3.1. Статические испытания

Известные способы воспроизведения поверхностных нагрузок при статических испытаниях в большинстве случаев основаны на замене распределенных сил , действующих на конструкцию в натурных условиях, системой элементарных сосредоточенных сил . Такие силы передаются на оболочки испытываемой конструкции при помощи парусиновых лямок с использованием рычажных систем, каждая из которых может объединять десятки элементарных сосредоточенных сил [1,5 ]. Усилия на рычажные системы передаются от так называемых нагружателей Бывают грузовые, винтовые нагружатели, а также нагружатели на пневмо- или гидроцилиндрах. В тех случаях, когда объектом испытаний на одновременное воздействие силовых и тепловых нагрузок являются элементы тепловой защиты КА, применяю вакуумные системы – так называемые вакуумные присоски, которые позволяют создать на поверхности конструкции распределенные нагрузки, или силовые системы с наддувом – резиновые мешки.

3.2. Вибрационные испытания

Вибрация КА – колебательные движения отдельных элементов его конструкции. Основным источником вибрации являются работающие двигатели – маршевые и двигатели системы ориентации. Вибрации отдельных элементов могут возникать также вследствие пульсации компонентов топлива в трубопроводах. Могут быть и другие причины вибрации. Вибрация может явиться причиной усталостных разрушений элементов конструкции КА, механических повреждений приборов и аппаратуры , нарушения герметичности отсеков КА.

3.2.1. Цель и задачи вибрационных испытаний

Целью вибрационных испытаний является оценка работоспособности КА при вибрационных нагрузках.

Основными задачами испытаний являются [ 1 ] :

- Проверка прочности конструкции КА при экспериментально выявленных или расчетных вибрационных нагрузках , определение фактических запасов прочности .

- Определение коэффициентов динамичности в узлах крепления комплектующих агрегатов.

- Определение собственных частот и форм колебаний отдельных элементов конструкции и КА в целом.

- Определение коэффициентов демпфирования отдельных агрегатов и КА в целом.

- Оценка работоспособности комплектующих агрегатов, включая функционирующие агрегаты и кинематические узлы, после воздействия вибрационных нагрузок.

- Проверка виброустойчивости комплектующих агрегатов.

- Определение и оценка характеристик КА в процессе и после воздействия вибрационных ускорений, а также при динамических возмущениях, создаваемых функционированием бортовой аппаратуры.

- Определение характеристик КА при имитации условий транспортировки.

При виброиспытаниях требуется обеспечить:

- диапазон частот вибрации в контрольных точках испытываемого объекта( низшие - 0 -2 Гц , высокие - 500 -2000 Гц) ;

- необходимую продолжительность испытаний, которая ограничивается испытательным ресурсом изделия ( от нескольких десятков секунд до нескольких часов);

- настройку системы на заданный режим в установленное время ( 5 – 30 c );

- точность воспроизведения и поддержания заданных спектральных характеристик в ходе испытаний.

В ходе испытаний за короткое время необходимо воспроизвести заданные спектральные характеристики вибраций в широком диапазоне частот и с достаточно высокой точностью. Решение этой задачи для одномерных и в особенности для многомерных систем невозможно без применения автоматизированных систем управления виброиспытаниями.

3.2.2. Требования к испытуемому объекту.

К испытуемому изделию предъявляется ряд требований :

- изделие изготавливается по рабочим чертежам КА , с которым оно должно быть идентично геометрически, механически, электрически и т.д. ;

- масса, центровка и моменты инерции изделия должны определяться экспериментально перед испытаниями для каждого конкретного КА ;

- замена отдельных элементов изделия массогабаритными макетами допустима лишь в том случае, если это не окажет влияния на прочность и работоспособность конструкции;

- в необходимых случаях следует обеспечить герметичность испытуемых изделий;

- аппаратура испытуемого изделия проверяется на автономное и комплексное функционирование с измерением основных параметров;

- комплектующие элементы и рабочие вещества, используемые в механизмах и агрегатах КА, должны точно соответствовать чертежам, необоснованные замены на стадии испытаний не допускаются;

- специальные узлы , устанавливаемые на изделии для его крепления или приложения нагрузки, не должны изменять прочность и жесткость конструкции, не должны препятствовать ее деформациям при испытаниях;

- на изделии устанавливаются преобразователи, необходимые для фиксирования параметров.

Теоретически возможно проводить испытания всей конструкции КА, однако в большинстве случаев испытания проводятся на отдельных частях и агрегатах изделия. Это обусловлено в основном тремя следующими причинами : 1) Для разных частей и агрегатов КА расчетными являются различные случаи нагружения. Поэтому , проводя отдельные испытания частей и агрегатов ( поагрегатные испытания), можно проверить прочность при расчетных режимах нагружения большинства частей и агрегатов конструкции КА, используя один экземпляр изделия. 2) Испытания аппарата в целом сопряжено с большими техническими трудностями. 3) Повторный эксперимент с аппаратом может и не дать достоверной информации о его прочности и жесткости из-за остаточных деформаций, возникающих при первом эксперименте.

Испытания агрегата можно проводить как в системе аппарата, так и автономно. В последнем случае агрегаты должны поставляться на испытания вместе с переходниками, которые призваны имитировать заменяемую ими конструкцию.

3.2.3. Cредства проведения наземных вибрационных испытаний.

Вибрационные испытания КА и их отдельных фрагментов осуществляется с помощью специального оборудования. В состав этого оборудования входят:

- стенды, имитирующие механические воздействия;

- приспособления для крепления КА или его элементов к испытательным установкам;

- приборы для измерения параметров вибрации.

Вибростенды можно классифицировать по назначению, исполнению, типу и направлению создаваемых колебаний, числу компонент и форме колебаний, принципу работы возбудителя, динамической схеме и принципу возбуждения переменной силы в возбудителе колебаний.

Если классифицировать вибростенды по принципу возбуждения переменной силы в возбудителе колебаний ( по виду энергетического привода), то можно выделить следующие типы вибростендов: механические, электрогидравлические, пьезоэлектрические, электромагнитные, резонансные, пневматические, магнитострикционные , электродинамические.

Механические вибростенды - обычно выполняются с вибровозбудителями следующего типа : центробежными, эксцентриковыми , кривошипно-шатунными, кулисными и маятниковыми. На рис.3.1 изображена заимствованная из [ 1 ] cхема механического вибростенда с эксцентриковым вибровозбудителем. На этом рисунке - возбудитель с эксцентриковым приводом; - возбудитель с упругими элементами реактивной массы.

Стенд с эксцентриковым возбудителем подкупает своей простотой, но из-за сильной изнашиваемости подшипников стенды, выполненные по такой схеме применяются для частот, не превышающих 50 - 60 .

А мплитуда вибрации регулируется изменением эксцентриситета , частоту – изменением частоты вращения двигателя. Основным преимуществом таких стендов является является возможность получения очень низких частот, независимость амплитуды от частоты и экономичность. Недостатком является невозможность получения высоких частот и малых амплитуд ( менее 0,1 ) Для разгрузки подшипников применяются

Рис.3.1

эксцентриковые стенды , включающие упругие элементы и реактивную массу ( см. ). Реактивная масса 2 служит для управления вибрационными силами ,действующими на основание. Пружины 1 являются основными. Через упругий элемент 5 осуществляется передача колебаний от эксцентика 6 к платформе 3. Пружины 4 служат для связи элементов вибростенда с основанием. Изменением длины рабочих пружин регулируется амплитуда вибрации платформы. Основное преимущество механических вибростендов заключается в том, что они обеспечивают с определенной точностью постоянство амплитуды вибрации при частотах до Гц. Грузоподъемность промышленных стендов может достигать значений до 1000 . Все механические стенды - низкочастотные. Частота ограничена прочностью звеньев передаточного механизма. Дело в том, что многозвенный механизм таких стендов имеет большое количество резонансных частот , оказывающих влияние на режим испытания объектов.

Электрогидравлические вибростенды

Можно отметить следующие характерные особенности электрогидравлических вибростендов: возможность создания больших переменных сил ( свыше ) и проведения испытаний при частотах до 100 , а в отдельных случаях – при частотах до 500 ; возможность получения больших амплитуд перемещения при испытаниях на низких частотах.

В зависимости от типа задающего механизма различают стенды :

- с гидромеханическим возбуждением;

- с гидроэлектромагнитным возбуждением;

- c гидроэлектродинамическим возбуждением.

Наиболее совершенными являются стенды с гидроэлектродинамическим возбуждением вибрации , в которых электродинамический возбудитель приводит в движение золотник или клапан системы управления, изменяющий давление в основной гидравлической системе. Однако воздействие сложных динамических процессов в жидкости затрудняет получение заданного закона колебаний. Многоступенчатое усиление позволяет получить на столе стенда силы до . Верхний предел частотного диапазона ограничивается динамическими свойствами жидкости и составляет 200 – 300 .

Пьезоэлектрические вибростенды

Стенды с пьезоэлектрическим возбуждением вибрации предназначены в основном для испытания точных приборов , когда необходимая частота вибрации может превышать 10 , амплитуда перемещения составляет доли микрометра , а величина возбуждающей колебания силы не превышает единиц ньютона . Работа таких стендов основана на способности пьезокристалла испытывать деформацию под действием приложенного к нему электрического напряжения. Изменение направления вектора напряженности внешнего электрического поля на противоположное меняет деформацию сжатия на деформацию растяжения или наоборот. Если напряженность электрического поля будет меняться по синусоидальному закону, то и деформация также будет происходить по синусоидальному закону. Частотный диапазон таких стендов составляет 1 - 20 .

Электромагнитные вибростенды .

Работа такого стенда основана на взаимодействии электромагнита, установленного на упругом основании, с подвижной системой стенда, которая состоит из стола с испытуемым изделием и упругих элементов, позволяющих осуществлять настройку на резонанс путем изменения их длины.

Вибростенды с электромагнитным возбуждением имеют следующие особенности:

- испытания проводятся на фиксированных частотах 50 и 100 , но в отдельных конструкциях стендов возможны испытания с переменными частотами от 15 до 500 ;

- возможна реализация значительных по величине вынуждающих сил ( до );

- возможно проведение испытаний на резонансных режимах с переналадкой механической части стенда;

- практически отсутствуют магнитные поля в зоне размещения испытуемого объекта;

- конструкция стенда и система управления относительно просты.

Пневматические вибростенды - используют энергию сжатого воздуха от промышленных пневмосистем с давлением . В зависимости от реализованной в конструкции стенда принципиальной схемы вибровозбудителя возможно получение частот в диапазоне от 15 до 800 при широком диапазоне изменения амплитуд и сил.

Резонансные (камертонные) вибростенды - используются для получения высоких значений ускорений. Резонансные возбудители колебаний представляют собой балки или камертоны, колебания которых с резонансной частотой поддерживаются специальным электромагнитным устройством. Каждый из камертонов имеет собственные частоты. Одинаковые испытываемые объекты симметрично крепятся на концах ветвей камертона, которые помещаются в магнитное поле торцевой системы возбуждения.

Электродинамические вибростенды - применяются в тех случаях, когда при вибрационных испытаниях необходимо обеспечить следующие условия :

• большие амплитуды вынуждающей силы;

• широкий частотный диапазон;

• воспроизведение вибрации различного типа ( гармонической, случайной, по заданной программе);

• строгую направленность создаваемой вибрации;

• возможность изменения направления вибрации;

• слабые магнитные поля в зоне испытаний;

• малый коэффициент нелинейных искажений.

Типовая схема электродинамического вибрационного стенда представлена на рис.3.2.

Рис. 3.2

Принцип работы электродинамического возбудителя колебаний прост и заключается в следующем: В корпусе электромагнита 3 помещается бескаркасная катушка подмагничивания 2 . Корпус электромагнита 3 и кольцо 7 составляют магнитопровод вибратора. Через катушку подмагничивания пропускается постоянный ток. Соосно с неподвижно расположенным электромагнитом, запитываемым постоянным током , располагается подвижная катушка 8 , запитываемая переменным током от задающего генератора. Подвижная катушка связана со штоком 6, проходящим через центральную полую часть неподвижного электромагнита. На противоположном по отношению к подвижной катушке конце штока размещается стол 5 с испытуемым объектом 4. В результате взаимодействия постоянного и переменного магнитных полей возникает переменная сила, заставляющая всю подвижную систему ( подвижная катушка, шток, стол, объект) совершать колебания в соответствии с направлением этой силы. Если по обмотке подвижной катушки пропускать синусоидальный ток, то колебания стола вибратора будут иметь синусоидальную форму . Частота колебаний стола определяется частотой тока в подвижной катушке.

4. ИСПЫТАНИЯ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ИНЕРЦИОННЫХ И УДАРНЫХ НАГРУЗОК