Испытания ЭС на механические воздействия

Испытания ЭС Лекция 6 Испытания ЭС на механические воздействия Виды испытаний на механические ВВФ • - Обнаружение резонансных частот конструкции и проверка их отсутствия в заданном диапазоне частот; • - Виброустойчивость и вибропрочность; • - Воздействие однократных ударов; • - Ворздействие многократных ударов; • - Воздействие линейного или центробежного ускорения; • - Воздействие акустического шума. 2 Общие сведения • Время выдержки изделия на стенде отсчитывают с момента выхода стенда на устоявшийся испытательный режим. • Наибольшее влияние на ЭС оказывает сочетание вибрационных воздействий с одиночными ударами (по результатам исследований). • Конструктивный запас по резонансной частоте К=fнр/fв, где fнр – наименьшая резонансная частота изделия, fв – верхнее значение рабочего диапазона частот, заданное в НТД. • Спектральная плотность мощности случайной вибрации в полосе частот: • S(f)=s2/Df; где s2 – дисперсия мгновенных значений амплитуд случайной вибрации; Df - частотный диапазон вибрации. 3 Обнаружение резонансных частот • Данные испытания служат для проверки механических св-в изделий и получения предварительной информации при выборе условий проведения испытаний на вибропрочность и акустический шум, а также для выбора длительности действия ударного ускорения при испытаниях на воздействие одиночных и многократных ударов. Резонансные частоты определяют в трех перепендикулярных направлениях. • Обычно конструкции испытываемых ЭС являются сложными механическими колебательными системами, имеющими несколько резонансных частот. При анализе таких систем, наибольший интерес представляют низшие резонансные частоты, поскольку на них возникают максимальные 4 напряжения и деформации. Определение резонансных частот • В случае совпадения собственной резонансной частоты элемента испытываемой конструкции с частотой внешнего возмущающего воздействия возникает механический резонанс, приводящий к двукратному увеличению амплитуды колебаний и изменению фазы колебаний на 90 градусов. • Для определения резонансных частот изделие подвергают скользящему по частоте воздействию синусоидальной вибрации при малых ускорениях (1…5)g в диапазоне частот (0,2…1,5)f0р, где f0р – расчетное значение собственной резонансной частоты испытываемого изделия. 5 Определение резонансных частот • Поиск резонансных частот производят плавно меняя частоту возмущающего синусоидального воздействия при поддержании постоянной амплитуды ускорения (1…5)g или амплитуды смещения 1,5 мм. Резонансную частоту определяют как среднее арифметическое значений резонансных частот, полученных при испытаниях выборки. Погрешность измерений резонанса должна составлять не более 0,5 % (0,5 Гц), при этом учитывают большее значение. Когда регистрации резонансных колебаний невозможна, пользуются косвенным методом регистрации изменения выходных (критичных) параметров ЭС. 6 Пьезоэлектрический метод • Пьезоэлектрический метод обнаружения резонансных частот, основан на пьезоэлектрическом эффекте, заключающемся в пропорциональном преобразовании механических колебаний в электрический сигнал, снимаемый с пьезоэлектрического датчика, прикрепленного к испытуемому изделию и датчика на платформе виброустановки. 7 8 Пьезоэлектрический метод • Метод обеспечивает достаточную точность, когда масса и размеры испытуемого изделия более чем в 10 раз превышают массу и размеры пьезопреобразователя. Недостаток метода – внесение погрешности в измерения вследствие нарушения баланса при креплении внешних грузов на ЭС (датчики, провода). 9 Бесконтактный метод испытаний 10 Бесконтактный метод испытаний • Не оказывает прямое влияние на регистрируемые характеристики объекта испытаний. • Однолучевой оптический метод с применением лазерных дальномеровизмерителей. Основан на оценке изменений угла сходимости лазерного луча, отраженного от вибрирующего объекта. 11 Испытания на виброустойчивость и вибропрочность 12 Создание случайной вибрации 13 Типы виброустановок • Виброустановки классифицируют: 1. по способу возбуждения вибрации – механические с кинематическим и центробежным возбуждением, электродинамические, электромагнитные, гидравлические, гидромеханические, гидроэлектромагнитные, гидроэлектродинамические, пьезоэлектрические и др.; 2. по частотным диапазонам воспроизводимой вибрации – низкочастотные и высокочастотные, узкополосные и широкополосные; 3. по методу проведения испытаний – на фиксированных частотах и качающейся частоте (для гармонической вибрации), на ШСВ и сканированием 14 полосы частот (для случайной вибрации); Типы виброустановок 4. по предельным значениям основных параметров в заданных диапазонах частот – силе возбуждения, выталкивающему усилию, перемещению, скорости, ускорению, полезной нагрузке, расходуемой мощности и т. п.; 5. по кинематическим и конструктивным признакам – для создания возвратно-поступательной или угловой вибрации; для воспроизведения вибрации в одном или нескольких направлениях (одно- или многокомпонентные); с вибрационным столом, стержнями или другими приспособлениями для крепления изделий; стационарные или переносные. 15 16 Виброустановки с электромагнитным возбуждением • Наиболее простыми по конструкции являются виброустановки с электромагнитным возбуждением. Они применяются чаще всего для испытаний на фиксированных частотах 50 или 100 Гц. Эти установки, как и механические, имеют ущественные искажения синусоидальной формы колебаний. Их достоинство – практически полное отсутствие магнитных полей в зоне проведения испытаний. 17 Установки с гидравлическим возбуждением • В виброустановках с гидравлическим возбуждением гидросистема служит для преобразования и усиления вибрации, получаемой от задающего устройства первичного возбудителя механического, электродинамического или электромагнитного типа. Виброустановки, в которых применена гидравлическая система, позволяют создавать очень большие переменные возбуждающие усилия (до 106 Н). Они весьма эффективны при проведении испытаний на очень низких частотах (0,01..1 Гц). При этом в некоторых конструкциях максимальная амплитуда вибрации может достигать 200 мм. • Гидравлические виброустановки пригодны главным образом для испытаний изделий сверхбольших 18 габаритов и массы в относительно узком диапазоне Виброустановки с пьезоэлектрическим возбуждением • Пьезоэлектрические виброустановки ввиду чрезвычайно малой грузоподъемности (до 0,5...1 Н), возможности работы в области высоких частот (свыше 1000 Гц) и малых амплитуд возбуждаемых вибраций используют только в калибровочной аппаратуре и в системах для исследования резонансных частот конструктивных элементов ЭС. 19 Применение виброустановок • Практика исследований и испытаний показала, что наиболее совершенными являются установки с электродинамическим вибровозбудителем. • Их отличают широкий диапазон воспроизводимых частот, хорошая направленность вибрации (малые поперечные составляющие вибрации), незначительный коэффициент нелинейных искажений, сравнительно слабые магнитные поля в зоне испытаний и др. Применение специальной аппаратуры управления на электродинамических виброустановках позволяет реализовать все основные режимы вибрационных испытаний. 20 Структурная схема электродинамической установки 21 22 23 Достоинства и недостатки одностержневой виброустановки • Достоинствами одностержневого вибратора являются простота конструкции, малые потери, удобство крепления и центровки подвижной системы. • К недостаткам можно отнести значительные поля рассеяния магнитного потока в плоскости рабочего стола (что требует использования специальных магнитных экранов защиты испытываемых пониженную жесткость конструкции подвижной системы из-за большой ее длины изделий) 24 Сравнение схем стержневых виброустановок • Более совершенна магнитная система двухстержневого вибратора, обмотки которой выполнены так, что их магнитодвижущие силы равны и направлены навстречу друг другу. Магнитные потоки обеих обмоток в воздушном зазоре складываются и оказывают совместное действие на подвижную обмотку. Потери мощности в двухстержневом вибраторе почти вдвое меньше, чем в одностержневом. Конструкция двухстержневого вибратора позволяет получать большие возмущающие силы и создавать колебания с высокими ускорениями. 25 Воздействие ударной нагрузки Механизм воздействия удара • Механизм воздействия удара. В механике абсолютно твердого тела удар рассматривается как некоторый скачкообразный процесс, продолжительность которого бесконечно мала. Во время удара в точке соприкосновения соударяющихся тел возникают большие, но мгновенно действующие силы, приводящие к конечному изменению количества движения. В реальных системах всегда действуют конечные силы в течение конечного интервала времени, и соударение двух движущихся тел связано с их деформацией вблизи точки соприкосновения и распространением волны сжатия внутри этих тел. 26 Импульс ударного ускорения • Продолжительность удара зависит от многих физических факторов: упругих характеристик материалов соударяющихся тел, их формы и размеров, относительной скорости сближения и т. д. • Изменение ускорения во времени принято называть импульсом ударного ускорения или ударным импульсом, а (перегрузку), длительность • действия ударного ускорения и форму ударного импульса. Результат воздействия удара на изделие (реакция изделия) зависит от его динамических свойств – массы, жесткости и частоты собственных колебаний. 27 28 29 30 Испытания на ударные воздействия • Поскольку отрицательное ускорение во время удара всегда меньше положительного, изделия с неизвестными направлениями воздействий рекомендуется испытывать в положительном и отрицательном направлениях. • С учетом того, что изделие может быть испытано в трех взаимно перпендикулярных направлениях, общее число направлений воздействия при испытании на удар должно быть равно шести. • В статической области, соответствующей остальной части спектра, 1 ≅ µ, и результаты испытания не зависят ни от формы импульса, ни от его длительности. Испытание на воздействие ударных нагрузок в статической области равноценно испытанию на воздействие линейного ускорения, так как последнее 31 можно рассматривать как удар бесконечной длительности. Самым опасным для изделия является трапецеидальный импульс, поскольку он имеет наиболее широкую область квазирезонансного возбуждения и наибольший коэффициент динамичности в этой области 32 Виды ударных стендов • Ударные стенды классифицируют по следующим признакам: - по характеру воспроизводимых ударов – стенды одиночных и многократных ударов; - по способу получения ударных перегрузок – стенды свободного падения и принудительного разгона платформы с испытываемым изделием; - по конструкции тормозных устройств – с жесткой наковальней, с пружинящей наковальней, с амортизирующими резиновыми и фетровыми прокладками, со сминающимися деформируемыми тормозными устройствами, с гидравлическими 33 тормозными устройствами и т. д. Области применения ударных стендов • В зависимости от конструкции ударного стенда и в особенности от применяемого в нем тормозного устройства получают ударные импульсы полусинусоидальной, треугольной и трапецеидальной формы. • Для испытания ЭС на одиночные удары служат ударные стенды копрового типа, а на многократные – стенды кулачкового типа, воспроизводящие удары полу-синусоидальной формы. В этих стендах используется принцип свободного падения платформы с испытываемым изделием на амортизирующие прокладки. 34 Стенд копрового типа 35 Стенд кулачкового типа 36 Электродинамические и пневматические ударные установки • Помимо рассмотренных механических ударных стендов применяют электродинамические и пневматические ударные стенды. В электродинамических стендах через катушку возбуждения подвижной системы пропускают импульс тока, амплитуда и длительность которого определяют параметры ударного импульса. Так как принцип действия этих стендов основан на взаимодействии электромагнитных полей, то их конструкции имеют много общего с электро-динамическими вибростендами. • На пневматических стендах ударное ускорение получают при соударении стола со снарядом, 37 выпущенным из пневматической пушки. Воздействие линейной нагрузки • Частота вращения (мин-1) платформы центрифуги n ≅ 51/ R a, где a – линейное (центробежное) ускорение, g; R – расстояние от оси вращения платформы до геометрического центра изделия или его центра тяжести, [см]. • Испытываемое изделие располагают на столе центрифуги так, чтобы разброс ускорений малогабаритного изделия относительно его центра тяжести не превышал ±10 % ускорения в wентральной точке, а для ЭС с габаритными размерами более 100 мм этот разброс может составлять от –10 до +30 %. Испытание обычно проводят без электрической нагрузки. Это объясняется большими погрешностями, вносимыми в контролируемый выходной сигнал при передаче его через токосъемник центрифуги. • Для установления заданного ускорения изменяют частоту 38 вращения платформы или расстояние R от оси вращения, 39 Воздействие акустического шума • Энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени через единичную площадку S, перпендикулярную направлению распространения волны, определяет поток звуковой энергии или звуковую мощность P (Вт). Если направление распространения звуковой волны неизвестно, пользуются плотностью звуковой энергии, т. е. энергией звуковой волны, приходящейся на единицу объема. Распространение звуковой волны в среде создает в ней дополнительное давление, называемое звуковым давлением газа (Па). 40 • Акустические нагрузки имеют свои особенности – широкий спектр частот (от единиц герц до нескольких килогерц), случайный характер изменения во времени и пространстве. В отличие от чисто механических воздействий, при которых вибрация передается изделиям главным образом через точки крепления, звуковое давление возбуждает детали ЭС с помощью распределенного усилия, значение которого зависит не только от уровня звукового давления, но и от площади каждой детали. Это приводит к тому, что средства защиты от действия вибраций в данном случае оказываются неэффективными. Наиболее критическим для ЭС является совместное воздействие вибраций и звукового давления акустического шума, при котором могут возникать резонансные явления в деталях ЭС, как правило, на частотах 1500... 2000 Гц. 41 42 Параметры испытаний • При испытании на акустические нагрузки на ЭС воздействует случайный акустический шум или акустический тон (гармоническое звуковое колебание определенной частоты) меняющейся частоты. Режим испытания в обоих случаях определяется заданным уровнем звукового давления для соответствующей степени жесткости • Испытание на воздействие случайного акустического шума проводят путем воздействия на ЭС шума с заданным равномерным звуковым давлением в определенном спектре частот, взятом из диапазона 125...10000 Гц. Продолжительность воздействия акустического шума должна составлять 5 мин, если не требуется большее время для контроля и/или измерения 43 параметров изделия. Параметры испытаний • При испытании необходимо выявить резонансные частоты изделия, на которых амплитуда колебаний точек крепления максимальна, и проводить контроль параметров ЭС. Для контроля рекомендуется выбирать такие параметры, по изменению которых можно судить об устойчивости к воздействию акустического шума ЭС в целом (например, искажение выходного сигнала или изменение его значения, целостность электрической цепи). Испытание на воздействие акустического тона меняющейся частоты проводят в том же диапазоне частот при плавном изменении частоты от низшей к высшей и наоборот (один цикл) по всему диапазону. 44