4.4. Ударные стенды
В п. 6 табл. ? указаны средства воспроизведения ударных воздействий, это ударные стенды. При испытаниях объектов на удар определяются такие свойства, как ударопрочность (условия, при которых не происходят поломки) и удароустойчивость (способность нормально работать также во время действия ударного импульса). Применительно к испытаниям на механические ударные воздействия вопросы необходимости создания и использования специальных стендов решаются неоднозначно. Часто в стендах как таковых нужды нет, вполне достаточно непосредственно воспроизводить реальные динамические ударные процессы. Так, если должна быть проверена сохранность, способность изделий сохранять работоспособность прибора при падении с определенной высоты, то это проверяется при непосредственном воспроизведении такого падения; необходимо лишь оговорить высоту и свойства основания, с которым происходит соударение (дерево, бетон, сталь). Естественно, типовые параметры такого удара (например, длительность, максимальные силы и ускорения) заранее не задаются, но могут быть определены по результатам измерений импульсов ускорений при испытаниях. При испытаниях на стойкость по отношению к землетрясениям в ответственных случаях необходимо воспроизводить записанные ударные воздействия, которые считаются типичными.
Аппаратура военного назначения нужно проверять на ударное воздействие взрыва, для этого уже нужны стенды. Неясно, можно ли в подобных случаях говорить об эквивалентности условий и параметров ударных воздействий в реальности и при испытаниях. Просто требования к удару задаются нормативными документами и вопросы о соответствии не поднимается.
Встречаются также ситуации, когда при испытаниях нужно задавать ударные импульсы, но их параметры несущественны. Такое положение, например, имеет место при проверке по качеству звуку на отсутствие трещин в изделиях из материалов, которые при ударах звонко, а не глухо звенят. На слух или с помощью приборов при этом устанавливается показатель затухания колебаний во времени, и именно он является контрольным или диагностическим признаком. Испытания многих изделий на механические ударные воздействия часто оказываются наиболее тяжелыми по многим причинам, иногда требования к стендовым испытаниям на удары вообще не могут быть выполнены.
При постановке требований к испытаниям необходимо рассматривать ударное воздействие, как импульсный процесс, характеризуемый определенной зависимостью от времени силы прикладываемой силы F(t) или, чаще, импульсного ускорения W(t), которое при испытаниях является ускорением стола, на который устанавливается объект. Именно ускорение ударного импульса измеряется с помощью датчика - акселерометра.
Реальные зависимости ударных ускорений w(t) обычно имеют сложную форму (рис. 3.25 а). В разных областях науки и техники накоплен большой экспериментальный материал по результатам регистрации реальных ударных воздействий, вплоть до землетрясений. Типичным является высокий импульс на начальной фазе, а далее идут непериодические затухающие колебания.
При некотором упрощении представляется, что имеет место первая полуволна самого высокого уровня, после чего следует более растянутая во времени обратная полуволна (рис. 3.25 б). Часто при описании ударных импульсов используют приближенные зависимости, например, в виде одного полупериода синусоиды (рис. 3.25 в). Для получения правильных качественных выводов часто достаточно считать импульс прямоугольным (рис. 3.25 г). Практически как правило ударные импульсы имеют сложную форму с наложением высоких частот. Вследствие этого контрольные измерения ударного ускорения на стенде должны быть обязательными.
Элементарная теория удара строится на основе известных кинематических соотношений, в общем виде скорость и перемещение в момент Т окончания импульса определяются выражениями
(3.10)
где S(0)— начальное значение координаты, а V(0) — начальная скорость. Предельно простым является представление удара в виде прямоугольного импульса постоянного уровня w0 без обратной полуволны (рис. 3.25 г), в этом случае он однозначно задается только двумя параметрами: значением ускорения w0 и длительностью Т.
Ударный импульс обычно создается при торможении после предварительного разгона. Для полусинусоидального импульса рис. 3.25 г при торможении с амплитудным (или пиковым) ускорением W0 имеются известные соотношения связей между значением ускорения, начальной скоростью, длиной тормозного пути и временем действия ударного импульса
V0 = 2/πW0Т ; ΔS (Т) = ? W0Т2 = ?V02 W0-1 (3.11)
Особое внимание к полусинусоидальной форме импульса, по-видимому, объясняется тем, что такой закон получается при использовании математической модели соударения с неподвижным основанием через линейно-упругую прокладку (или пружину). Пиковые значения ускорений определяются техническими требованиями к испытаниям, в зависимости от конкретных приложений в широком диапазоне они задаются от 102 м/с2 до 106 м/с2 .
Достижимая начальная скорость подвижной части со столом и объектом испытаний в конце разгона перед ударным торможением определяется принципом действия стенда и изменяется обычно от нескольких десятых м/с до нескольких десятков м/c. Семейство зависимостей пикового значения W0 ускорения торможения от времени торможения T и от длины Δs тормозного пути при различных значениях начальной скорости V(0) представлены соответственно на рис. 3.26 а, б в логарифмической сетке.
В соответствии с этими данными длительность удара, которая обычно указывается в технических требованиях на испытания, изменяется от долей миллисекунды до сотни микросекунд. Измерение или контроль подобного рода временных интервалов, а тем более прямое управление длительностью удара практически невозможно, поэтому при проектировании ударных стендов основным является требования на начальную скорость и длину тормозного пути, по этим показателям оценивается выполнимость технических требований.
Если условия испытаний жестко не регламентируются и имеется возможность выбора параметров ударов, то при обосновании режимов и параметров испытаний на удары следует обращать внимание на свойства и параметры объекта испытаний. Основным параметром испытуемого прибора следует считать низшую собственную частоту ωmin конструкции чувствительного элемента. Эта частота может быть или определена экспериментально, или хотя бы очень грубо оценена расчетно на простых математических моделях.
В зависимости от соотношения длительности Т импульса ускорения и частоты ωmin получаются две существенно различные ситуации.
1. При (ωmin Т) <<1 импульс является коротким (кратковременным), ускорения по элементам конструкции обычно быстро убывают, близкие к основанию элементы конструкции играют роль амортизаторов, в крупномасштабных деформациях, опасные состояния чаще возникают в элементах конструкции, близких к основанию, повышена вероятность разрушения элементов крепления объекта к столу. При высокой добротности конструкции после окончания удара происходят медленно затухающие свободные колебания. Обычно наибольшие амплитуды имеют колебания по первой собственной частоте ωmin. Для удаленных от основания элементов конструкции форма импульса ускорения практически значения не имеет, важно лишь значение приращения скорости.
2. При (ωmin Т) >>1 импульс является длинным (длительным), можно считать, что конструкция в этих случаях работает в условиях, близких к статическому нагружению (как, например, при испытаниях на центрифуге). При плавности изменения ускорения вблизи пика можно считать его эквивалентным постоянному ускорению W = W0 , при этом длительность импульса несущественна. Из этого следует, что в данном случае испытания на удар не дают новой информации по сравнению с испытаниями на статическое нагружение при одинаковых ускорениях. В этом случае испытания на центрифуге и на ударном стенде отчасти дублируют друг друга: при возможности испытаний при одинаковых ускорениях и на центрифуге, и на ударном стенде предельно допустимые по прочности перегрузки должны быть близки.
Рассмотрим подробнее схему удара, передаваемого на испытуемый объект. В первом варианте испытуемый объект может непосредственно крепиться к подвижной массе, которая тем или иным способом первоначально разгоняется, а затем при ударе о упругое препятствие тормозится (рис. 3.27 а). Во втором варианте объект устанавливается на промежуточный, находящийся в упругом подвесе стол, который первоначально неподвижен, воспринимает удар от подвижной части(рис. 3.27 б).
Несмотря на очевидное сходство, эти варианты имеют важное качественное различие: в первом случае (рис. 3.27 а) имеет место быстрое конечное приращение скорости (отрицательное, от начального значения до нуля), а во втором (рис. 3.27 б) — приращения скорости и перемещения равны нулю. Как отмечалось ранее, это имеет большое значение, если импульс является коротким. При коротком ударе для элементов, удаленных от основания, очень существенна разница между схемами рис. 3.27 а и б, во втором случае отсутствие приращения скорости после окончания ударного импульса существенно уменьшает нагрузки на внутренние элементы. При очень кратковременных импульсах ускорений, нужно учитывать процессы, вызывающие изменения формы импульсов по мере прохождения от зоны непосредственного контакта через элементы конструкции стола и далее по элементам самого испытуемого объекта.
При необходимости получения большой кинетической энергии при разгоне подвижной части перед ударом могут быть использованы различные средства, в первую очередь пружины, сжатый воздух, не исключено и применение порохового заряда. Во всех случаях в конце разгона могут быть получены скорости порядка нескольких десятков м/с. Пружинные устройства представляются наиболее перспективными; возможно использование пружин и упругих элементов различного типа. Одним из прототипов стенда малой грузоподъемности может служить арбалет; по имеющимся сведениям скорость стрелы из арбалета может достигать 100 м/с. Для привода сжатого воздуха прототипом может служить система духового ружья.
В тех случаях, когда испытание производится на единичный удар, возвращение подвижной части в исходное положение может осуществляться любым способом. Однако нередко предусматривается задание последовательности определенного числа ударов (обычно порядка десятка или сотни), в этих случаях необходимо предусматривать механизацию операции возвращения в исходное положение.
Удары с небольшими значениями начальной скорости (около 1,5 м/с) способны создавать современные фирменные электродинамические вибростенды, для них это предусмотренный штатный режим подачи импульсов напряжения определенной формы. Очевидные достоинства использования таких стендов заключаются в возможностях испытаний на последовательности любого числа ударов и в проведении двух видов испытаний (на вибрацию и удар) при одной установке испытуемого объекта.
В качестве примеров можно указать выпускаемые ударные стенды ТИРАшок 4110М-1, Ostec (Япония), Weisstechnic (Германия), DONGLING TECH (Китай). В большинстве стендов используется разгон под действием силы тяжести, однако в некоторых используется пневматика («выстреливание» подобно пневматическому ружью). Всегда в числе параметров указывается пиковое значение импульса ударного ускорения (от сотен до десятков тысяч g), длительность (от долей до нескольких миллисекунд) и возможность воспроизведения серий ударов (несколько десятков ударов в минуту). Немногие стенды позволяют формировать ударные импульсы различной формы к тому же с различными значениями параметров. Обычно способы формирования импульсов представляют now-how фирм-производителей и никогда не раскрываются.
Для получения достоверных данных о законах изменения ускорения в процессе удара, в первую очередь пиковых значений необходимо использовать акселерометр. Важно расположение акселерометра на подвижной части стенда, к которому крепится объект, или на самом объекте. Чем короче удар, тем сильнее линейные ускорения изменяются по конструкции. Поэтому при исследовательских испытаниях для выявления реальных свойств объекта, в том числе амортизирующих свойств элементов конструкции объекта, желательно размещать акселерометры по этой конструкции в разных точках.
Номенклатура параметров, характеризующих процесс удара, устанавливается в соответствии с ГОСТ 8.127-74 Измерения параметров ударного движения. Термины и определения. Требования к точности измерения амплитуд импульсов ускорений обычно невысоки: допустимы погрешности порядка 10 %, а иногда и больше. Сам акселерометр должен быть приспособлен для измерения коротких импульсов. Рекомендация по выбору параметров акселерометров, полученные по результатам многих расчетов, сводятся к тому, что акселерометр должен быть хорошо задемпфирован, а его собственная частота ωа должна быть связана с длительностью Т импульса ускорения соотношением ωаТ > 30 –100. При этом динамические погрешности имеют порядок нескольких процентов, что обычно бывает вполне допустимо.
Обычно для различных видов механических испытаний параметры режимов устанавливаются независимо, и так же независимо регистрируются и представляются результаты. Однако при исследовательских испытаниях целесообразно проводить совместный анализ результатов. Например, полезно сопоставить пределы сохранения работоспособности и приемлемой точности при испытаниях на постоянные перегрузки, на ударные воздействия и на вибрации. Для ДУС могут иметь одну и ту же природу воздействия по линейным и угловым ускорениям.