8.5 Вибрационные испытания

Под вибрацией изделия понимают механические колебания ее элементов или конструкции в целом. Колебания — движения, обладающие повторяемостью во времени.

Вибрация может быть периодической (гармонической и полигармонической) и случайной (стационарной, нестационарной).

Гармоническая вибрация (ГВ) сравнительно редко встречается в реальных условиях, но широко используется при лабораторных испытаниях и анализе. Она важна при определении динамических характеристик конструкций, которые используются для нахождения реакции системы при более сложных формах вибрации.

Виброперемещения, скорость, ускорения при гармонической вибрации определяются по формулам:

.

В практике испытаний широко используется коэффициент виброперегрузки , где S — амплитуда (мм); f — частота (Гц); амплитуда виброускорений a определяется как .

Полигармоническая, или сложная периодическая, вибрация может быть представлена в виде суммы гармонических составляющих.

Вибрация, параметры которой изменяются во времени случайным образом, называется случайной. Она может быть стационарной и нестационарной. У стационарной вибрации математическое ожидание виброперемещения равно нулю, математическое ожидание виброскорости и виброускорения постоянны. У нестационарной вибрации постоянства статистических характеристик не наблюдается.

Метод испытаний на фиксированных частотах заключается в последовательном воздействии гармонической вибрации определенной частоты и амплитуды в требуемом диапазоне частот. Устанавливаются поддиапазоны частот, амплитуды и время испытаний. Рекомендуется выдержать изделие на высшей частоте каждого поддиапазона.

Особое внимание обращают на обнаружение резонансных частот, когда амплитуда колебаний изделия или элемента в 2 раза выше амплитуды колебаний точек крепления. Метод широко применяется как сравнительный для исследования АЧХ (амплитудно-частотных характеристик).

Метод качающейся частоты. Частоту вибрации плавно изменяют в заданном диапазоне частот от нижней до верхней и обратно при постоянстве заданных параметров вибрации.

Метод испытаний на полигармоническую вибрацию отличается от метода гармонической вибрации заданием нескольких гармонических воздействий.

Метод испытаний на широкополосную случайную вибрацию (ШСВ). Реальные вибрации в большинстве случаев являются случайными. Широкополосные случайные процессы с заданным энергетическим спектром получили распространение в качестве физических моделей реальных вибропроцессов. Описание моделей реальных вибропроцессов в рамках корреляционной теории позволяет характеризовать эквивалентность воспроизводимых и реальных вибраций степенью близости их энергетических спектров.

Метод предусматривает одновременное возбуждение всех резонансных частот объекта. Правильное воспроизведение вибрации связано с трудностями, обусловленными искажающим влиянием средства возбуждения вибрации. Поэтому перед испытаниями необходимо скорректировать амплитудно-частотную характеристику вибростенда. При испытаниях в контрольных точках изделия возбуждаются стационарные случайные вибрации. Их числовые характеристики должны быть близки к заданным, которые определяют по результатам натурных испытаний.

Метод испытаний на ШСВ позволяет воспроизвести те числовые виброхарактеристики, которые влияют на надежность испытуемого изделия. За критерий подобия принимается спектральная плотность вибрационных ускорений, так как вероятность выхода изделия из строя возрастает с ростом спектральной плотности ускорений вибрации.

Программу испытаний задают в виде зависимости спектральной плотности G (м/с²)²/Гц от частоты. Эта зависимость воспроизводится вибростендом в контрольной точке изделия с помощью формирователей энергетического спектра, которые в общем случае представляют собой источник широкополосного случайного сигнала, или “белого” шума, и набор регулируемых полосовых фильтров.

Метод испытаний на узкополосную случайную вибрацию (УСВ). Методы ШСВ сложны и дороги, различные методы гармонической вибрации не могут их заменить. Режим меняющейся УСВ является промежуточным. Он основан на замене возбуждения широкополосной плотности ускорений малой величины возбуждением узкополосной плотности ускорения большей величины, медленно изменяющейся на некотором участке частотного диапазона. При правильной регулировке предложенный метод обеспечивает то же число наиболее важных ускорений на заданном уровне, что и при широкополосном методе.

Для создания методик виброиспытаний проводились специальные исследования по натурному транспортированию изделий автомобильным транспортом, по железной дороге и др. Основным параметром служили виброускорения, которые измерялись в 3-х взаимно перпендикулярных направлениях на платформах и местах крепления. В результате анализа были определены основные статистические характеристики вибрационных процессов:

аⁿ_max - максимальные пиковые значения виброускорений;

a^ср_max - максимальные средние квадратические значения ускорений и спектральная плотность мощности ускорений.

Наиболее интенсивные колебания наблюдаются при авто транспортировании в полосе частот 1—15 Гц. В полосе частот 1—100 Гц сосредоточена практически вся энергия колебаний (автомобильный транспорт и железная дорога). В спектре колебаний на железной дороге присутствуют частоты вплоть до 60 Гц. Горизонтальные составляющие не превышают 50 % от вертикальных.

При разработке эквивалентных методов испытаний использовалась теория накопления повреждений, критерий усталостной долговечности.

Режимы испытаний определяют, исходя из следующих условий эксплуатации:

- транспортирование водным, воздушным и железнодорожным транспортом;

- транспортирование автомобильным транспортом;

- транспортирование средствами на гусеничном ходу;

- на траектории полета.

На первом этапе проводят исследование, определяют АЧХ. Определение АЧХ необходимо для выявления резонансных частот и коэффициента динамичности и получения исходной информации для назначения режимов испытаний на вибропрочность и виброустойчивость.

Определение АЧХ проводят при постоянной амплитуде ускорения гармонической вибрации в местах крепления изделия и плавном изменении частоты в исследуемом диапазоне. Измерения на основных элементах проводят в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Коэффициенты динамичности основных элементов не должны превышать определенных значений. Контроль режимов проводят по парам пьезоакселерометров, диаметрально расположенных на месте крепления.

Затем проводят испытания при различных режимах транспортирования. Количество циклов задают в зависимости от расстояния транспортирования. Дополнительно учитывают транспортирование по бездорожью автомобилем, гусеничным транспортом.

Следующий этап — испытания при режимах полета. Режимы определяют, исходя из реальных условий эксплуатации (либо условий эксплуатации изделий-аналогов). При отсутствии таковых — на основе анализа характерных максимальных обобщенных нагрузок.

Испытания проводят случайной вибрацией в диапазоне частот 20—2000 Гц с контролем среднеквадратического значения (СКЗ) ускорений.

При формировании лабораторных режимов обеспечивают наличие основных максимумов спектральной мощности ускорения, зафиксированных в реальной эксплуатации.