4.5. Малогабаритные упрощенные стенды для исследовательских испытаний

Для признания результатов испытаний, особенно на высоких уровнях (в частности, приемо-сдаточных, а тем более государственных) требуется аттестация методов и методик измерений, при использовании аттестованных стендов и необходимых образцовых средств измерений. Все это должно быть подтверждено правильно оформленными документами, иначе результаты испытаний не будут признаны.

Однако очень часто требуется проводить испытания оперативно, на различных этапах проектирования или даже научно-исследовательских работ. Дорогостоящие аттестованные и сертифицированные стенды и необходимые образцовые средства измерений имеются в специальных самостоятельных испытательных подразделениях очень крупных организаций, поэтому проведение подобных испытаний на таком оборудовании приводит к значительным потерям времени и требует нередко значительных финансовых затрат, а иногда и становится практически невозможным. Такое положение часто является безвыходным, если объекты испытаний велики по массам и габаритам.

Между тем часто объекты испытаний становятся все меньше и меньше (массы десятки, максимум немногие сотни граммов), часто проведение их испытаний на стендах, когда-то создаваемых под большие, громоздкие комплексы нерационально. Существует острая необходимость в создании малогабаритных стендов, которые можно было бы устанавливать у разработчиков и наладчиков.

Такие стенды должны обеспечивать испытательные воздействия в достаточно широких диапазонах параметров воздействий, они должны быть малогабаритными, не требовать специальных фундаментов, простыми по устройству, от них может не требоваться высокая точность. При проектировании подобных стендов нужно в первую очередь опираться на традиции стендостроения, которое хотя и не выделяется в самостоятельную отрасль, но имеет давние традиции. При этом необходимо находить наиболее подходящие прототипы, но при этом также искать новые пути.

Ниже описываются результаты предварительных проработок принципов работы и схемных решений перспективных малогабаритных (компактных) стендов, которые будут предназначаться для оперативных, исследовательских и отработочных испытаний ДУС, а также соображения по методикам испытаний.

Малая центрифуга для испытаний на прочность

Как было отмечено в п. применительно к ДУС, постоянное во времени центробежное ускорение является внешним влияющим фактором. Применительно к ММА ускорение или может рассматриваться как измеряемая величина но может также рассматриваться, как дополнительный влияющий фактор, если уровни ускорений выходят за пределы диапазона измерений. При перспективах применения ДУС на особо высокодинамичных объектах (ракетах малого радиуса действия, артиллерийских снарядах), на которых кратковременные линейные ускорения могут превышать 10⁵ g, требуется создавать при испытаниях такие и более высокие уровни центробежных ускорений. Однако распространенные в организациях крупногабаритные испытательные центрифуги способны создавать ускорения до 10³ g, редко до 10⁴ g. Из приведенного в п. условия следует WR<λσ/ρ, где σ – допускаемое напряжение, ρ – плотность материала, а λ – порядка единицы безразмерный коэффициент, не зависящий от размеров ротора, но зависящей от его геометрии. Поэтому для получения больших центробежных ускорений нужно уменьшать диаметр ротора, применительно к испытаниям малогабаритных микромеханических приборов вполне возможно уменьшение радиуса R до 0,05 – 0,1 м. Подобные испытательные стенды пока не выпускаются. Но известны применяемые для отжима дешевые барабанные изделия бытовой техники с двигателями, имеющими частоту вращения порядка 2·10⁴ об/мин и создающие ускорения на периферии барабана до 2·10⁴ g. Создаваемые по их подобию малогабаритные стенды позволят на порядок повысить уровень воспроизводимых ускорений. Оценочные расчеты показывают, что на радиусе 50 мм можно получить перегрузки порядка 10⁵ g, что намного превышает возможности современном испытательном оборудовании. При этом привод должен обеспечивать частоту вращения п = 50·10³ об/мин; такие двигатели выпускаются промышленностью и используются в точном приборостроении. Передача к ротору стенда должна быть прямой быть прямой. Ротор должен быть на упругих опорах, чтобы стенд работал далеко в зарезонансных режимах, при этом не потребуется его точная балансировка.

Роторный стенд, работающий на выбеге

Это альтернатива испытании на поворотном стенде, на котором можно задавать различные постоянные значения угловой скорости при калибровке ДУС. При таком методе используется принцип калибровки по образцовому прибору, но при естественном медленном изменении угловой скорости под действием момента сил сопротивления. Основным элементом стенда является поворотный стол без точного привода, но с установленным по оси точным (образцовым) датчиком угловой скорости или датчиком угла, по сигналу которого можно с достаточной точностью определить текущее (мгновенное) или скользяще сглаженное значение угловой скорости. Если используется образцовый датчик угла, то его сигнал преобразуется в сигнал угловой скорости, для многих датчиков углов такая функция предусмотрена в штатном программном обеспечении. Подобный стенд может быть спроектирован и изготовлен с минимальными затратами. Желательно иметь ротор достаточно больших размеров и массы и подшипники с малым трением, чтобы время выбега составляло несколько минут. При достаточно большом моменте инерции ротора и при хороших подшипниках выбег происходит медленно и можно пренебрегать динамическими погрешностями ДУС.

Принцип работы стенда в процессе калибровки заключается в следующем. Тем или иным способом ротор разгоняется до угловой скорости, соответствующей границе диапазона калибруемого ДУС. После этого привод отключается, и происходит свободный выбег. Именно на выбеге одновременно регистрируются пары значений выходных сигналов образцового и калибруемого ДУС. В результате обработки данных по всему процессу вращения до остановки получаются данные для построения всей калибровочной характеристики, определения масштабного коэффициента и отклонений характеристики от линейности. Кроме того, важно, что процесс уменьшения угловой скорости в процессе выбега плавный, в том числе и при приближении к нулю, подобную плавность в широких диапазонах в стендах с программно управляемыми приводами стендов трудно достижимо.

3. Маятниковый стенд. Принцип задания угловых скоростей заключается в использовании одностепенной механической конструкции с горизонтальной осью вращения и смещенным относительно нее центром тяжести. Принципиальная схема подобного маятникового стенда показана на рис. , конструктивные схемы могут значительно отличаться от нее. При задании по упору определенного, известного или измеряемого начального углового отклонения φ₀ после освобождения происходят свободные колебания по закону

φ(t) = φ₀ cos Ωt (t) ω(t)= - φ₀ Ω sin Ωt

где Ω –собственная частота маятниковых колебаний. Таким образом, воспроизводится синусоидальный закон изменения угловой скорости. Для задания определенной амплитуды датчик угла поворота маятника не обязателен, амплитуда может задаваться и оцениваться по линейному смещению указателя смещения стрелки маятника или зеркальным методом. Не представляет большой трудности получить пренебрежимо малое затухание свободных колебаний. Таким образом, реализуется схема калибровки по образцовому стенду (мере). Смещением центра масс и другими приемами можно получать различные собственные частоты Ω маятниковых колебаний (без особых трудностей – в пределах от 1 ¹/с до 10 ¹/с. а угловые скорости – в пределах от 1 ⁰/с до 100 ⁰/с. При низких частотах свободных колебаний динамическими погрешностями можно пренебречь, и масштабный коэффициент оценивать по амплитудным значениям. Для оценивании динамических погрешностей следует воспроизводить максимальные из возможных частоты изменения угловой скорости, измерять и регистрировать синхронные значения сигналов испытуемого и образцового ДУС или их сдвиг по фазе. Как отмечалось в п. , для определения коэффициента простейшей модели динамической погрешности достаточно задавать частоты на полтора порядка ниже собственной частоты испытуемого ДУС. Тот же стенд может быть использован для определения влияния переменности угловой скорости на накопленную погрешность по углу. В этом случае результат оценивается по выходу первого интегратора схемы рис. ; движение маятника нужно начинать с упора, и в конце процесса нужно привести подвижную часть к тому же упору. При этом на выходе первого интегратора будет накопленная ошибка по углу. Предположительно влияние переменной составляющей будет проявляться через нелинейность, целесообразно задавать различные значения амплитуд.

4.Малогабаритный ударный стенд для создания ударных ускорений малой длительности

У дарные воздействия с большими пиковыми значениями перегрузок (от 10³ g до 10⁵ g и более) характерны для подвижных объектов, быстро набирающих большие скорости (порядка 10³ м/с).

Выполнение при испытаниях на стендах обоих указанных условий (большие ускорения и большие приращения скорости), для чего необходимы большие значения ω₀Т < М, где М – безразмерное число порядка десяти. То есть, при сохранении того же эффекта ударного воздействия длительность импульса может быть сокращена в десятки раз, до десятых миллисекунды. При этом соответствующее приращение скорости должно быть порядка десятков метров в секунду, что возможно получить на малогабаритных стендах. В отличие от традиционного способа разгона под действием силы тяжести предлагается использовать энергию напряженных пружин. Схематичное изображение стенда представлено на рис.1.

В представленной схеме приводом 1 при помощи троса подтягивается стол 5 с установленными микромеханическими датчиками 4. Тем самым максимально сжимаются пружины 2, которые являются механизмом запуска. Для фиксации стола во взведенном состоянии служит задвижка 6, освобождающая энергию пружин при готовности к эксперименту. При ударе стол контактирует с наковальней 7 через подушку 8, вся система амортизируются еще одними пружинами 3. Изображенные пружины – цилиндрические, винтовые, но это не обязательно, пружины могут быть, например, плоскими. Возможно воспроизведение упругой системы арбалета или лука. Для оценивания возможностей подобных стендов было проведено математическое моделирования ударного воздействия, подобраны и рассчитаны пружины сжатия. Было показано, что при сравнительно небольших габаритных размерах стенда (0,6 м), массе порядка 40 кг возможно получить скорость подвижной части перед ударом порядка 40 м/с, что на порядок больше, чем у стендов с разгоном силой тяжести. При тормозном пути 15-20 мм получаются пиковые значения ускорения порядка 15·10³ g при длительности ударного импульса около 0,2 мс.

Предполагается, что требуемый тормозной путь и определяемое этим пиковое значение ударного ускорения создается при использовании специальных средств, таких как регулируемый пневмо- или гидродемпфер, амортизационные пружинные устройства или их комбинации. Именно от проработкой этих устройств, допускающих регулировку и обладающих высокой стабильностью, будет зависеть перспективы создания и затем использования подобных ударных стендов.

Вибростенды.

Обычно вибростенды предназначаются для воспроизведения линейных колебаний (при прямолинейных поступательных перемещениях по одной оси, обычно вертикальной, но иногда горизонтальной). Рассмотрим сначала именно такие стенды. Применительно к ММГ, как ДУС, линейные колебания являются внешним влияющим фактором, а применительно к ММА эти колебания создают дополнительную составляющую измеряемой величины – виброускорение (и в этом случае оно подлежит измерению), но может также рассматриваться, как дополнительный влияющий фактор. В соответствии с этим при таких испытаниях в первую очередь определяется свойство вибростойкости, в первую очередь определяются дополнительные погрешности от вибраций. Но могут быть выявлены резонансные явления, которые могут нарушать нормальные режимы работы. Типовой диапазон частот для виброиспытаний устанавливается от 5 Гц до 3 кГц. Амплитуды синусоидальных виброускорений обычно устанавливаются на уровнях порядка 5-50 g, что значительно (на порядки) ниже пиковых значений ускорений при испытаниях на удары. Поэтому при виброиспытаниях определяется снижение показателей точности и стабильности, но показатели прочности обычно не определяются.

Известно, что динамические характеристики механических систем в значительной мере характеризуются собственными частотами. Собственные частоты микромеханических приборов высоки (многие сотни или тысячи герц) и поэтому виброиспытания являются содержательными и представляют практический интерес только в высокочастотном диапазоне, начиная 400-600 Гц, но с повышенной верхней границей, до десятков кГц.

Наибольшее распространение при проведении виброиспытаний получили электродинамические вибростенды, они выпускаются серийно рядом ведущих зарубежных фирм, таких как . Одной из задач виброиспытаний является выявление возможных резонансных эффектов, которые при точной настройке, но даже при не очень больших амплитудах виброускорений могут приводить к полной потере работоспособности.

Трудности представляет получение Для существующих фирменных вибростендов важны ограничения по частоте. Можно использовать динамики акустических систем, которые способны воспроизводить частоты до 20 кГц. Существенным недостатком является большие электромагнитные поля, так что получается одновременно испытания на электродинамические воздействия. Для значительного уменьшения внешних электромагнитных полей используется экранирование, иногда двойное.

Для виброиспытаний в диапазоне очень высоких частот (порядка килогерц) наиболее подходящими являются пьезоэлектрические вибростенды. Принцип работы такого стенда основан на использовании обратного пьезоэффекта, который заключается в том, что при разности потенциалов на электродах по поверхностям пьезоэлемента происходит изменение его размеров. Схема пьезоэлектрического вибростенда представлена на рис. Подобные стенд более всего подходит для выявления тонких резонансных эффектов, характерных для обладающих высокой добротностью монолитных конструкций ММГ и ММА, выполняемых по технологиям изготовления ЧИПов на кремниевых пластинах. Эти эффекты могут приводить к полной потере работоспособности прибора, но это происходит при точной настройке на одну из резонансных частот и при длительном воздействии. При этом не требуется высокой стабильности амплитуды. Пьезоэлектрические стенды в наибольшей степени подходят для подобных испытаний.

Приводы прямого действия одноосных пьезоэлектрических стендов могут быть собраны в виде слоеных столбиков из пластинчатых элементов (шайб) из пьезокерамики, выпускаемых промышленностью. На электроды пьезозлементов по схеме рис. подается напряжение обычно до 100 В от генератора по схеме рис. с параллельным соединением через один в противофазе. Пьезоэлектрический стенд способен создавать только очень малые виброперемещения (не более 0,1 % от длины столба), что не очень существенно при высоких частотах.

Простые одноосные пьезоэлктрические вибростенды могут быть собраны на любом предприятии, но в комплекте с электроникой они выпускаются рядом приборостроительных фирм. Фирма . . . выпускает сложные по кинематике, построенные по схеме механизма параллельной структуры (платформы Стюарта) пьезоэлектрические стенды, в том числе и довольно сложные по кинематике; они позволяют воспроизводить как линейные, так и угловые колебания, причем в любых сочетаниях амплитуд и фаз. Пьезоэлектрические стенды с компьютерным управлением позволяют программировать любые законы изменения параметров вибраций по осям в процессе испытаний. Известны многочисленные предложения по программному обеспечению таких операций, как поиск резонансов. Во всех случаях рекомендуется контролировать амплитуды виброускорений с помощью образцовых акселерометров, в некоторых случаях они включаются в цепи обратных связей автоматического управления амплитудами.

При виброиспытаниях на очень высоких частотах (несколько килогерц) сам привод стенда, его различные элементы, стол и испытуемый объект нельзя считать жесткими, они по-разному деформируются, и может создаваться сложное, зависящее от частоты распределение виброускорений. Расчет этих распределений должен осуществляться методом конечных элементов. Но важно, что вследствие переменности ускорений по всем элементам представление об определенной амплитуде виброускорений, даже при контроле образцовым акселерометром, может полностью терять смысл. Неопределенность вибрационного воздействия на объект еще больше усиливается в тех случаях, когда проявляются резонансы элементов самой конструкции стенда.