Основные методы вибрационных испытаний

Для испытаний изделий на виброустойчивость и вибропрочность используются различные методы, которые с разной степенью точности воспроизводят реальные условия вибрационного нагружения [2]. Выбор метода зависит от многих факторов: точности информации о вибрационных нагрузках, возможностей испытательного оборудования, техническими требованиями к изделию и т.д. Далее рассмотрены основные методы виброиспытаний, изложенные в межгосударственном стандарте ГОСТ 30630.1.2-99.

Воздействие синусоидальной вибрации методом качающейся частоты.

Испытания проводят путем плавного изменения частоты в заданном диапазоне от низшей частоты к высшей частоте и обратно.

Для изделий с линейными резонансными характеристиками испытания проводятся путем изменения частоты в одном направлении. Частота обычно отсчитывается по логарифмической шкале. Стандартная скорость изменения частоты (скорость прокачки) составляет 1-2 октавы/мин. При необходимости допускается устанавливать скорость прокачки менее 1 октавы/мин.

Испытания проводят в диапазоне частот, установленном в тех­нических требованиях. Значение низшей частоты принимается рав­ным 10 Гц. В технически обоснованных случаях эта частота может быть менее 10 Гц. В частности, при наличии в изделии низшей резонансной частоты значение которой находится в диапазоне свыше 10 до 20 Гц значение низшей частоты диапазона устанавливают 5 Гц.

Амплитуду виброперемещений А выбирают в зависимости от частоты из ряда: А = 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0 мм. Частота перехода f_п между амплитудами определяется по формуле

f_п = (25А_j/A)^0,5 Гц, (5.2)

где А_j - амплитуда виброускорения, м/с²; А, мм.

При этом амплитуда перемещения А выбирается в соответствии с зависимостями между амплитудами перемещения и ускорения установленными в технических условиях на изделие. При отсутствии таких зависимостей - по табл. 1 и 3 ГОСТ 30630.1.2-99 во всем диапазоне частот, заданным требованиями к изделию. Продолжительность действия вибрации, в зависимости от вида испытаний, определяется в соответствии с требованиями к изделию и ГОСТ 30630.1.2-99.

В рамках этого метода испытания на виброустойчивость допускается совмещать с испытаниями на вибропрочность, проводя их в начале и (или) в конце испытаний на вибропрочность. При этом скорость изменения частоты не должна превышать 1 октавы/мин.

Воздействие широкополосной случайной вибрации (ШСВ).

Этот метод, по сравнению с остальными, позволяет наиболее точно воспроизводить реальные вибрационные воздействия, которые, как правило, являются случайными, с частотным спектром, распределенным в некотором диапазоне. Реальные случайные процессы описываются в рамках корреляционной теории (учитываются два первых момента) и считаются нормальными.

Параметрами ШСВ являются спектральная плотность (энергетический спектр) ускорения G(f) и (или) среднеквадратичёское значение ускорения, а также диапазон частот ∆f, в котором задана спектральная плотность. Они должны соответствовать требованиям стандартов и ТУ на изделия. Эквивалентность воспроизводимых и реальных процессов определяется степенью близости их спектральных плотностей.

Вибрационное воздействие задается в виде графика спектральной плотности ускорений, который получается путем замены реальной непрерывной функции G(f)ступенчатой функцией, имеющей равные с реальной функцией дисперсии D_j, в полосах частот (рис. 5.1).

Рис. 5.1 График спектральной плотности ускорений (замена реальной непрерывной функции G(f)ступенчатой функцией D_j)

При испытаниях по этому методу одновременно возбуждаются все резонансы изделия в диапазоне частот ∆f.

Моделирование вибрационного воздействия возможно также путем воспроизведения реализаций реальной вибрации с обоснованием статистической достоверности (репрезентативности используемых реализаций). Обычно достоверность обеспечивается многократным воспроизведением реализаций в случайной последовательности с магнитного носителя.

Параметры вибрационного воздействия в контрольной точке должны соответствовать параметрам, установленным стандартами и техническими условиями на изделие. При стандартной погрешности измерения испытательной аппаратуры в пределах ±3 дБ допустимые отклонения спектральной плотности и среднего квадратического значения ускорения составляют ±6 дБ и ±2 дБ соответственно.

Продолжительность испытаний на прочность при действии ШСВ Т_сп устанавливают по соотношению:

Т_сп = Т_с (16,6β/ β_кр)/ln(f_в/ f_н)

где Т_с - продолжительность испытаний аналогичного изделия методом качающейся частоты; β/ β_кр - отношение коэффициента демпфирования к его критическому значению; f_в и f_н - верхняя и нижняя частоты диапазона испытаний.

Из приведенной формулы следует, что при малом демпфировании (β/ β_кр < 0,05) использование этого метода позволяет уменьшить продолжительность испытаний.

Воздействие синусоидальной вибрации методом фиксированных частот. Этот метод является наиболее упрощенным и применяется при специальном техническом обосновании, в основном, при отсутствии оборудования, позволяющего использовать два первых, более совершенных, метода виброиспытаний. В частности, он используется при испытаниях на механических стендах, имеющих существенные ограничения по режимам вибраций. Недостатками данного метода являются:

· сложность контроля частоты, перемещений, скоростей, ускорений и их регулирования из-за неравномерности АЧХ тракта в широком диапазоне частот;

· возможность пропуска резонансов.

Для применения метода диапазон частот испытаний, соответствующий требованиям к изделию, разбивается на поддиапазоны со следующим расположением граничных частот:

· в интервале от 1 до 10 Гц - через 1 Гц;

· в интервале от 10 до 2000 Гц - через 1/3 октавы.

Если верхняя частота диапазона испытаний не совпадает с одной из граничных частот третьоктавных поддиапазонов, то ее значение округляют до ближайшей большей граничной частоты третьоктавного ряда.

Параметрами режимов испытаний являются амплитуды ускорения А_j поддиапазоны частот и время испытаний.

В диапазоне частот f < 10 Гц испытания проводятся на фиксированных частотах, равных верхней границе каждого поддиапазона. Продолжительность выдержки на каждой частоте t_в < 30 с. В диапазоне частот f > 10 Гц испытания проводятся путем плавного изменения частоты пределах одного поддиапазона при постоянной амплитуде виброперемещений А, определяемой по формуле

A=25 А_j/f²_ср (5.3)

где f_cp - средняя частота поддиапазона, Гц; А - амплитуда виброускорения, соответствующая частоте f_cp, м/с .

При испытаниях на вибропрочность, помимо плавного изменения частоты, делается выдержка на границах 1/3-октавных диапазонов. Продолжительность выдержки t_в в минутах равна

(5.4)

где Т -общая продолжительность воздействия вибрации, ч; р - число направлений воздействия; n - число частот 1/3-октавного ряда, на которых делают выдержку.

В целом продолжительность воздействия вибрации, в зависимости от вида испытаний, заданной степени жесткости, наличия и расположения резонансных частот, определяется в соответствии с техническими требованиями к изделию и ГОСТ 30630.1.2-99.

5.4 Средства задания и воспроизведения вибрации при испытаниях

Для реализации изложенных в предыдущем разделе методов виброиспытаний используется виброиспытательный комплекс (ВИК), который позволяет воспроизводить гармоническую, полигармоническую, узкополосную и широкополосную случайную вибрацию с заданными характеристиками, а также вибрацию, модулированную импульсами различной формы [3].

Структурная схема ВИК показана на рис.5.2. В состав комплекса входят генераторы испытательных сигналов (ГИС), средства возбуждения механических колебаний (СВК), виброизмерительные средства (ВИС), средств анализа и обработки информации (САИ), средства индикации (СИ), системы управления (СУ) и средства ка­либровки (СК). ВИК должен обеспечивать:

• требуемую точность измерения динамических характеристик изделия и близость создаваемых вибрационных нагрузок к реальным вибрациям;

• выявление резонансных эффектов;

• воспроизведение переходных вибрационных процессов, связанных с разгоном и торможением, включением и выключением, ударами;

• проведение ускоренных испытаний;

• калибровку и проверку средств измерений.

•

Рис. 5.2. Структурная схема виброиспытательного комплекса.

Генераторы испытательных сигналов предназначены для получения заданных форм вибрации, имеют каналы обратной связи и автоматической регулировки усиления (АРУ). Принято различать генераторы синусоидальной вибрации и генераторы случайной вибрации (широкополосной или узкополосной). Генераторы синусоидальной вибрации построены на принципе смешения сигналов от двух измерительных генераторов: с фиксированной частотой (~ 30 кГц) и с частотой, изменяющейся в диапазоне (30-35) кГц. Этот принцип позволяет получать большое перекрытие частотного диапазона. Управление уровнем вибрации обеспечивается блоком АРУ включаемым между генератором с фиксированной частотой и смесителем сигналов и управляемым внешним сигналом по цепи обратной связи. Автоматическое изменение (качание или развертка) частоты генератора производится:

• механическим приводом;

• встроенным потенциометром с двигателем, на который подается переменное напряжение от внешнего источника;

• сигналом от дополнительного генератора.

Скорость изменения частоты может регулироваться в широких пределах. Частота изменяется по линейному или логарифмическому закону. Для задания иного закона изменения частоты используются программные устройства.

Генераторы широкополосной случайной вибрации (ГШСВ) содержат источник нормального шума с равномерным энергетическим спектром («белого шума») и формирующие фильтры с детерминированными параметрами.

Схема формирования спектральной плотности вибрационного воздействия показана на рис.5.3. Сигнал от генератора широкополосного случайного сигнала (генератора шума ГШ) (1) с равномерной в рабочем диапазоне частот ω спектральной плотностью G_вх(ω) пропускается через набор узкополосных формирующих фильтров (2), которые вместе с регулируемыми усилителями (3) формируют составляющие заданной спектральной плотности G(ω) в своей полосе частот. Сигнал со спектральной плотностью G_вх(ω) получается на выходе устройства суммирования (∑):

G_вх(ω) = G_вх(ω)*K²(ω), где K(ω) - АЧХ набора формирующих фильтров.

Рис.5.3 Схема формирования спектральной плотности вибрационного воздействия.

Универсальные ГШСВ содержат в основном линейные формирующие фильтры.

Наличие корреляции между каналами приводит к искажению спектра выходного сигнала. Для полного устранения взаимной корреляции сигналов в каналах в каждый канал включается отдельный генератор шума. Однако это приводит к ограничению точности воспроизведения спектра, ввиду уменьшения количества спектральных полос. Более распространенным способом уменьшения влияния корреляции является использование различных схем коррекции фильтров.

Средства возбуждения колебаний (СВК), входящие в ВИК, содержат:

• опорную плиту (стол, платформу);

• механизм возбуждения переменных сил или перемещений;

• систему управления режимами испытаний;

• устройства компенсации статических нагрузок.

Все перечисленные устройства вместе принято называть вибровозбудтелем или вибростендом.

По характеру движения стола принято различать:

• вибростенды с неизменным положением плиты (вертикальным, горизонтальным) или с изменяемым положением (поворотные);

• вибростенды, у которых движение плиты направлено к поверхности плиты нормально, параллельно или под углом;

• одно- и многокомпонентные вибростенды.

По принципу возбуждения колебаний вибростенды можно разделить на электродинамические, электрогидравлические, пневматические, механические (центробежные), электромагнитные. В настоящее время наибольшее распространение получили первые два вида вибростендов. Они позволяют реализовывать любой из стандартных методов вибрационных испытаний, в том числе случайную вибрацию и виброудар.

Магнитная система электродинамического вибростенда (рис.5.4) содержит электромагнит 1 с катушкой подмагничивания 5. В кольцевом зазоре электромагнита находится подвижная катушка 2 с протекающим током. Корпус катушки 3 соединен с платформой, которая передает движение катушки на объект испытаний. Упругие элементы 4 необходимы для обеспечения симметричного положения подвижной катушки в зазоре электромагнита.

Рис. 5.4. Магнитная система электродинамического вибростенда

Взаимодействие постоянного поля электромагнита и переменного поля катушки дает магнитодвижущую силу, пропорциональную магнитной индукции в зазоре электромагнита; длине проводника и силе тока в катушке. Характер изменения силы соответствует характеру изменения тока в катушке.

При закреплении объекта на столе вибростенда используются дополнительные устройства для компенсации влияния силы тяжести.

Характерный диапазон рабочих частот электродинамических вибростендов (5-3000) Гц, а выталкивающая сила может достигать 5-10⁴ кгс.

Недостатками этих вибростендов являются ограничения по выталкивающей силе и перемещениям на низких частотах (до 30 - 50 Гц) и сложность многокомпонентного возбуждения.

В гидравлических вибростендах колебания стола создаются пульсациями рабочей жидкости, что позволяет проводить испытания. На низких частотах (практически от 0 Гц). В современных гидравлических вибростендах наиболее часто используются роторные гидропульсаторы, которые питаются от насосных установок с электродроссельными преобразователями и имеют замкнутый рабочий объем. Это позволяет создавать большую выталкивающую силу (до 10⁵ кгс) и несколько расширить рабочий диапазон частот (до 250-300 Гц).

Преимуществами гидравлических стендов является гибкость управления и отсутствие массивных узлов, что позволяет точно воспроизводить заданную амплитуду и частоту колебаний, и относительно просто реализовать многокомпонентное возбуждение вибрации. На рис.5.5 представлена кинематическая схема шестикомпонентного вибростенда, в котором каждый из гидравлических цилиндров имеет автономное возбуждение. Управление режимами колебаний производится программно с помощью управляющей ЭВМ. Основной недостаток гидравлических стендов - относительно небольшой рабочий диапазон частот, поскольку на высоких частотах увеличивается влияние инерционности деталей гидропульсатора и колебания не являются гармоническими. Недостатками являются также нагрев рабочей жидкости и ее утечка через уплотнения и зазоры между цилиндром и поршнем.

Для возбуждения гармонических колебаний по одному направлению могут быть использованы механические (центробежные) вибростенды, в которых вибрация создается центробежными силами при вращении неуравновешенных масс.

Рис.5.5 Кинематическая схема шестикомпонентного вибростенда.

Преимуществами этих стендов являются простота конструкции, относительно невысокая стоимость, большое отношение амплитуды выталкивающей силы к массе стенда (более 100 кгс/кг), широкий рабочий диапазон частот (~ 0,01-1000 Гц), простота регулирования частоты вибрации, низкая чувствительность к изменению внешних условий, устойчивость работы при больших уровнях демпфирования колебаний. Помимо этого, можно достаточно просто согласовать совместную работу нескольких центробежных вибровозбудителей, поскольку они не являются колебательными системами, т.е. не имеют резонансов.

Недостатки центробежных вибростендов - сравнительно небольшой ресурс, сложность независимого регулирования частоты и амплитуды выталкивающей силы, сравнительно большая продолжительность переходных режимов.

Непосредственная установка изделия на стол или платформу вибростенда возможна при сравнительно небольшой массе изделия и строго вертикальном направлении выталкивающей силы. Эти ограничения устраняет вывешивание изделия, которое компенсирует действие силы веса на платформу стенда и позволяет изменять направление силы путем поворота оси вибровозбудителя. Для крепления подвески используется потолок лаборатории или специальный стапель. Вывешивание производится на тросах, резиновых или пневматических амортизаторах. Для подвески предпочтительно использовать элементы с большим затуханием; например, резиновые шнуры.

Недостатком использования подвески является появление перекоса, который может вызвать поломку подвижной части вибростенда.

Вопросы для самопроверки:

1. Что понимается под вибрацией?

2. Когда возникают вибрационные нагрузки?

3. Что является причиной вибрационных колебаний?

4. Каковы методы защиты от вибраций?

5. Основные цели виброиспытаний?

6. Как проводят вибрационные испытания?

7. В чем суть метода широкополосной случайной вибрацией?

8. Что понимают под виброиспытательным комплексом?

9. Что входит в состав вибростенда?

10. На какие типы по принципу возбуждения колебаний подразделяют вибростенды?