double arrow

Испытания на воздействие инерционных нагрузок

При испытаниях КЛА и их систем инерционные нагрузки моделируют таким образом, чтобы они достаточно точно соответствовали нагрузкам при определенных условиях эксплуатации ЛА. Однако полностью воссоздать условия эксплуатации на стендовом оборудовании практически невозможно, так что речь может идти только о большей или меньшей степени приближения к реальным условиям.

В качестве основных средств испытаний используются центробежные стенды.

Для достижения условий нагружения, максимально приближенных к эксплуатационным, на центробежных стендах используются следующие способы:

— изменение частоты вращения динамической установки с исследуемым ЛА;

— поворот исследуемого ЛА на динамической установке;

— линейные перемещения исследуемого ЛА вдоль одной или нескольких пространственных осей на динамической установке.

Для имитации инерционных нагрузок на центробежном стенде необходимо знать закон изменения во времени перегрузки, воздействующей на ЛА при эксплуатации; проанализировать реальный процесс и преобразовать его в процесс, удобный для воспроизведения на стенде; разработать методику воспроизведения закона с требуемыми характеристиками; выбрать или спроектировать и изготовить центробежный стенд, технические характеристики которого обеспечивают воспроизведение заданного закона изменения перегрузки; выбрать или спроектировать комплекс аппаратуры, обеспечивающий съем, первичное преобразование, обработку и регистрацию измеряемых параметров; разработать методику исследования движения испытуемого ЛА в натурных условиях по результатам лабораторных испытаний на центробежном стенде.

В программе проведения исследований должна быть приведена информация об испытуемом ЛА и заданном законе изменения воздействия на него перегрузки.

Типы законов должны быть оговорены с указанием фронта нарастания и спада перегрузки, длительности действия, предельных отклонений перегрузки.

При воспроизведении линейных ускорений на центробежном стенде определяющее значение имеют величина перегрузки п, градиент перегрузки с, предельный импульс перегрузки Упр и мера интегрального воздействия Мп .

Число циклов и продолжительность испытания должны быть достаточными для измерения и контроля параметров испытуемого объекта.

Особый интерес для разработчиков блоков и узлов аппаратуры представляют перегрузки, вызванные динамическими факторами.

Для различных объектов форма кривой временного значения изменения перегрузок различна. Законы перегрузок различаются по амплитуде, времени нарастания и другим характеристикам.

Отличительной особенностью перегрузок является сравнительно большая длительность действия, измеряемая обычно от 1с до нескольких десятков секунд. Однако формы импульсов разнообразны, что имеет существенное значение при выборе метода их имитации (рис. 2.36, а—г).

В основу классификации центрифуг (рис. 2.37) положены следующие эксплуатационные параметры: категория, конструкция, тип привода, нагрузка на плечо, назначение.

При испытаниях ЛА или его элементов на центробежных стендах создаются длительно действующие импульсные перегрузки. Перегрузки создают вращением объекта относительно нескольких пространственных осей. Так как в натурных условиях динамика движения ЛА и его элементов носит сложный характер, в общем случае центробежные стенды должны обеспечивать изменение частоты вращения планшайбы для воспроизведения переднего фронта нарастания (или уменьшения) перегрузок, поворот испытуемого объекта на планшайбе и линейное перемещение испытуемого объекта по планшайбе (рис. 2.38).

Планшайба вращается вокруг вертикальной оси OjYj. Платформа имеет сферическую шарнирную опору, позволяющую ей вращаться относительно произвольной оси, проходящей через центр 02 опоры. Платформа установлена на каретке 4, которая может перемещаться вдоль планшайбы 3. Испытуемый объект 6 может вращаться вокруг своей продольной оси ОХ

В процессе испытаний ЛА и их элементов на центробежных стендах воспроизводятся три основных вида перегрузок:

— импульсные;

— сложные непрерывные периодические;

— непериодические ортогональные.

Импульсные перегрузки на испытуемой конструкции можно получить при использовании центрифуг с поворотными платформами; с кареткой, перемещающейся вдоль планшайбы; с ударным приводом планшайбы. Выбор конкретного варианта центрифуги связан с необходимостью воспроизведения перегрузок с определенным временем их нарастания.

Так, например, испытания конструкций на воздействие импульсных перегрузок с крутым фронтом нарастания осуществляются на центрифугах с поворотными платформами. Поворот платформы может быть осуществлен за счет дисбаланса или специальным пневмонилиндром.

На рис. 2.39 показана установка поворотной платформы на центрифуге, где дисбаланс в основном создается неуравновешенным грузом 3, укрепленным на поворотной платформе 2, После разгона планшайбы 1 до заданной частоты, когда перегрузка действует нормально к оси чувствительности объекта 4, платформа 2 поворачивается вокруг оси O2Y2 на угол 90° за счет дисбаланса от груза 3 с таким расчетом, чтобы ось чувствительности смотрела на ось вращения планшайбы, благодаря чему и обеспечивается действие на объект испытаний заданной перегрузки п. Время разворота платформы с объектом т, угловая скорость d и угловое ускорение ос поворота платформы должны соответствовать заданному времени нарастания перегрузки в направлении оси чувствительности устройства.

В практике испытаний на центрифугах с поворотными платформами используют параметр поворотной платформы А, выраженный в миллиметрах:

где J3=Jпл+Jоб — суммарный момент инерции платформы Jпл и объекта Jоб-; Mгр — масса неуравновешенного груза; r — расстояние от центра тяжести неуравновешенного груза до оси вращения платформы. Если заданы параметры nxmax; τ; α0 на испытания объекта, то этим уже определен требуемый параметр поворотной платформы А:

где Cm — коэффициент, зависящий от начального угла положения α0.

Оптимальные значения начальных углов положения неуравновешенного груза находятся в интервале 90° < α0 < 120°. При этих углах можно сократить время разворота платформы и снизить динамические воздействия на стопорящие устройства.

Используя условие воспроизводимости

где t*таб = f(α0) — значения безразмерного времени для начального угла α0 (табл.2.3), можно определить возможность испытания объекта на воздействие заданной перегрузки на центрифугах с поворотными платформами.

Проведение испытаний на центрифугах с поворотными платформами возможно при выполнении следующих условий:

— момент инерции поворотной платформы должен быть значительно меньше момента инерции испытуемой конструкции;

— неуравновешенный груз должен иметь возможность устанавливаться на различных расстояниях от оси вращения платформы;

— неуравновешенный груз должен имен» возможность устанавливаться под различными начальными углами;

— поворотная платформа должна иметь возможность разворачиваться в двух противоположных направлениях.

Так как в реальных условиях поворотная система состоит из платформы, груза и штока, то формула (2.54) примет вид

где mш — масса штока; rm — расстояние от оси вращения платформы до центра масс штока.

При расчете поворотных платформ центрифуг неуравновешенный груз находят по заданному параметру Л, известным габаритным размерам и моменту инерции платформы и объекта. Для этого намечают расстояния rгр, rm и массу mш. Из уравнения (2.56) получают

Зная mгр, выбирают размер груза. По формуле

выбирают минимально возможное значение rгр, что позволяет уменьшить динамические нагрузки на планшайбу центрифуги.

Для воспроизведения перегрузок с большим временем нарастания τ ≥ 0,2с используются центробежные стенды с перемещением испытуемых объектов вдоль планшайбы (рис. 2.40).

Объект 1 на подвижной каретке устанавливают в центре планшайбы 2. При вращении планшайбы с требуемой угловой скоростью ф =const каретка с объектом перемещается вдоль планшайбы основной 3 и импульсной 4 пружинами. Задача импульсной пружины заключается в разгоне каретки с объектом до скорости Vp, которая необходима для перемещения каретки с объектом на требуемый радиус вращения за время т. Этот разгон осуществляется на длине 1р. Основная пружина предназначена для компенсации всех сил сопротивления и равномерного перемещения объекта по планшайбе. На этом участке импульсная и основная пружины работают в параллельном соединении. Характерный закон нарастания перегрузок, воспроизводимых на стендах с пружинами, показан на рис. 2.41. Должны быть известны следующие параметры стенда: /к — конечное удаление каретки с конструкцией от оси планшайбы; фз™ w3~ cons! — угловая скорость вращения планшайбы; т3 — масса каретки с конструкцией. Из рис. 2.41 видно, что кривую нарастания перегрузки можно разбить на три участка.

На участке / (участке разгона) ускорение каретки с испытуемой конструкцией изменяется по закону затухающей периодической кривой. На каретку с конструкцией действуют силы: F\ ~ Pq - с$к\ — сила пружин (Pq ~— суммарная сила начального сжатия импульсной пружины и начального растяжения основной пружины; с0 — эквивалентный

коэффициент жесткости пружин); f2 ~ rn3(^%i — сила инерции от

нормального переносного ускорения;

F$ = 2m3/<p2 Xi — сила трения от кориолисова ускорения (/ ■ const — коэффициент трения материалов каретки и направляющих планшайбы).

На участке 2 воспроизводятся перегрузки при равномерном движении каретки с конструкцией.

Воспроизведение участка 3 кривой осуществляется за счет использования дополнительной (буферной) пружины 5(см. рис. 2.40), которая должна вступить в действие при достижении перегрузки п\ «= 0,9л3. При этом каретка с конструкцией должна находиться на расстоянии /2 от оси вращения планшайбы:

При испытаниях на таких стендах перегрузка нарастает по линейному закону:

где n0 — перегрузка, действующая на конструкцию в тот момент, когда она находится на радиусе lp и движется со скоростью Vр:

Крутой фронт нарастания перегрузок можно осуществить на центрифуге с ударным приводом планшайбы при наличии массивного ротора. Суть работы таких стендов заключается в следующем. Ротор / (рис. 2.42) разгоняется до определенной угловой скорости, а далее через передаточное звено 3 толчком приводит в движение планшайбу 2 с испытуемым объектом 4. Для этого на роторе установлены упоры 5, которые при разгоне ротора спущены. В конце взаимодействия передаточного звена с упорами оно опускается, а планшайба продолжает свое движение по инерции или за счет дополнительного электродвигателя. Передаточное звено может быть выполнено в виде упругого элемента, пневматическим, гидравлическим, электродинамическим.

При использовании упругих передаточных звеньев, которыми обычно являются пружины, перегрузки во времени выражаются формулой

По формуле (2.61) на рис. 2.43 показаны типичные графики нарастания перегрузок, воспроизводимые на центрифугах при использовании упругого передаточного звена. Анализ графиков позволяет сделать следующие выводы:

Если принять, что графики перегрузок имеют экстремальные точ­ки п j *» птах в момент времени cofj * 0,5я и п2 при <£t2 т п> то макси­мальную перегрузку можно найти по следующей формуле:

Принцип действия гидравлических передаточных звеньев основан на перетекании жидкости из одной полости цилиндра в другую через дроссельное отверстие постоянного или регулируемого сечения (рис. 2.44). Энергия ротора стенда при взаимодействии с планшайбой затрачивается на сообщение ей заданной скорости вращения и на перемещение жидкости в передаточном звене, которая, в свою очередь, в результате ударного процесса торможения в запоршневом пространстве нагревается. По известному закону изменения ускорения системы «ротор — планшайба»

где Р ю pBS — сила гидравлического сопротивления (S — рабочая площадь поршня; рп — давление жидкости); — момент трения (в основном в уплотняющих устройствах гидравлического передаточного звена); г — радиус, на котором расположено гидравлическое передаточное звено от оси вращения планшайбы; / — момент инерции. Подбирают соответствующие параметры стенда и режимы испытаний. Параметры стенда, как правило, известны и не могут изменяться в широких пределах. Поэтому заданный закон изменения перегрузки во времени получают подбором щ и динамической силовой характеристики Я(а/) гидравлического передаточного звена. Требуемая зависимость P(ctj) обеспечивается изменением площади отверстия S0.

Для испытаний на воздействие сложных непрерывных периодических перегрузок в конструкцию стенда должны быть введены центрифуга и размещенный на ее платформе механизм сферического движения. Сферическое движение состоит из трех составляющих: собственного вращения вокруг продольной оси ЛА, прецессионного и нутационного движения. На рис. 2.45, а, б я в приведены три рекомендуемые схемы такого механизма. Наиболее универсальной схемой, обеспечивающей все режимы, является схема, изображенная на рис. 2.45, б.

Основными элементами стенда (рис. 2.46) являются станина 14, планшайба 11, привод вращения планшайбы, включающей в себя электродвигатель 12 и редуктор 13. На планшайбе установлена опора 4, имеющая две степени свободы. Привод 3 вращения испытуемой конструкции представляет собой высокоскоростной электродвигатель, на одном конце выходного вала которого установлена оправка /. В оправку / помещается испытуемая конструкция, которая вращается приводом 3 с заданной угловой скоростью ф вокруг продольной оси, что обеспечивает ускорение, действующее на конструкцию объекта на траектории от собственного вращения ЛА. На приводе 3 размещен привод 5 быстрого конического движения, связанный через кривошип 6 с концом рычажного копирующего механизма 7. Механизм 7 закреплен на стойке 8, размещенной на платформе, и своим вторым концом связан с приводом 16 медленного конического движения через кривошип 15. Таким образом, приводы 5 к 16 через кривошипы б и 15 и регулируемый копирующий механизм 7 создают сферическое движение привода 3 и вместе с ним приборного устройства с заданными угловыми скоростями щ и а>г радиусами /иг большого и малого конических движений. Радиусы /иг конических движений могут изменяться регулировкой длин кривошипов б и 15. Это приводит к изменению воспроизводимых углов нутации. Угловые скорости со/ и сог могут воспроизводиться по заданным законам с помощью приводов 15 и 16.

В центре масс испытуемой конструкции вследствие вращения планшайбы создается перегрузка, соответствующая перегрузке от поступательного движения ЛА на траектории. Изменением угловой скорости фг воспроизводится необходимый закон изменения этой перегрузки. Получаемые при испытаниях перегрузки измеряются с помощью индуктивных датчиков, располагаемых в соответствующих местах оправки I. Угловые скорости всех воспроизводимых движений на стенде измеряются датчиками угловых скоростей. Для передачи сигналов и съема информации с датчиков в процессе испытаний служат два бесконтактных передающих устройства 2 и 9. Подача силовых напряжений на электродвигатель 16 и узел 3 осуществляется через контактное токопередающее устройство 10.

Используя метод подобия и размерности, установим условия, при которых процессы испытаний объекта на центробежном стенде будут подобны. При статическом методе испытаний объект жестко крепится на планшайбе на расчетном радиусе от оси ее вращения и остается неподвижным в период испытаний. Частота вращения планшайбы по­стоянна или медленно изменяется во времени.

Определяющие параметры центробежного стенда следующие:

w — максимальное центростремительное ускорение; / — рассто­яние от оси вращения планшайбы до центра масс испытуемого объ­екта; А — максимальный геометрический размер испытуемого объ­екта; т — максимальная масса испытуемого объекта; N — номиналь­ная мощность привода планшайбы стенда; М— масса стенда; g — ус­корение свободного падения.

В соответствии с л-теоремой, из семи параметров, среди которых три имеют независимые размерности, можно составить не более четы­рех независимых критериев подобия. Учитывая, что w ** clb, где с — известный безразмерный коэффициент ( = 0,01); b — частота враще­ния планшайбы, получаем следующие критерии подобия:

п =, wfg _ перегрузка испытуемого объекта;

N - N/(ml b ) — критерий подобия, пропорциональный коэф­фициенту сопротивления Сх и определяемый вязкостью воздуха,

ЛГ - SCx pV*/(2g); где р — плотность воздуха; V — линейная скорость; S — площадь миделевого сечения; Су — коэффициент сопротивле­ния; Mlm — критерий подобия, показывающий, во сколько раз масса стенда больше массы испытуемого объекта, и отражающий эффектив­ность использования центробежного стенда; All — критерий, учиты­вающий неоднородность центробежного силового поля перегрузки в различных точках испытуемого объекта.

Четвертый критерий позволяет дать характеристику относительным отклонениям перегрузок 5 в крайних точках объекта (если заданная перегрузка воспроизводится в центре масс):

Согласно it-теореме можно представить зависимость между перечисленными критериями подобия:

Эта функция в общем виде есть уравнение подобия центробежных стендов для статических испытаний объектов.

На рис. 2.47 приведен график зависимости N *= f (n).

Первый участок кривой ограничивается диапазоном перегрузок 15 < n < 100 и описывается уравнением

Второй участок ограничивается диапазоном I00< п < 1000. Ему соответствует равенство:

Перегрузки до 100 единиц обеспечиваются за счет увеличения габаритов стенда, а перегрузки свыше 100 — путем увеличения угловой скорости планшайбы.

Параметры, находящиеся на линии, представленной на графике, считаются оптимальными, что позволяет сделать предварительную оценку в03можностей центробежных стендов. Обычно критерий Mlm находится в пределах от 25 до 76 и составляет в среднем 57. Критерий All следует выбирать как можно меньшим, чтобы повысить точность воспроизведения перегрузок, но, с другой стороны, это приведет к увеличению N*, т.е. к нерациональному использованию вводимой мощности. Поэтому All колеблется в пределах 0,2—0,25.

Для центробежных стендов с ударным приводом используют следующую систему определяющих параметров:

1. Геометрические параметры: R — расстояние от оси вращения планшайбы до передаточного звена; / — длина плеча планшайбы.

2. Кинематические параметры движения: t — текущий момент времени; OCy — деформация элемента; W0 — начальная угловая скорость ротора; w —- текущее значение ускорения; P — усилие удара.

3. Динамический параметр движения — момент инерции системы «ротор—планшайба» /.

4. Физическая постоянная — плотность деформируемого элемента р. Используя метод нулевых размерностей, получаем следующие

критерии подобия:

Для подобия двух систем достаточно равенства соответствующих критериев, т.е., имея данные об одном модельном испытании на центробежном стенде, можно рассчитать параметры центробежного стенда для натурных условий испытаний.

Результат воздействия различных нагрузок, действующих на ЛА одновременно, является значительно большим, чем результат от суммы воздействия тех же нагрузок, приложенных к ЛА поочередйо. Однако одновременное воспроизведение в процессе испытаний многих нагрузок вызывает часто непреодолимые технические трудности, и практически приходится принимать компромиссные решения.

Общее число сочетаний различных видов нагрузок

где n — общее число возможных нагрузок; m — количество нагрузок, которые можно воспроизвести одновременно.

и рассмотреть все возможные случаи сочетаний практически невозможно.

Для воспроизведения одновременного воздействия центробежных и вибрационных нагрузок применяется специальный комбинированный стенд (рис. 2.48).

Он состоит из центрифуги, приводимой в действие электродвигателем через червячный редуктор; электродинамического вибратора, закрепленного на центральном столе центрифуги, и поворотного устройства, установленного на столе вибратора и приводимого в действие электродвигателем через трехступенчатый цилиндрический редуктор. Для устранения передачи вибрации на цилиндрический редуктор в электродвигатель поворотного устройства на валу, соединяющем редуктор, установленный на противовесе, с поворотным устройством, служат две шарнирные муфты.

После включения центрифуги с пульта управление и выхода ее на заданную частоту вращения (в зависимости от нагрузки) запускают вибратор и поворотное устройство. Характер комбинированного воздействия я» объект испытания указан я» рис. 2.49. Объект испытаний устанавливается на поворот ном устройстве так, что о» вращения проходит через центр объекта, чтобы при работе объекта все его точки нагружались одинаково (хотя и периодически) осевыми инерционными нагрузками.



Сейчас читают про: