Применяемое оборудование

Создание ударных нагрузок с заданными параметрами для проведения испытаний достигается с помощью ударных установок, в которых воздействие возникает за счет соударения тел. При этом наиболее часто используются соударения, осуществляемые через упругий элемент сопротивления, нелинейный элемент сопротивления безгистерезисного типа (пара «сфера — плоскость»), элемент сопротивления, работающий в зоне пластической деформации (жесткий конический наконечник через свинцовую прокладку).

В общем случае в структурную схему ударной установки (рис. 5) входят: средство разгона — ускоритель 5, подвижной стол, платформа или контейнер 6вместе с испытуемым изделием 4, измерительным преобразователем 1 и контрольным преобразователем 8, тормозное устройство 7 (соударяющиеся элементы); система 9управления и регулирования режима испытаний; средства измерения 2и регистрации 3, позволяющие измерить значения некоторых параметров и зарегистрировать характер ударной перегрузки.

Рис. 5. Структурная схема ударной установки

Классификация ударных установок может проводиться по следующим основным признакам.

1. По структурно-конструктивному решению установки различают по средствам разгона и торможения, применяемым для получения заданного ударного нагружения.

Разгон может осуществляться принудительно или в результате свободного падения с определенной высоты. При принудительном разгоне ускорение зависит от длины пути и скорости движения изделия, создаваемой ускорителем за счет дополнительной энергии. При осуществлении разгона за счет свободного падения платформа с испытуемым изделием фиксируется на определенной высоте Н, когда перегрузка равна единице; затем она освобождается и, падая, приобретает к моменту соударения скорость

.

При этом потери на трение не учитываются. Кинетическая энергия ударной нагрузки, приобретаемая платформой совместно с испытуемым изделием при разгоне, гасится в процессе взаимодействия с тормозным устройством. Таким образом, заданные параметры ударной нагрузки определяются условиями воспроизведения, т.е. скоростью v ₀ в момент начала взаимодействия с тормозным устройством и путем торможения до остановки.

Заданное ударное нагружение за счет торможения с помощью тормозных устройств может быть основано на использовании необратимых или упругих деформаций. Необратимо деформируемые тормозные устройства одноразового действия реализуются путем применения упругопластических материалов, из которых изготовляются деформируемые элементы, подвергающиеся смятию при ударе или используемые в паре с внедряющимися в них жесткими наконечниками соответствующего профиля. Упругопластические деформируемые элементы в виде пластин, изготовляемых, например, из стали, латуни, меди, свинца и резины, обеспечивают получение ударных ускорений от 100 м/с² (при падении на резину) до 1000000 м/с² (при падении на сталь, латунь) с длительностью фронта ударного импульса от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд. Пластически деформируемый элемент, используемый в совокупности с внедряющимся в него жестким наконечником, позволяет моделировать закон изменения ускорения с большой длительностью фронта ударного импульса, доходящих до десятков миллисекунд. Использование необратимо деформируемых тормозных устройств целесообразно в установках с разгоном, осуществляемым в результате свободного падения с определенной высоты.

Недостатком рассматриваемых тормозных устройств является возможность воспроизведения одного ударного импульса с определенными характеристиками.

Упругодеформируемые тормозные устройства многоразового применения основаны на использовании таких конструктивных элементов установок, которые при соударении изменяют свою форму в пределах упругих деформаций, а по окончании ударного процесса восстанавливают ее.

В качестве упругодеформируемых элементов используют прокладки из резины или пластиков и пневматические, гидравлические, пневмогидравлические устройства. В зависимости от конструкции и материалов, применяемых для изготовления прокладок, упругодеформируемые тормозные устройства позволяют воспроизводить ударные нагрузки симметричных форм, изменять максимальное ударное ускорение и длительность ударного импульса, а в некоторых случаях и его форму.

Недостатком упругодеформируемых тормозных устройств являются их конструктивная сложность и определенная трудность управления ударным процессом.

Для предотвращения повторных ударов, возникающих в установках, используют специальные пневматические и электромагнитные тормозные устройства, а также механические пружинные захваты.

2. По принципу действия ускорителя, создающего принудительный разгон, установки могут быть механическими (эластичными, пружинными, ротационными и т.д.), пневматическими, электрогидравлическими, электродинамическими и др.

Возможно осуществление разгона с помощью баллистического маятника. Для качественной работы установок необходимо, чтобы в процессе разгона Перегрузка была минимальной и не превышала 10% ускорения, возникающего при взаимодействии платформы с тормозным устройством.

3. По системе управления различают установки с неуправляемым и управляемым ударным воздействием. Управление ударными установками может быть ручным, дистанционным и автоматическим.

К установкам с неуправляемым ударным воздействием относятся механические (эластичные, маятниковые) и пневматические.

К установкам с управляемым ударным воздействием относятся электродинамические и электрогидравлические. Следует отметить, что воспроизведение ударного воздействия в электродинамических установках может даже достигаться с помощью синтеза амплитудного спектра А₀(). Решение задачи синтеза ударного воздействия может осуществляться аналоговым и цифровым методами.

4. По характеру воспроизводимых ударных воздействий различают ударные установки, воспроизводящие многократные и одиночные удары, транспортную тряску и комбинированные нагрузки, а также имитирующие падения и столкновения.

Основным элементом измерительного тракта являются измерительные преобразователи, служащие источниками сигналов измерительной информации. Для индикации, регистрации и анализа этих сигналов используются электронные радиоизмерительные приборы общего применения (осциллографы, анализаторы спектра и амплитудно-частотных характеристик и др.).

Основные параметры физических величин, характеризующие ударные движения:

1. пиковые ударные ускорения а_п, скорость V_п, перемещение S_п или деформация;

2. длительности действия ударного ускорения, скорости, перемещения и деформации оценивает интервал времени, в течение которого действуют мгновенные значения ускорения одного знака;

3. длительности фронтов ударного ускорения, скорости, перемещения, деформации, определяющие интервал времени от момента появления до момента достижения пикового значения;

4. импульс ударного ускорения – интеграл от ударного ускорения за время, равное длительности его действия;

5. коэффициенты наложенных колебаний ударных ускорений, скорости, перемещения или деформации, оценивающие отношение полные суммы абсолютных значений проекций на ось ординат участков кривой ударных ускорений, скорости, перемещений или деформаций между соседними экстремальными точками к удвоенному пиковому значению соответствующего параметра.

Для ударного ускорения:

,

где n – число экстремальных точек

В стандарте МЭК публикация 68-2-27 вместо коэффициента наложенных колебаний пользуются понятием «пульсация на первоначальном импульсе».

,

где а_НК – амплитуда наложенных колебаний или амплитуда пульсации,

а_m – максимальная амплитуда импульса.

* Для определения изменения скорости действительного удара импульс должен интегрироваться от 0,4 перед импульсом до 0,1 за пределами импульса, где — длительность номинального импульса.

** Для установок многократных ударов необходимо привести еще ряд специфических параметров.

Установки одиночных ударов могут осуществлять разгон принудительно и за счет свободного падения. Среди установок с принудительным разгоном наибольшее применение получили электродинамические. Он находит широкое применение для воспроизведения как одиночных, так и многократных ударов), пневматические, гидравлические и ротационные ускорители. Кроме того, применяются копры маятникового (баллистического) типа. В установках со свободным падением используется вертикальное сбрасывание по направляющим. Определенные формы импульсов достигаются за счет применения механических, пневмогидравлических, пневматических тормозных устройств. Установки данного типа могут быть неуправляемыми и управляемыми.

Рассмотрим принципы действия и конструкции нескольких установок одиночных ударов.

Установка с вертикальным сбрасыванием (рис. 6) конструктивно может быть выполнена в виде каретки 1, свободно перемещающейся вверх и вниз между вертикальными стальными стойками 2 по роликам. Испытуемое изделие 4 закрепляется болтами на каретке и потом вручную или подъемником 3 с приводом поднимается вверх. Форма ударного импульса определяется свойствами соударяющихся поверхностей 5, которые могут изменяться за счет изменения их материала и формы, а также за счет использования специальных тормозных приспособлений. Так, например, на нижней стороне каретки может быть смонтировано тормозное приспособление в виде пневматического плунжера, состоящего из цилиндра и поршня с регулируемым клапаном. Изменяя количество воздуха в цилиндре, можно регулировать интенсивность удара. Чем больше воздуха, тем меньше сила удара. Наличие пневматического плунжера позволяет изменять ударное ускорение и длительность импульса. Высота сбрасывания обычно изменяется в диапазоне 0,3...1,5 м. Отрегулировав плунжер на заданную перегрузку, освобождают поднятую вверх каретку с испытуемым изделием, после чего они падают на стальную плиту основания — наковальню. Этим методом могут быть созданы ударные импульсы с ускорением 800000 м*с². Преимуществом данной установки является ее относительная простота, возможность контроля положения до удара и во время него. Основным недостатком является возможность заедания каретки при ее перемещении, что приводит к ложным эффектам.

Возможно создание ударных установок, основанных на гидравлических или пневматических принципах. Их действие не зависит от силы тяжести для создания ударной силы.

В конструкцию ударной установки, построенной на пневматическом принципе (рис. 6.5), входит цилиндр 1 с перемещающимся в нем поршнем 2.

Под давлением воздуха, поступающего в цилиндр 1 через клапан 10, подвижная каретка 6 с испытуемым изделием 5 поднимается в верхнюю точку. Далее включается тормоз 4. При этом через клапан 8 поступает воздух, который обеспечивает удержание подвижной каретки в верхнем положении. Под действием воздуха, поступающего через клапан 9 в цилиндр 5, в нем создается избыточное давление. В то же время давление воздуха в цилиндре 1 снижается за счет выпуска его через клапан 10. За счет избыточного давления в цилиндре 3 подвижная каретка перемещается и ударяется о наковальню 7. Форма волны ударного импульса зависит от формы и материала наковальни. Сразу после удара вновь включается тормоз для исключения искажений импульса после отскакивания подвижной каретки.

Недостатками пневматических ударных установок являются: трудность получения импульсов заданной формы, ограниченные диапазоны амплитуд ускорений и длительностей ударных импульсов.

Рис. 6 - Схема принципа действия ударной установки с вертикальным сбрасыванием	Рис. 7 Схема принципа действия пневматической ударной установки

Копры маятникового типа основаны на использовании силы инерции массы молота, прикладываемой через наковальню к испытуемому изделию. В конструкцию маятникового копра (рис. 8) входят: наковальня 7, на которую устанавливаются испытуемые изделия; молот 6, соударяющийся с наковальней; станина 5, на которую устанавливается наковальня, и система 4 подвески молота.

Работа копра маятникового типа заключается в том, что молот поднимается на угол 160...180° в верхнее исходное положение и удерживается там защелкой фиксирующего устройства 3. После освобождения защелки молот падает на наковальню, передающую силу удара изделию. Запасенная молотом энергия Е, определяемая его массой и расстоянием от оси качания до центра тяжести, частично расходуется при ударе по наковальне с изделием, а частично затрачивается на отскок молота. Энергия удара, воздействующего на изделие, определяется как разность между первоначальным запасом энергии Е и фиксируемой энергией отскока Е₁:

Е_уд= Е – Е₁.

Рис. 8 - Схема принципа действия маятникового копра:

1—противовес; 2—поворотная траверса; 3— фиксирующее устройство; 4—подвеска молота; 5—станина; 6—молот; 7—наковальня; 8—пневмодемпфер молота; 9,10—кронштейны; 11—пневмодемпфер наковальни; 12 —подвеска наковальни

Для получения различных запасов энергии возможно использование нескольких сменных молотов различных масс. Энергию отскока измеряют по шкале специального отсчетного механизма копра. Каждой массе груза соответствует определенная шкала.

В процессе удара наковальня незначительно перемещается и благодаря ее гибкой связи со станиной обеспечивается хорошая форма кривой ударного импульса, на которую не накладываются посторонние колебания. Параметры и характеристики ударного импульса могут изменяться за счет изменения скорости молота в момент соударения v₀, отношения масс наковальни и молота , а также механических характеристик деформируемого элемента — прокладки, помещаемой в зоне контакта молота и наковальни.

Рис. 9 - Механический ударный стенд:

а —конструкция; б —зависимость ударной перегрузки от высоты h падения стола;1, 16—станина; 2, 5—шкив; 3—клиноременная передача; 4—реостат; 6, 12—валы; 7—подшипники вала; 8—счетчик числа ударов; 9—планки; 10—подъемные ролики; 11—стол; 13—ударники; 14—шкала регулировки; 15—регулировочные пластины; 17—резиновые упругие элементы; 18—кулачок; 19,20—цилиндрическая зубчатая передача; 21—выключатель; 22—электродвигатель; 23—направляющие штанги; t —толщина регулировочных пластин.

Скорость v молота зависит от угла ₀ начального отклонения молота и с точностью до 2...3% может быть определена, если рассматривать движение молота как математический маятник:

,

где L —длина подвески молота.

Преимущество маятниковых копров заключается в отсутствии направляющих, искажающих результаты измерений.

Основными недостатками являются сложность конструкции и невозможность получения больших ускорений.

Маятниковый копер (баллистический маятник) может применяться как для испытаний, так и для динамической тарировки преобразователей ударных ускорений.

Установки многократных ударов могут быть основаны на принципе принудительного разгона и на принципе свободного падения. Получили распространение электродинамические и механические ускорители. Большинство используемых установок являются управляемыми. Рассмотрим принципы действия и конструкции установок многократных ударов.

В механических ударных установках многократных ударов ускорения в вертикальном направлении создаются при ударе свободно падающего стола об упругие наковальни.

Подъем и сброс рабочего стола установки может осуществляться с помощью профильного кулачка, кривошипно-шатунного механизма и копра.

Форма кривой изменения ускорения за время ударного импульса зависит от средств торможения, определяющих нарастание ударного ускорения с момента соприкосновения рабочего стола с упругими элементами до максимального Значения и последующий спад. Следует отметить, что максимальное ударное ускорение соответствует наибольшему прогибу наковальни.

Механические средства торможения основаны на соударении специальных элементов, выполненных из различных материалов (сталь, свинец, фетр, резина и др.).

На рис. 9, а представлен механический стенд, позволяющий испытывать изделия весом до 50 кг на воздействие ударных ускорений до 1500 м/с² при падении стола с высоты до 30 мм; частота до 100 ударов в минуту. При включении питания электродвигателя 22 вращение его вала через шкив 2, клиноременную передачу 3, шкив 5 и цилиндрическую зубчатую передачу 19,20 передается валу 12 и насаженному на него кулачку 18, который через планки 9 и подъемные ролики 10 поднимает стол 11.Вращаясь, кулачок 18 соприкасается с подъемным роликом 10, который постепенно входит в паз кулачка. В момент, когда кромка кулачка проходит к кромкам планок, стол вместе с двумя направляющими штангами 23 оказывается поднятым на максимальную высоту.

Дальнейшее вращение кулачка приводит к падению стола на резиновые упругие элементы 17, установленные на станине 16.Упругие элементы, изготовленные из мягкой или твердой резины, представляют собой калиброванные пакеты различной толщины t, устанавливаемые на станину. Толщина определяется заданным ударным ускорением.

Стол в месте соприкосновения с упругими элементами имеет два специальных ударника 13.Для крепления испытуемых изделий на рабочей поверхности стола сделаны специальные пазы. Перед проведением испытаний, пользуясь графиком (рис. 9,б), по заданным ударному ускорению и выбранной толщине упругих элементов определяют высоту падения стола, которая регулируется пластинами 15и контролируется по шкале 14. Частота ударов устанавливается путем изменения числа оборотов электродвигателя за счет регулировки питающего напряжения с помощью реостата 4.

Достоинством механических ударных установок являются их относительная простота и невысокая стоимость.

К недостаткам (по сравнению с электродинамическими установками) следует отнести несколько худшую повторяемость формы ударных импульсов, большие нелинейные искажения и невозможность осуществления автоматического управления.

В электродинамических установках необходимое ускорение при ударе достигается за счет взаимодействия двух магнитных полей: переменного, создаваемого импульсным током, и постоянного — в кольцевом зазоре электромагнита. В результате указанного взаимодействия возникает сила, выталкивающая подвижную систему с переменной скоростью.

Ударная установка состоит из электродинамического стенда и блока управления и питания.

Электродинамический стенд (рис. 10) состоит из следующих основных частей: электромагнита 8, 9, 10, подвижной катушки 5, стола 3 со штоком 2, пневматического демпфера 12, вентилятора 16. Электромагнит содержит магнитопровод 8, 9 и бескаркасную катушку подмагничивания 10.

При подаче импульса тока требуемой амплитуды в подвижную катушку и постоянного тока с пульта в обмотку электромагнита создается импульс силы, приводящий в движение подвижную систему (подвижная катушка 5, стол со штоком и поршнем 13 пневматического демпфера), которая начинает перемещаться вверх с переменной скоростью. В момент, когда магнитодвижущая сила подвижной катушки прекращает действовать, приращение скорости подвижной системы станет равным нулю или изменит знак.

Формируемый при таком перемещении стола ударный импульс при многократных ударах имеет вид, приведенный на рис. 11. Подвижная катушка под действием сил тяжести возвращается на амортизационную прокладку 4 (см. рис. 10) из резины. Стол со штоком, испытывая сопротивление пневматического демпфера, плавно опускается на верхний выступ подвижной катушки. Сопротивление пневматического демпфера регулируется в некоторых пределах, что обеспечивает уменьшение (исключение) соударения подвижной системы при движении ее вверх и вниз.

Получение импульса тока требуемой амплитуды достигается с помощью емкостного модулятора, обеспечивающего заряд и разряд конденсаторной батареи.

В данной установке используется механический модулятор с бесконтактным переключателем, который обеспечивает подачу питающего напряжения на обмотку реле, включающего на разряд конденсаторную батарею.

Длительность ударных импульсов ускорения регулируется ступенями изменением индуктивности разрядной цепи. Амплитуда ускорения ударных импульсов регулируется плавным изменением напряжения конденсаторной батареи.

Рис. 9. Электродинамический ударный стенд:

1 – корпус подвижной катушки; 2 – шток; 3 – стол; 4 – кольцо;5 – подвижная катушка; 6 – направляющая; 7 – амортизационные прокладки; 8 – крышка; 9 – катушки электромагнита; 10 – корпус; 11 – регулировочный винт; 12 – цилиндр; 13 – поршень; 14 – кожух подвода охлаждающего воздуха; 15 – станина установки вентилятора; 16 – вентилятор; 17 – уплотнительное кольцо соединения вентилятора с кожухом; 18 – щиток вентилятора

Электродинамическая установка может работать в режиме одиночных ударов, обеспечивая получение ударных импульсов полусинусоидальной формы.

Достоинствами электродинамического ударного стенда являются: возможность получения ударных импульсов заданной формы; относительная простота конструкции механической части; удобство регулирования основных параметров ударных импульсов. Основной недостаток — трудность получения ударных импульсов с большими ускорениями (более 3000 м/с²).

Представляет интерес проведение испытаний на удар путем воздействия на испытуемое изделие синтезированным ударным спектром. В данном случае оказывается возможным использование для испытаний электродинамического вибростенда в соединении со специальными электронными приборами управления (рис. 12).

Рис. 11. Осциллограммы ударных импульсов:

а—с наложенными колебаниями; б—без наложенных колебаний с оценкой длительности импульса ' на уровне А'А" составляющем 0,1 а _ср

Рис. 12 - Структурная схема установки для синтеза ударного спектра:

1 —генератор импульсов; 2 —фильтры (третьоктавные) и формирователи спектра (аттенюаторы); 3 —усилитель мощности; 4 —вибростенд; 5 —испытуемый объект

Особенностью испытательного оборудования этого вида является то, что спектр ударного импульса формируется с помощью набора специальных фильтров. В простейшую схему синтеза ударного спектра входит генератор, обеспечивающий получение «одинарного» импульса, который одновременно возбуждает ряд третьоктавных фильтров, предназначенных для формирования ударного спектра. Процесс формирования осуществляется вручную. О качестве сформированного импульса судят по спектру, получаемому с помощью узкополосного анализатора.

Анализ функции времени синтезированного удара третьоктавными фильтрами показывает, что пиковое значение ударной характеристики может существенно превышать амплитуду возбуждающего неустановившегося колебания. Таким образом, для возбуждения в испытуемом изделии некоторого «отклика» на ударное воздействие в диапазоне частот при использовании метода синтеза удара требуется более низкая «входная сила», чем при применении обычной ударной установки, создающей ударный импульс. Кроме того, известно, что большинство движений, вызываемых ударным воздействием в испытуемом изделии, представляют собой колебательные процессы, характеризуемые широким распределением частот в спектрах Фурье. При этом весьма вероятно, что колебательные процессы появились в результате фильтрования ударных импульсов простых форм при их распространении в сложных конструкциях. Следует также помнить, что ударные импульсы простых форм весьма редко встречаются в процессе эксплуатации.

Рассмотренная структурная схема установки синтеза ударного спектра имеет ряд недостатков: во-первых, относительно широкая полоса пропускания третьоктавных фильтров не обеспечивает достаточного выравнивания узких резонансных участков частотной характеристики испытательного оборудования и испытуемых объектов; во-вторых, ручная настройка фильтров является трудоемкой и продолжительной операцией. Эти недостатки могут быть устранены автоматической выравнивающей системой.

Автоматическое выравнивание осуществляется за счет использования эффектов изменения частотной характеристики, вызываемых в процессе испытаний системой, воспроизводящей ударное движение (рис. 13).

Рис. 13 - Структурная схема ударной установки для синтеза узкополосного ударного спектра с применением автоматического выравнивающего устройства:

1 —испытуемое изделие; 2 —контрольный измерительный преобразователь; 3 —стенд; 4 —усилитель мощности; 5—управляющий анализатор-выравниватель; 6 — управляющий генератор; 7, 9 —комплекты фильтров; 8—согласующее устройство

Автоматическое спектральное выравнивание достигается применением анализатора-выравнивателя, управляющего комплектами фильтров. В установку входят комплекты из 60, 120 и 240 фильтров, причем любой фильтр в одном комплекте может заменяться двумя фильтрами из следующего по числу фильтров комплекта. Таким образом, за счет разнообразного сочетания фильтров возможна регулировка ширины частотной полосы и СПУ в требуемом диапазоне частот (приводимые данные относятся к системам, разработанным датской фирмой «Брюль и Къер»).

Средства измерений значений параметров удара

Простейшая схема установки для измерения значений параметров механических ударов состоит из измерительного преобразователя (ИП), согласующего устройства (предусилителя), осциллографа, импульсного вольтметра или магнитофона.

Особенностью измерения параметров ударов является необходимость правильного воспроизведения звеньями измерительного тракта всех спектральных составляющих в широком диапазоне частот как по амплитуде, так и по фазе, а также линейность амплитудной характеристики в широком динамическом диапазоне.

Источником сигнала измерительной информации о значении измеряемых параметров ударных воздействий являются специальные ИП, классифицируемые в основном по тем же признакам, что и преобразователи для измерений значений параметров вибрации.

К особенностям следует отнести их специальное назначение для измерений: пиковых значений ударных ускорений; скорости или перемещения; времени достижения заданного ускорения (предельный, пороговый ударный преобразователь); мгновенных значений параметров удара для анализа и регистрации. Кроме того, в основу метода измерений значений параметров ударного движения может быть положено ограниченное число физических явлений по сравнению с ВИП.

Основными параметрами, характеризующими ИП удара,позволяющими осуществлять их сравнение и выбор наиболее целесообразных для измерений, являются следующие.

1. Измеряемый параметр ударного движения: перемещение s, скорость v и ускорение а. Чаще всего в качестве измеряемого параметра указывается максимальное пиковое ускорение при ударе в направлении главной оси.

2. Диапазон значений измеряемого параметра ударного движения, ограничиваемый областью, для которой нормированы допускаемые погрешности. Определяется амплитудной характеристикой ИП и всего измерительного тракта (аналогично с ВИП).

3. Коэффициент преобразования, или чувствительность по напряжению (возможна оценка чувствительности по заряду)[1]. В зависимости от назначения преобразователя рассматривают три вида коэффициентов преобразования: коэффициенты преобразования в статическом (K_ic) и ударном (K_vy) режимах для предельных акселерометров, а также коэффициенты преобразования в вибрационном (К_Uв) или ударном (К_vу) режимах, характеризующихся отношением измерения сигнала на выходе преобразователя к соответствующему изменению параметра вибрации или удара на входе:

где U_m — амплитудное значение выходного напряжения поверяемого ИП, мВ; а_т — амплитуда ускорения, воспроизводимого вибрационной установкой, м/с²; U_max — типовое значение выходного напряжения поверяемого ИП, мВ; а _mах — пиковое значение ударного ускорения, м/с².

4. Низшая собственная резонансная частота f_0н закрепленного преобразователя. Конструкция преобразователя — это сложная связанная механическая система, обладающая рядом собственных резонансных частот, причем рабочий диапазон в области высших частот ограничивается низшей из них.

5. Рабочий частотный диапазон преобразователя, т.е. диапазон, в пределах которого частотная характеристика равномерна. В области высших частот характеристика ограничена низшей собственной резонансной частотой. Рекомендуется верхним пределом рабочего частотного диапазона считать частоту f _max, равную ¹/₃ низшей собственной резонансной частоты f_0н. Низшая частота рабочего частотного диапазона во многих случаях ограничивается параметрами согласующего устройства (СУ). Следует отметить, что для ряда преобразователей характерна чувствительность к температурным воздействиям, которые при указанных воздействиях генерируют паразитные электрические сигналы в области низших частот.

6. Фазовая характеристика. Фазовые искажения, вносимые преобразователем, возникают в случае, когда время задержки между воздействующими на него механическими колебаниями и снимаемым с его выхода электрическим сигналом не имеет фиксированного значения на всех частотах, а произвольно изменяется с изменением частоты. При этом электрический сигнал искажается и дает ошибочное представление о форме воздействующих на преобразователь механических колебаний. В связи с этим при измерении, анализе и (или) регистрации механических ударов необходимо уделять особое внимание линейности фазовой характеристики измерительного тракта. Так, например, вследствие нелинейности фазовой характеристики СУ (предусилителя) низкочастотные составляющие исследуемого процесса претерпевают опережение фазы относительно его основной составляющей, в результате чего полусинусоидальный ударный импульс искажается и возникает так называемый «сдвиг нуля» (рис. 14).

Для контактных инерционных преобразователей причиной фазовых искажений могут быть резонансы на высоких частотах, обусловливающие запаздывание движения инерционной массы относительно движения преобразователя. Следует иметь в виду, что интегрирование сигналов ударных импульсов электронными интеграторами измерительных приборов для определения скорости или перемещения приводит к фазовым искажениям, поскольку интеграторы имеют нелинейную фазовую характеристику.

Рис. 14 - «Сдвиг нуля», обусловленный нелинейностью фазовой характеристики

7. Коэффициент поперечного преобразования (максимальная поперечная чувствительность) определяется но аналогии с определением К_П для ВИП.

Рассмотрим основные виды ИП, применяемых для измерений значений параметров ударного воздействия.

Механические ИП —автономные контактные инерционные преобразователи. Они предназначены для дискретной регистрации пикового значения импульса сил инерции ударного ускорения, действующего на испытуемое изделие. Регистрируется единственная точка a(t) = a_П, поэтому их иногда называют пиковыми акселерометрами. Автономные механические ИП основаны на принципе пластической и упругой деформации чувствительного элемента, представляющего собой небольшой цилиндрический столбик.

Пиковые акселерометры, в которых используется пластическая деформация столбика (крешера), изготовленного из материалов с малой упругостью (отожженная медь, свинец, пластмасса и др.), получили название крешерных приборов. Конструктивно такой прибор (рис. 15,а) состоит из крешера 4 инерционного элемента 2 и пружины 3, помещенных в стальной корпус 1. В зависимости от измеряемых ускорений крешеры изготовляют различных диаметров из различных материалов.

Для измерений ускорений, меньших 50000 м/с², крешер выполняют в виде чашки (рис. 15,в) из стали или латуни с толщиной стенок 2...3 мм, которую заполняют свинцом. Инерционный элемент и крешер сопрягаются со стенками корпуса по скользящей посадке (рис. 15,б).

В результате действия инерционной перегрузки происходит деформация крешера. Задача измерения сводится к тому, что при известных форме крешерного столбика, физико-механических свойств материалов инерционного элемента и крешера по остаточной деформации крешера рассчитывают ударное ускорение.

Установлено, что если выполняется условие (f₀ —собственная резонансная частота инерционного элемента, —длительность действия ударного ускорения, мс), то можно провести статическое тарирование крешеров.

Рис. 15 - Конструкции крешерных акселерометров:

а — с цилиндрическим крешером; б —с крешером в виде чашки; в — крешер в виде чашки

Пользуясь набором крешерных столбиков, можно определить дискретные значения ударного ускорения и построить график, характеризующий зависимость эффекта остаточной деформации, который проявляется в изменении диаметра лунки, составляемой инерционным элементом на крешере, от ускорения.

При испытаниях на воздействие одиночного удара крешерное устройство устанавливают на стол ударного стенда. После удара крешер снимают, измеряют диаметр лунки и по графику находят значение ускорения. Для повышения точности измерений ускорение определяют по средним данным трех измерений, полученных при выполнении трех ударов со сменяемыми крешерами.

Достоинствами пластических крешеров являются широкий диапазон измеряемых пиковых ускорений, малые размеры и автономность, а недостатками — низкая точность и невозможность оценки других параметров ударных воздействий.

К пиковым акселерометрам относятся также упругоконтактные приборы (рис. 16), отличающиеся от рассмотренных тем, что при ударе действие измеряемого ускорения создает инерционное усилие, вызывающее упругую деформацию соприкасающихся тел, изготовленных из материалов с высоким пределом упругости.

Одна из соприкасающихся поверхностей выполняется плоской, а другая сферической. Поверхности обрабатываются с высокой точностью и полируются. До измерений одна из поверхностей покрывается тонким равномерным слоем сажи или парафина. При ударе инерционное усилие создает упругую деформацию, о максимальном значении которой судят по радиусу отпечатка r на плоской поверхности. В соответствии с формулой Герца жесткость пары плоскость — сфера по мере увеличения усилия возрастает нелинейно, поэтому необходимо предварительно снять статистическую тарировочную характеристику. Упругоконтактные пиковые акселерометры характеризуются более высокой точностью, чем крешерные.

При необходимости приблизительного измерения времени t_i достижения заданного ускорения или при необходимости определения достижения заданного ускорения используют предельные индикаторные преобразователи (рис. 15).

Рис. 16 - Конструкция упругоконтактного акселерометра:

1 — инерционная масса со сферической поверхностью; 2 —корпус; 3 — плоское основание

Принцип действия предельных индикаторов удара основан на сравнении инерционной силы, возникающей при ударе и действующей на подвижный электрод 1 с силой предварительного поджатия Р подвижного электрода к неподвижному 3. Если поджатие осуществляется с помощью пружины, то P=CS₀, где С – жесткость пружины, a S_o — ее предварительная деформация.

Если при действии ускорения в рабочем направлении инерционная сила Q уменьшает результирующую силу R = P—Q и P>Q, электроды размыкаются, что фиксируется специальной электрической схемой.

Рис. 17 - Предельный ИП ускорения GBM-200:

1 —подвижный электрод; 2 —установочный диск; 3 — неподвижный электрод; 4 — корпус; 5 — плоские пружины; 6 —сухарь с крючком для градуировочного груза

Величину а_п, на которую настроен индикатор, можно косвенно найти по усилию Р_r, прикладываемому к подвижному электроду с массой М_Д для размыкания контактов:

.

Частотный диапазон предельных индикаторов определяется упругой деформацией электродов _у и минимальным зазором, обнаруживаемым с помощью электрической схемы.

Наибольшее практическое применение получили электрические ИП, основанные на преобразовании изменения ускорения, скорости или перемещения при ударе в изменение взаимодействия между зарядами электрического поля. Лучшие результаты по измерениям значений основных параметров удара дают ИП, принцип действия которых основан на прямом пьезоэффекте. Остановимся на некоторых особенностях пьезоэлектрических ИП, применяемых для измерений больших амплитуд ускорений интенсивных механических ударои (а_П = 150000...1000000 м/с²). В указанных ИП используется принцип деформации (сжатие и растяжение) пьезоэлемента. В качестве материала пьезоэлемента могут применяться монокристаллические пьезоэлектрики, естественный и искусственный кварц, а также некоторые марки пьезокерамики. Монокристаллические пьезоэлектрики обеспечивают почти безынерционное преобразование деформации в электрический заряд, характеризуются широким динамическим диапазоном и высокой стабильностью. Однако они имеют более пологую амплитудную характеристику и меньший коэффициент преобразования, поэтому в ряде случаев оказывается более целесообразным применять пьезокерамику, обеспечивающую получение более мощного полезного сигнала. Иногда используют синтетический кварц, обладающий большей прочностью и однородностью, чем естественный. Фирма «Брюль и Къер» изготовляет чувствительный элемент из пьезокерамики, которая в результате специальной обработки обладает высокими динамической и ударной стойкостями и пренебрежимо малым сдвигом нуля, возникающим из-за накопления заряда под воздействием кратковременных механических колебаний и ударов. Особое внимание в конструкциях пьезоэлектрических ИП обращается на качество механических контактов между чувствительным элементом, инерци­онной массой и корпусом. Для обеспечения контактной жесткости наиболее целесообразно использование клеено-поджатого соединения. Пьезоэлектрические ИП ударных ускорений обладают прочным корпусом, с основанием которого жестко соединен установочный (крепежный) винт, что способствует надежному креплению и передаче к чувствительному элементу ударных воздействий с минимальными искажениями. Надежность электрических соединений ИП с внешней аппаратурой достигается соединительным кабелем, заделанным в корпус акселерометра.

Длительность действия ударного ускорения (длительность ударного импульса) может измеряться с помощью простейшей электрической схемы, работающей на замыкание и размыкание цепи. В этом случае длительность действия ударного ускорения определяется временем нахождения в контакте металлических соударяющихся поверхностей стола стенда 3 и наковальни 2. Измерение указанного времени осуществляется с помощью осциллографа 5 (рис. 18).

Рис. 18 - Схема измерения длительности действия ударного ускорения:

1 —изоляционное основание; 2 — наковальня; 3 —стол стенда; 4 —направляющая; 5—осциллограф

Анализ возможности применения электромагнитных ИП показывает, что они в принципе имеют весьма много недостатков: трудность получения равномерной АЧХ в широком диапазоне частот, сравнительно невысокая собственная резонансная частота, ограниченный динамический диапазон, подверженность действию внешних электромагнитных полей и ряд других, что исключает их применение.

Особую группу составляют радиоволновые — СВЧ ИП, принцип действия которых основан на использовании свойств распространения электромагнитных волн СВЧ диапазона, применяемых в ра­диолокационном методе. К достоинствам радиоволновых ИП можно отнести возможность осуществления бесконтактных измерений параметров удара на относительно большом расстоянии источника излучения и чувствительного элемента (приемо-передающей направленной антенны) от поверхности изделия. Недостатком является схемная и конструктивная сложность, ограничивающая применение радиоволновых ИП.

Принцип действия световых (оптических) ИП параметров ударного движения основан на преобразовании механического движения испытуемого изделия в изменение светового потока. Использование световых (оптических) ИП позволяет существенно расширить динамический и частотный диапазон измерений, а также устранить большинство недостатков, свойственных контактным ИП. Возможны две группы методов преобразования ударного движения в изменение светового потока:

фотоэлектрические методы измерения параметров ударного движения, основанные на модуляции соответствующего параметра светового потока в процессе его распространения воздействием ударного движения;

фотоэлектрические волоконно-оптические методы, основанные на использовании волоконных световодов.

В обеих группах методов происходит косвенное преобразование механических колебаний в электрические с помощью фотопреобразователей.

Поиск по сайту: