справочник по ударным нагрузкам. Судостроение.», Сирил М. Харрис, Чарльз И. Крид, Л, 1980 г. стр. 26, 27). может быть достигнуто при соотношении . Исходя из данных соотношений получены следующие параметры внешнего ударного трапецеидального импульса A(t):
ф
- длительность фронта τ=(0,2…0,3)⋅Т;
- величина пикового ускорения внешней ударной нагрузки .
вер
Длительность вершины трапецеидального импульса должна быть не менее 2,25 периодов колебаний ОИ, т.е. τ=2,25⋅T.
0
Необходимая скорость удара V молота о прокладку вычисляется по формуле:
.
ф
Реализация параметров внешнего ударного импульса осуществлялась с помощью специального устройства формирования ударного импульса - крешера. Для формирования наиболее крутого фронта нарастания нагрузки τ устройство формирования ударного импульса предварительно подвергается холодному пластическому деформированию на необходимую величину.
Возбуждение колебательной системы и требуемая амплитуда результирующих синусоидальных колебаний ударного ускорения на ОИ обеспечиваются внешним ударным воздействием, которое формируется с помощью устройства формирования ударного импульса. Форма результирующего ударного импульса представлена на фиг. 2.
Количество периодов синусоидальных колебаний определенной частоты регулируется длительностью внешнего трапецеидального ударного импульса за счет изменения скорости в момент удара.
Был изготовлен ударный испытательный стенд, испытания которого подтвердили возможность получения результирующих синусоидальных колебаний ударного ускорения на ОИ.