2. СТЕНДЫ С ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ВИБРАЦИИ

Применение стендов с электродинамическим возбуждением (см. гл. XVI) обосновано в первую очередь в тех случаях, когда при вибрационных испытаниях требуются

1) большие амплитуды вынуждающей силы;

2) широкий частотный диапазон испытаний;

3) слабые магнитные поля в зоне испытаний;

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

5) малый коэффициент нелинейных искажений;

6) строгая направленность создаваемой вибрации;

7) возможность изменения направления вибрации.

Большое разнообразие задач, решаемых с помощью вибрационных стендов этого типа, и противоречивость отдельных требований не позволяют создать универсальную конструкцию. Рассмотрим пути решения некоторых задач в современных стендах.

Увеличение амплитуды вынуждающей силы, создаваемой стендом, — одна из важных задач при разработке новых конструкций [7]. Для этого используются различные пути.

Увеличение магнитной индукции в рабочем зазоре магнитопровода. Схема на рис. 1, д (см. гл. XVI) обеспечивает наименьшие потери от рассеяния магнитного потока. Материал магнитопровода должен обладать высокой индукцией насыщения и большой магнитной проницаемостью. Магнитолровод мощных вибростендов изготовляют из магнитномягких электротехнических сталей. В вибростендах малой мощности используют постоянные магниты из магнитнотвердых сплавов. Рациональная

конфигурация магнитопровода, правильное расположение подвижной обмотки в рабочем зазоре магнитопровода, малый зазор и постоянство магнитного потока также уменьшают потери в системе магнитопровода и снижают мощность питающего усилителя. В отдельных конструкциях применяют шихтованный магпитопровод.

Для уменьшения индуктивности подвижной обмотки и потерь в стали используют также медные экраны. Экраны представляют собой короткозамкнутые витки; их устанавливают в рабочем зазоре магнитопровода. Некоторое увеличение рабочего зазора компенсируется значительным уменьшением потерь. Для отвода тепла от наиболее напряженных в тепловом отношении частей магнитопровода предусматривают принудительное охлаждение. Охлаждение может быть воздушным и жидкостным (минеральным маслом, дистиллированной водой). Для мощных вибростендов используют жидкостное охлаждение. Проектируют системы с орошением частей магнитопровода жидкостью или замкнутые системы с каналами вблизи рабочего зазора магнитопровода. Для получения заданной индукции в зазоре плотность тока в обмотке возбуждения может значительно превышать значения, допустимые для естественного охлаждения. Для охлаждения обмотки возбуждения применяют также воздух или жидкости. Существует конструкция стенда с охлаждением жидким азотом.

Использование обмоток возбуждения, работающих в режиме сверхпроводимости, позволяет значительно увеличить индукцию в рабочем зазоре, однако конструкция стенда при этом становится весьма сложной. Для уменьшения потерь рабочий зазор выполняют возможно меньшей ширины. Препятствием для уменьшения ширины зазора является малая толщина подвижной катушки, которая становится недостаточно жесткой и прочной. Применение бескаркасной подвижной катушки (т. е. лишенной жесткого каркаса, на который обычно наматываются витки) позволяет значительно сузить рабочий зазор и сохранить значительную жесткость.

Увеличение плотности тока в подвижной обмотке. Так как увеличение длины проводника подвижной обмотки приводит к нежелательному изменению ширины рабочего зазора или его размера в осевом направлении, то для получения больших амплитуд вынуждающей силы через подвижную обмотку пропускаются большие токи. Во многих вибростендах применяют принудительное охлаждение подвижной обмотки — воздушное и жидкостное. В мощных вибростендах чаще используют жидкостное охлаждение. Жидкость подается в рабочий зазор или пропускается сквозь витки подвижной обмотки, представляющие собой трубки круглого или квадратного сечения.

Возможность проведения испытаний в широком диапазоне частот является одним из основных требований при проектировании вибростендов. Она обеспечивается конструкцией вибростенда и возможностями его системы управления и контроля.

Нижний частотный диапазон испытаний обычно ограничивается частотой, определяемой жесткостью подвески и массами подвижной системы и объекта. Для понижения этой частоты может быть использована магнитная подвеска, состоящая из дополнительных катушек, которые помещены в магнитном поле рабочего зазора. Однако при этом понижается верхний диапазон частот, так как необходима установка направляющих для центрирования подвижной системы.

Верхний частотный диапазон испытаний во многом зависит от первой собственной частоты продольных колебаний подвижной системы. Она определяется величинами и распределением масс подвижной системы и ее жесткостью в продольном направлении.

Рассмотрение схем, представленных на рис. 1 в гл. XVI, показывает, что по этому признаку наилучшей является схема по рис. 1, а (гл. XVI). При укреплении подвижной системы на двух рядах подвесок, значительно разнесенных по оси стенда, обеспечивается также достаточно строгая направленность вибрации. Испытания могут проводиться и при более высоких частотах, с применением системы автоматического управления параметрами вибрации. Однако из-за наличия резонансных явлений при этом неизбежны провалы в амплитудно-частотной характеристике, которые не могут быть полностью выравнены при заданной мощности усилителя. Строгая направленность вибрации определяется конструкцией подвески вибростенда. Наиболее распространенными являются подвески в виде мембран и плоских пружин. Возможность изменения направления вибрации достигается с помощью

механических или электрических поворотных устройств. В комплекс аппаратуры, определяющей работу стенда, входят все или часть следующих устройств: 1) задающий генератор электрических колебаний; 2) усилитель мощности; 3) согласующий трансформатор; 4) автоматический регулятор уровня (АРУ); 5) система узкополосных фильтров; 6) вибродатчики; 7) виброизмерительная аппаратура; 8) магнитофон; 9) анализирующая и регистрирующая аппаратура.

В зависимости от типа применяемого оборудования и схемы его использования возможно воспроизведение гармонической, случайной вибрации или вибрации по заданной программе, а также автоматическое управление изменением частоты, ускорения, скорости или перемещения [2, 9, 10, 11].

На рис. 1 изображена одна из типичных схем вибрационных испытательных установок с применением электродинамического вибростенда. Установка предназначена для испытаний изделий на гармоническую вибрацию. При этом в состав задающего генератора 1 входят блок качания частоты и автоматический регулятор уровня амплитуды ускорения или перемещения. Метод качающейся частоты широко применяют для испытаний изделий на виброустойчивость, а также для определения резонансных частот изделий.

Рис. 1. Структурная схема электродинамической вибрационной установки

Часто испытания на воздействие вибрации производят при постоянной амплитуде перемещения на низких частотах и при постоянной амплитуде ускорения на высоких частотах. Время цикла качания и закон изменения частоты определяются в каждом случае по результатам предварительных данных. Автоматический регулятор уровня вибрации изменяет выходное напряжение генератора, а следовательно, и мощность на выходе усилителя мощности 2, подводимую к подвижной обмотке электродинамического вибровозбудителя 3. Таким образом осуществляется компенсация неравномерности амплитудно-частотной характеристики и поддерживается необходимый уровень вибрации в месте установки датчика 4. С виброизмерительного прибора 5 через преобразователь сигнал подается в систему задающего генератора, и этим осуществляется обратная связь по перемещению, скорости и ускорению.

При испытании на полигармоническую вибрацию в схему включают несколько параллельно соединенных генераторов звуковых частот, число которых равно числу заданных гармоник, а также суммирующее устройство.

Для испытаний на широкополосную случайную вибрацию в качестве сигнала возбуждения задающего устройства используют широкополосный случайный сигнал. Контрольными элементами являются либо многочисленные узкополосные фильтры фиксированной частоты, либо настраиваемые фильтры. Последние устанавливают так, чтобы выровнять амплитудно-частотную характеристику вибростенда, определяемую динамическими свойствами подвижной системы вместе с изделием и элементами крепления.

Для настройки узкополосных фильтров применяют автоматические системы. С помощью этих фильтров регулируется мощность в каждой полосе частот. На фильтры подается выходной сигнал с датчика, и в случае отклонений от заранее определенного уровня вырабатывается соответствующий сигнал, который подается на усилитель мощности вибростенда. Испытания на широкополосную вибрацию в ряде случаев могут быть заменены вибрационными испытаниями с разверткой узкополосной случайной вибрации. Этот метод основан на принципе замены широкополосного случайного возбуждения с низким уровнем спектральной плотности ускорений более интенсивным узкополосным возбуждением при медленной перестройке одного полосового фильтра по частоте. Этот метод позволяет использовать задающую аппаратуру значительно более простой конструкции, сокращает время на подготовку испытаний и обеспечивает быстрый выход на рабочий режим. Для сложных и ответственных устройств автоматики дополнительно можно проводить испытания на имитацию натурной вибрации. При испытаниях предварительно выполняют корректировку

амплитудно-частотной характеристики вибростенда. Затем с магнитофона воспроизводится запись натурной вибрации в реальном масштабе и проверяется работоспособность испытуемого изделия.

Рис. 2. Схемы вибрационного стенда с электродинамическим возбуждением вибрации

На рис. 2 представлена типичная конструктивная схема электродинамического вибростенда без системы управления. Стенд предназначен для работы в диапазоне 5—5000 Гц и создает амплитуду гармонической вынуждающей силы до Вибрационный стенд выполнен по схеме, представленной на рис. 1, а гл. XVI. Электромагнит состоит из магнитопровода 1 и обмотки возбуждения 2. Обмотка возбуждения выполнена с принудительным водяным охлаждением. Для уменьшения потерь в рабочем зазоре магнитопровода установлены медные экраны 9, нанесенные электролитическим путем. Рабочий зазор и подвижная обмотка охлаждаются водой. Подвижная обмотка 3 выполнена без каркаса для уменьшения ширины рабочего зазора. Витки обмотки имеют прямоугольное сечение. Они склеены и присоединены к несущей части подвижной системы специальными разъемными болтами. Несущая часть подвижной системы 4 изготовлена из магниевого сплава и представляет собой коническую оболочку с ребрами. Верхняя часть является столом стенда. Изделие крепится к столу стенда через специальные резьбовые втулки 6 из немагнитной стали. Подвижная система представляет собой весьма жесткую конструкцию, обеспечивающую проведение испытаний в широком диапазоне частот. Упругие элементы (подвеска) состоят из двух текстолитовых мембран 7 с пазами, расположенными по окружностям различного радиуса. Для компенсации прогиба от силы тяжести при испытаниях изделий различной массы применены пневмокамеры 8. При повышении давления в пневмокамерах общая жесткость подвески увеличивается. Пневмокамеры также увеличивают демпфирование колебаний нижней мембраны, что имеет значение при испытаниях на низких частотах.

Для уменьшения поля рассеяния вблизи стола предусмотрена компенсационная катушка 5, параметры которой подобраны с учетом значений магнитных полей рассеяния в зоне стола. Для изменения направления вибрации имеется поворотное устройство с механическим приводом 10 и станиной 11 для крепления стенда к неподвижному основанию.