4. СТЕНДЫ С МЕХАНИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ВИБРАЦИИ

Возбуждение вибрации в стендах этого типа осуществляется от механических приводных устройств. По принципу действия различают вибрационные стенды с принудительным, кинематическим и центробежным возбуждением вибрации [3, 8]

По диапазону частот воспроизводимой вибрации стенды относятся к узкополосным. В некоторых случаях их проектируют только для испытаний на одной фиксированной частоте.

Стенды с механическим возбуждением относят к низкочастотным и особо низкочастотным (ниже 1 Гц). Стенды предназначены для воспроизведения гармонической вибрации, их также применяют при испытаниях, при которых форма изменения выходного параметра вибрации во времени (например, перемещение) не имеет существенного значения. Кроме стендов, воспроизводящих вибрацию в одном направлении (однокомпонентных), известны конструкции двухкомпонентных.

Рис. 6. Схема вибростенда с кинематическим возбуждением через упругие элементы

Стенды с кинематическим и принудительным возбуждением вибрации. В приводе используют механизмы (см. гл. XVII) кривошипно-шатунные, эксцентриковые, кулисные, кулачковые, зубчатые. Передача на механизмы привода может осуществляться непосредственно от электродвигателя и через передаточные механизмы — зубчатые редукторы, вариаторы или другие преобразователи вращательного движения.

Для стендов с принудительным приводом через жесткие звенья задаваемые параметры вибрации определяются а) частотой вращения вала электродвигателя и характеристикой передаточного механизма; б) амплитудой перемещения, зависящей от типа и установки механизма привода.

Амплитуду перемещения можно регулировать изменением; а) длины кривошипа и других звеньев шарнирных механизмов, б) эксцентриситета в эксцентриковом механизме; в) положения пальца в кулисном механизме и регулировкой звеньев механизма привода.

Так как стенды этого типа работают при заданных перемещениях и стол (платформа) стенда жестко связан с испытуемым изделием, масса испытуемого изделия должна быть строго ограничена. Предельные массы определяются максимальными амплитудами ускорения на столе стенда, а следовательно, и силами, возникающими при испытаниях. Допустимые ускорения определяются прочностью механизмов стенда и привода в динамических режимах.

В стендах с кинематическим виброприводом через упругие элементы (рис. 6) при гармонической вибрации силы в приводе стенда определяют в зависимости от отношения частоты вибрации и собственной частоты где с — жесткость дополнительных упругих элементов; приведенная масса частей стенда, движущихся совместно с изделием.

На рис. 7 показана зависимость амплитуды силы, действующей на привод, от отношения частот и при заданном вязком сопротивлении в системе. Таким образом, при испытаниях на режимах, при которых со силы, действующие на

привод, становятся минимальными. Одновременно ограничивается возможность проведения испытаний при частотах вследствие возрастания сил в механизме привода. На рис. 8 и 9 представлены схемы стендов с принудительным кулисным и кривошипно-шатунпым приводами. Вибрационный стенд (см. рис. 9) предназначен для проведения одновременных испытаний при горизонтальном и вертикальном направлениях вибрации (двухкомпонентный стенд). Существуют также стенды поворотного типа, обеспечивающие проведение испытаний при любом угле наклона оси стола к горизонтальной плоскости. Для регулировки амплитуды перемещения широко применяют двойной эксцентриковый механизм.

Рис. 7. Силы, действующие на привод стенда с кинематическим возбуждением дополнительными упругими элементами

Рис. 8. Схема вибростенда с кулисным приводным механизмом

Рис. 9. Схема двухкомпонентного вибростенда с кривошипно-шатунным приводным механизмом

Недостатком рассмотренных конструкций является относительно малая точность установки амплитуды перемещения стола (порядка 0,1 мм). Комбинация эксцентриковых механизмов с рычажными механизмами, в которых регулируются длины плеч (рис. 10), позволяет значительно увеличить точность установки заданных амплитуд перемещения (до 0,03-0,05 мм). Подвижные ромбовидные опоры расположены симметрично на передаточных рычагах. При изменении длин достигаются весьма малые изменения амплитуды перемещения стола. Грубая установка амплитуды осуществляется регулировкой двойного эксцентрика.

В стендах с принудительным и кинематическим возбуждением вибрации возможно создание чисто гармонических колебаний (в конструкциях с равными по длине кривошипом и шатуном), а также воспроизведение бигармонических колебаний. Программное воспроизведение характера вибрации во времени в стендах этого типа является трудноосуществимым и практически не применяется.

При рассмотрении динамических свойств стендов с принудительным приводом следует прежде всего учитывать степень уравновешенности стенда (без испытуемого изделия и с изделием). Во всех случаях рекомендуется закрепление стендов на неподвижном основании. Если основание нельзя считать неподвижным, то рабочий диапазон стенда следует выбирать начиная с частот, лежащих выше резонансной зоны упругой системы стенд—основание. Конструкцию всех звеньев механизмов стенда выполняют возможно более жесткой. Верхний предел частотного диапазона испытаний во всех случаях должен располагаться ниже первой частоты свободных колебаний стенд учетом упругости звеньев.

В случае испытаний издетий, представляющих собой упругую систему, возможности влияния упругссти отдельных звеньев механизма стенда, а также упругости

основания стенда для определения перемещений и ускорений платформы стенда следует рассматривать мпогомассную упругую систему. В этом случае установка заданных перемещений и ускорений на необходимых частотах затруднена.

Для испытаний приборов на гармоническую вибрацию при весьма низких частотах (менее 1 Гц) и значительных ускорениях из-за больших амплитуд перемещения технически невозможно создать стенд с возвратно-поступательным движением стола. Для испытаний применяют стенды с вращательными движениями звеньев, называемые также двойными центрифугами [14].

Рис. 10. Схема вибростенда с двойной регулировкой амплитуды

Стенды с центробежным возбуждением вибрации. Вибрацию возбуждают одним или несколькими дебалансами (см. гл. XIV). Возникающая центробежная сила инерции является вынуждающей силой, действующей на упругую систему стенда. В испытательных вибрационных стендах центробежные вибровозбудители применяют в тех случаях, когда необходимо проводить испытания на гармоническую вибрацию в низкочастотном диапазоне. Так же как и в других сгендах с механическим возбуждением, повышение частотного диапазона свыше 50 Гц приводит к быстрому выходу из строя механизма привода, и прежде всего подшипниковых узлов. Коэффициент нелинейных искажений зависит от схемы и конструкции стенда. По мере износа движущихся частей коэффициент нелинейных искажений значительно увеличивается.

При динамических расчетах вибростендов движущуюся часть стенда обычно представляют в виде упругой системы с одной степенью свободы, на которую действует вынуждающая гармоническая сила с амплитудой, пропорциональной квадрату угловой частоты. Рабочий диапазон частот испытаний располагается в зарезонансной области (выше частоты свободных колебаний подвижной части стенда на упругих элементах), а сверху диапазон частот ограничивается кинематическими и динамическими возможностями привода. Нижняя граница частотного диапазона составляет 2—5 Гц.

Характерными режимами испытаний являются: 1) постоянный уровень перемещения в рабочем диапазоне частот; 2) постоянный уровень ускорения в рабочем диапазоне частот. В первом случае не требуется изменения статического момента массы дебаланса. Во втором случае необходимо иметь устройства, позволяющие на ходу (или с остановкой стенда) менять статический момент массы дебаланса таким образом, чтобы сохранять постоянным значение амплитуды вынуждающей силы где расстояние от оси вращения до центра тяжести дебаланса.

Рис. 11. Схема вибростендов с одновальным дебалансным вибровозбудителем

На рис. представлены схемы вибростендов с одновальным дебалансным вибровозбудителем. Упругими элементами являются витые и плоские пружины. Плоские пружины служат также для создания вертикальной направленности вибрации (рис. 11, а). В схеме, приведенной на рис. 11,б, действительное движение стола не является строго вертикальным. Неподвижные части стенда и его крепление к основанию считаются абсолютно жесткими. На схемах не показаны приводы для вращения дебалансов.

Приведенные схемы имеют существенный недостаток. Неуравновешенная горизонтальная составляющая центробежной силы действует на корпус стенда,

увеличивает возможность появления вибрации в горизонтальном направлении и способствует быстрому износу соприкасающихся частей. Схемы с одновальным вибровозбудигелем применяют для испытания изделий малой массы при легких нагрузочных режимах.

На рис. 12, а и б представлены схемы вибростендов с двухвальным дебалансным вибровозбудителем для испытаний в вертикальном (рис. 12, а) и горизонтальном (рис. 12, б) направлениях. Вращение дебалансов производится в противоположных направлениях и одинаковых фазах относительно горизонтальной или вертикальной оси стенда. Благодаря этому составляющие центробежных сил инерции, действующие в заданном направлении, суммируются, а составляющие инерционных сил в перпендикулярном направлении уравновешиваются. Такие схемы наиболее распространены и при удачной конструкции направляющих частей обеспечивают достаточно хорошее воспроизведение гармонической вибрации.

Рис. 12. Схемы вибростеидов с двухвальным дебалансным вибровозбудителем