СПОСОБ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ УЗЛОВ ИЗДЕЛИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD AND DEVICE FOR COMPONENT MECHANICAL TESTS

Изобретение относится к области динамических (ударных) испытаний узлов изделий, преимущественно узлов ракетных и артиллерийских снарядов.
Испытания изделий на прочность и устойчивость к динамическим (ударным) воздействиям, имитирующим динамические нагрузки при старте ракеты или выстреле артиллерийского снаряда, занимают значительный объем при отработке вновь разрабатываемых образцов ракетного и артиллерийского вооружения. Особенно остро стоит этот вопрос при отработке управляемых снарядов и ракет, так как при этом необходимо обеспечивать не только прочность узлов и элементов снаряда (ракеты), но и работоспособность узлов и элементов электроники и точной механики при воздействии значительных динамических нагрузок.
Известен стенд для испытаний изделий на ударное воздействие (см. Бураго А.Н. «Стенды для испытаний на ударные воздействия», Ленинградский дом научно-технической пропаганды. Л., 1960 г., с.18).
Стенд содержит тросовые направляющие, натянутые вертикально на станине. Рабочий стол (каретка) с элементами крепления на нем испытуемого изделия закреплен на раме, которая может перемещаться по направляющим. Раму удерживает отдельно перемещающаяся балка с блоком, через который перекинут трос. Трос проходит через блоки, укрепленные на станине, и наматывается на барабан лебедки с электродвигателем. Электродвигатель имеет электромагнитный тормоз, точно останавливающий в нужный момент стол при его подъеме на заданную высоту. Приспособление для удержания рамы со столом имеет электроспуск, разжимающий захваты и освобождающий раму со столом для падения. Формирователь динамического (ударного) воздействия подвижного стола выполнен в виде стального стержня, прикрепленного внизу к раме со столом, и свинцовой подушки, уложенной на основании стенда и взаимодействующей со стальным стержнем при падении рамы со столом.
При проведении испытаний рама со столом с закрепленным на нем изделием поднимается на требуемую высоту. Затем включается электроспуск, разжимающий захваты, удерживающие раму, которая начинает падать. В конце падения стальной стержень проникает в свинцовую подушку, где начинает тормозиться. При этом на раму со столом воздействует ускорение торможения (динамическая нагрузка), величина и закон изменения которого зависят от высоты подъема рамы со столом, формы и размеров стального стержня. Трение свинца о поверхность стержня демпфирует вибрации, в том числе нежелательные боковые колебания.
В данном стенде реализован способ механических испытаний изделий, включающий динамическое воздействие на испытуемое изделие и последующую оценку его состояния.
2
2
Максимальная величина пиковых ускорений, воспроизводимых на данном стенде, составляет от 200 до 2000 м/с (20…200 g), что не в полной мере удовлетворяет требованиям по величине пикового ускорения для отработки ракет с импульсными стартовыми двигателями и особенно артиллерийских снарядов, у которых величина ускорения достигает 4000…150000 м/с (400…15000 g). Кроме того, условия испытаний на данном стенде отличаются от натурных. При испытаниях на этом стенде изделие сначала разгоняют, а затем подвергают динамическому воздействию на этапе торможения. В натурных условиях стартовые ускорения значительной величины воздействуют на неподвижную ракету или снаряд.
7
Известен также стенд для испытаний изделий на ударное воздействие (см. Патент РФ №2235302, заявка №2002122582 от 20.08.2002 г., МПК G01N 3/313 - прототип).
Этот стенд содержит разгонное устройство в виде стволика, имеющего зарядную камеру с пороховым метательным зарядом и инициатором, подвижную каретку (стол) для установки испытуемого изделия, соединенную с помощью проушин с направляющими, и тормозное устройство. Разгонное устройство установлено на стволе артиллерийского орудия через опору, а направляющие выполнены гибкими из стальных канатов, пропущенных через пазы в опоре и натянутых вдоль ствола орудия, при этом они выполнены расходящимися под углом друг к другу в направлении движения каретки, а опорная поверхность проушин взаимодействует с направляющими по лучу их расхождения к продольной оси стенда. В предложенном техническом решении также раскрыты конструкции разгонного и тормозного устройств стенда. Данная группа изобретений реализует способ механических (ударных) испытаний изделий, включающий динамическое воздействие на испытуемый узел и последующую оценку его состояния, а также позволяет испытывать изделия в широком диапазоне ускорений с обеспечением условий испытаний, приближенных к реальным, т.к. динамическое воздействие прикладывается к неподвижному изделию.
Однако рассмотренные стенд и способ испытаний, реализованный в нем, имеют недостатки, которые поясним следующим.
2
С возрастанием амплитуды воспроизводимого пикового ударного ускорения и массы испытуемого изделия усложняются вопросы последующего торможения и улавливания разогнанной каретки с испытуемым изделием. В этой связи при проведении испытаний на значительные величины пиковых ударных ускорений (несколько десятков тысяч м/с) не всегда в стендовых условиях возможно испытать изделие в целом. Поэтому испытывают отдельные узлы снаряда (ракеты). Кроме того, на этапах разработки, а также серийного производства, до проведения испытаний ракеты или снаряда в целом, их узлы и элементы проходят так называемые автономные испытания. При этом испытуемый узел, подвергаясь динамическому нагружению, не испытывает в процессе нагружения так называемого инерционно-упругого воздействия смежных узлов снаряда, в состав которого входит испытуемый узел.
Известно, что снаряд (ракета) представляет собой набор последовательно соединенных узлов, имеющих определенную массу и несущие корпусные детали которых обладают определенными жесткостными характеристиками. При старте снаряда (ракеты) из пусковой трубы (ствола орудия или пускового контейнера) возникают продольные колебания его узлов и элементов, обусловленные динамическим изменением выталкивающей силы (силы тяги импульсного ракетного двигателя или силы давления пороховых газов метательного заряда в заснарядном пространстве) и жесткостными характеристиками (упругостью) корпуса. Т.е. на импульсе ускорения, характерного для ударного нагружения абсолютно жесткого тела, присутствуют наложенные виброускорения (виброперегрузки), величина которых зависит, в основном, от скорости изменения (градиента) динамической силы, массовых и жесткостных характеристик узлов и элементов снаряда (ракеты). Возникающие при колебаниях вибрационные ускорения могут существенно увеличить максимальные нагрузки на узлы и элементы снаряда, что необходимо учитывать при его проектировании и экспериментальной отработке. Учет вибрационных ускорений (виброперегрузок), возникающих при выстреле, особенно важен для управляемых снарядов и ракет, имеющих в составе узлы и элементы электроники, оптики и точной механики. Величина этих виброускорений может превышать пиковое значение ударного ускорения для абсолютно жесткого тела на несколько десятков процентов.
Таким образом вышерассмотренные группа изобретений и реализованный в ней способ испытаний узлов не обеспечивают максимального приближения условий испытаний к натурным, т.к. в процессе динамического нагружения не воспроизводят на испытуемый узел инерционно-упругого воздействия смежных узлов снаряда.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является максимальное приближение условий испытаний к натурным и расширение функциональных возможностей стенда за счет увеличения амплитуды воспроизводимых ускорений.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе механических испытаний узлов изделий, включающем динамическое (ударное) воздействие на испытуемый узел и последующую оценку состояния испытуемого узла, в процессе динамического воздействия дополнительно обеспечивают на испытуемый узел нагружение, имитирующее инерционно-упругое воздействие смежных узлов изделия, в состав которого входит испытуемый узел.
Реализация способа испытаний осуществляется в устройстве, включающем подвижный стол с элементами крепления на нем испытуемого узла, формирователь динамического (ударного) воздействия подвижного стола, которое дополнительно снабжено формирователем инерционно-упругих воздействий, выполненным в виде упругого элемента, установленного между подвижным столом и испытуемым узлом и скрепленного с ними, при этом жесткость упругого элемента равна эквивалентной жесткости смежных узлов изделия, через которые передается динамическое воздействие на испытуемый узел в натурных условиях, а инерционная масса, воздействующая на упругий элемент, равна инерционной массе, воздействующей на смежные узлы изделия, через которые передается динамическое воздействие на испытуемый узел в натурных условиях.
Подвижный стол с элементами крепления на нем испытуемого узла может быть выполнен в виде платформы или каретки. Формирователь динамического (ударного) воздействия подвижного стола может быть выполнен в виде разгонного устройства (в случае когда ударное воздействие создается на этапе разгона) или тормозного устройства (когда ударное воздействие создается на этапе торможения предварительно разогнанного подвижного стола с испытуемым изделием). Формирователь инерционно-упругих воздействий, выполненный в виде упругого элемента, может быть выполнен в виде цилиндрической обечайки (оболочки) или стакана из упругого материала. Выбор параметров такой обечайки производят из условия обеспечения прочности при воздействии на нее инерционных нагрузок (механические напряжения в обечайке меньше предела текучести) и необходимых жесткостных характеристик (эквивалентных жесткостным характеристикам последовательно соединенных узлов снаряда, через которые передается нагрузка на испытуемый узел в натурных условиях). Жесткость упругой обечайки (оболочки) определяется по формуле:
где
E - модуль упругости обечайки; π=3,14; D - диаметр обечайки;
δ - толщина стенки; S - площадь поперечного сечения обечайки.
Жесткостные характеристики узлов (отсеков) снаряда, через которые передается нагрузка на испытуемый узел в натурных условиях, следует определять экспериментально путем статического нагружения (в этом случае можно определить и нелинейности жесткостей), но допустимо определять и расчетным путем.
Жесткость последовательно соединенных двух отсеков (узлов) снаряда, через которые передается нагрузка на испытуемый узел в натурных условиях, расчетным путем определяется следующим образом:
где
1
2
C, С - соответственно жесткости корпусов (обечаек) первого и последовательно скрепленного с ним второго отсека снаряда, через которые нагрузка передается на испытуемый узел (отсек) в натурных условиях.
При условии, что корпусы первого и второго отсеков выполнены из одного материала, например стали, то последнее соотношение преобразуется в следующее:
где
1
2
S, S - площади поперечного сечения корпусов (обечаек) первого и второго отсеков (узлов), через которые нагрузка передается на испытуемый узел в натурных условиях соответственно;
1
2
L, L - длина этих корпусов соответственно.
Учитывая, что жесткость упругого элемента (обечайки) формирователя инерционно-упругих воздействий должна быть эквивалентной (равной) жесткости последовательно соединенных корпусов первого и второго отсеков, получаем соотношение:
из которого определяются параметры упругого элемента (D, L, δ).
x
x
Пример конкретного исполнения устройства предлагаемого изобретения поясняется графическими материалами. На Фиг.1 показана схема устройства. На Фиг.2 схематично показаны графики изменения продольного ускорения «a» (перегрузки «n») без и с воспроизведением инерционно-упругих воздействий.
Устройство для реализации способа механических (ударных) испытаний включает подвижную каретку (стол) 1 для установки испытуемого узла 2, который в каретке закрепляется с помощью крепежных элементов, например болта 3 и винтов 4. Формирователь динамического (ударного) воздействия выполнен в виде разгонного устройства, представляющего собой короткоствольную мортиру 5, содержащую зарядную камеру 6 с пороховым метательным зарядом 7, который инициируется электровоспламенителем (пиропатроном) 8. Каретка 1 в исходном положении задвинута в мортиру 5. Давление в камере 6 измеряется датчиком 9, электрически соединенным через согласующе-усилительные устройства с регистратором (персональным компьютером), которые на схеме не показаны. Позицией 10 обозначен формирователь инерционно-упругих воздействий, выполненный в виде упругой обечайки (оболочки). Подвижная каретка 1 установлена на тросовых направляющих 11. Основание стендового устройства обозначено позицией 12. Датчик ускорений 13 через обрывную линию связи 14 соединен с согласующе-усилительными устройствами и регистратором (на схеме не показаны). Как было показано ранее параметры упругой обечайки 10 можно определять расчетным путем. Но окончательно правильность выбора параметров упругого элемента 10 необходимо проверять экспериментально путем статического нагружения, а также динамического нагружения на стенде совместно с испытуемым узлом и с записью характера и величины воспроизводимых ускорений. Остальные узлы и элементы, необходимые для функционирования устройства, конструктивно могут быть выполнены как в стенде, выбранном за прототип.
Реализацию способа механических (ударных) испытаний узлов изделий покажем на примере работы вышеописанного устройства.
Перед испытанием настраиваются измерительно-регистрирующая аппаратура и система дистанционного запуска и синхронизации. При подаче электрического напряжения на электровоспламенитель 8 срабатывает пороховой метательный заряд 7, продукты сгорания которого создают давление в камере 6 и воздействуют на поддон каретки 1. Под действием давления продуктов сгорания порохового метательного заряда каретка 1 с установленным в ней через формирователь инерционно-упругих воздействий 10 испытуемым узлом 2 ускоряется и испытывает при этом продольное ускорение, соответствующее продольному ускорению в натурных условиях.
Т.е. помимо динамического воздействия, характерного для ударного нагружения испытуемого узла при ускорении пороховыми газами каретки 1, за счет установки между кареткой 1 и испытуемым узлом 2 упругого элемента (формирователя 10), обладающего определенными жесткостными (упругими) характеристиками, на испытуемый узел дополнительно будет обеспечиваться инерционно-упругое воздействие (воздействие наложенных виброускорений), имитирующее воздействие смежных узлов в натурных условиях (см. Фиг.2).
Скорость изменения (градиент) динамической силы, влияющая на величину воспроизводимых наложенных виброускорений и определяемая работой порохового разгонного устройства, может регулироваться использованием в метательном заряде 7 порохов с различными скоростями горения и толщинами горящих сводов (размерами пороховых зерен), а также величиной свободного объема зарядной камеры 6 при размещении в ней метательного заряда 7 (плотностью заряжания метательного заряда 7 в камере 6).
Выше было показано как проводится испытание узла, представляющего собой головной (передний) отсек снаряда. При проведении испытаний срединного отсека (узла, расположенного между головным и хвостовым отсеками снаряда) для обеспечения выполнения признака формулы «…а инерционная масса, воздействующая на упругий элемент, равна инерционной массе, воздействующей на смежные узлы (узел) изделия, через которые передается динамическое воздействие на испытуемый узел в натурных условиях» необходимо закрепление на испытуемый узел головного отсека (узла) или его весового имитатора, выполняющего роль «наседающей» массы при ударном нагружении испытуемого узла. Так как в этом случае динамическое воздействие в натурных условиях осуществляется только через хвостовой отсек, то жесткость упругого элемента 10 выбирают эквивалентной жесткости корпуса хвостового отсека.
Таким образом предложенные способ механических (ударных) испытаний узлов изделий и устройство, реализующее данный способ испытаний, позволяют максимально приблизить условия испытаний к натурным путем воспроизведения в стендовых условиях на испытуемый узел инерционно-упругого воздействия, имитирующего воздействие на него смежных узлов снаряда в натурных условиях, и расширить функциональные возможности стенда за счет увеличения амплитуды воспроизводимых ускорений.