2. СПОСОБЫ ИСПЫТАНИЙ УДАРОМ

Испытания неуправляемым ударным воздействием появились раньше других и широко применяются в настоящее время. Для испытаний по этому способу используют специальные удароиспытательные машины (рис. 2) — механические (копровые, маятниковые), пневматические или гидравлические. Испытание на копровой машине (рис. 2, а) производится сбрасыванием рамы 2 с изделием 3 с определенной высоты. В маятниковой машине (рис. 2, б) удар тяжелого маятника 1 передается скользящему столу 2, на котором закреплено изделие 3. Ударное движение гасится резиновым упором 4 и демпфером 5. Для испытаний на пневматической машине (рис. 2, в) в нижнюю полость рабочего цилиндра 1 подается сжатый воздух, который с помощью поршня 2 поднимает вверх стол 3 с укрепленным на нем изделием 4. После этого включается тормоз 5, и давление подается в верхнюю полость цилиндра 1. Испытание начинается с выключения тормоза 5, вследствие чего стол с изделием из-за избыточного давления в верхней полости цилиндра 1 быстро падает вниз до демпфирующего упора 6.

Общей принципиальной особенностью всех испытательных установок такого типа является наличие источника энергии небольшой мощности и аккумулирующего устройства. В подготовительной фазе испытаний энергия, получаемая от внешнего источника, накапливается в аккумулирующем устройстве, а затем в виде мощного, но короткого импульса передается испытуемому изделию. При таком способе испытаний сравнительно грубо имитируются реальные удары. Ударное кинематическое воздействие, как правило, имеет сложную колебательную форму (рис. 2, г) и в процессе испытаний не управляется. Испытатель может более или менее точно регулировать пиковое значение А ударного ускорения; возможности влияния на форму ударного импульса (выбором конструкции и материала демпферов) ограничены. Воспроизводимость результатов при таком способе испытаний существенно зависит от механических характеристик испытуемых изделий, степени износа демпфирующих поверхностей и т. п. Этот способ испытаний может дать удовлетворительную

воспроизводимость результатов при испытании серии однотипных изделий на одиой и той же испытательной установке.

Испытания управляемым ударным воздействием. В качестве снловозбудителей используют универсальные электрогидравлические (ЭГВ) или электродинамические (ЭДВ) вибростенды, оснащенные специальными системами автоматического управления. С помощью этой аппаратуры энергия отбирается от внешнего источника и передается испытуемому изделию непосредственно в момент испытания без промежуточной аккумуляции. Поэтому универсальные силовозбудителн требуют мощных источников внешней энергии (насосные станции электрическая сеть). Благодаря применению автоматического управления они позволяют обеспечить высокую воспроизводимость ударных воздействий независимо от механических характеристик испытуемых изделий, и конструкции используемого испытательного оборудования.

Рис. 2. Типичные схемы удароиспытательных машин: а — копровая машина; 1 — подъемный механизм; 2 — скользящая рама; 3 — испытуемое изделие; 4 — ударные демпфирующие поверхности; б - маятниковая машина: 1 — маятник; 2 — скользящий стол; 3 — испытуемое изделие; 4 — резиновый упор; 5 — демпфер; в — пневматическая машина: 1 — рабочий цилиндр; 2 — поршень; 3 — стол, 4 — испытуемое нзделне; 5 — тормоз; 6 — демпфер; г — график ускорения испытуемого изделия

В настоящее время нет единой общепринятой физической величины (параметра, функции), которая полностью характеризовала бы удар и его разрушительное действие. Для практики разработаны три способа задания (стандартизации) ударных воздействий (табл. 1).

1. Способы испытаний ударом

(см. скан)

Стандартизация формы ударного ускорения существенно облегчает обеспечение воспроизводимости испытательных воздействий и результатов испытаний, хотя и приводит к сравнительно грубому моделированию множества реальных ударов

одной или несколькими формами эталонных импульсов. Образец такого стандарта разработан Международной электротехнической комиссией и принят в настоящее время многими организациями и фирмами, проводящими испытания ударом (рис. 3). Важными преимуществами такой формы задания (стандартизации) испытательного кинематического воздействия являются простота, универсальность и сравнительная легкость обеспечения высокой воспроизводимости результатов.

Рис. 3. Формы эталонных ударных воздействий, рекомендованные а — треугольное; полусинусоидальное, в — трапецеидальное (А — пнковое значение номинального испытательного импульса; рекомендуемое минимальное время, в течение которого следует осуществлять контроль за точностью воспроизведения испытательного импульса)

Рис. 4. К понятию ударного спектра: а — система с одной степенью свободы; реакция на короткий импульс реакция на импульс длительностью «а

Недостаток в том, что реакция на удар, которая при одних и тех же внешних воздействиях изделии с разными механическими характеристиками может быть существенно различной не имитируется и не контролируется.

Ударные спектры. Рассмотрим простейшую модель испытуемого изделия в виде системы с одной степенью свободы (рис. 4). Реакция этой системы, т. е. ускорение массы при ударном кинематическом воздействии со стороны основания импульсом ускорения может иметь различную форму в зависимости от характера удара (рис. 4). В частности, при сложном ударе (рис. 4, в) она может быть в 2 раза выше пикового ускорения А. Однако при одном и том же импульсе характер удара зависит от периода или частоты собственных колебаний системы.

Ударный спектр есть зависимость максимального значения реакции указанной системы от ее собственной частоты без учета демпфирования. В зависимости от интервала времени, в котором наблюдается реакция системы различают три типа ударных спектров: начальный остаточный и полный Они определяются следующим образом:

Реакция реальной системы (здесь атях) тем ближе к одному из эталонных спект ров, чем точнее свойства системы описываются принятой моделью, т. е. чем меньше демпфирование на частоте основного резонанса. Ввиду неизбежных расхождений (влияние демпфирования и соседних резонансов) этот способ задания испытательного воздействия не позволяет точно имитировать реакцию реального объекта на заданный ударный импульс.

Рис. 5. Ударные спектры {начальный и остаточный) прямоугольного (а), пилообразного (б) и лолусинусоидального (в) импульсов

Для задания эталонных ударных спектров задаются формами эталонных импульсов Ими могут быть, например, эталонные импульсы, рекомендованные (см. рис. 3). Формы этих импульсов выбирают так, чтобы порождаемые ими полные ударные спектры в незначительной степени зависели от собственной частоты т. е. были достаточно плоскими. Затем рассчитывают реакцию простейшей линейной консервативной системы на выбранное ударное воздействие при различных значениях По полученным реакциям и формулам (3) строят ударные спектры. Примеры начального и остаточного ударных спектров, построенных таким образом, приведены на рис. 5. Полный ударный спектр можно определить по приведенным графикам как их верхнюю огибающую в соответствии с формулой

Исходя из физической природы ударных спектров, допуски на точность их воспроизведения должны соответствовать допускам на пиковые значения эталонных импульсов, что по нормам, рекомендованным (рис. 3), составляет

Один и тот же спектр может порождаться множеством разных импульсов Поэтому для имитации ударного движения, заданного ударным спектром, можно не воспроизводить на столе испытательной установки эталонный импульс, для которого данный ударный спектр рассчитан. Это обстоятельство позволяет упростить способы аппаратурной реализации испытаний ударом. Важным преимуществом такой формы задания испытательного воздействия является сравнительно хорошая воспроизводимость максимальных перенапряжений в элементах конструкции испытуемого

изделия. Однако, поскольку формы импульса и реакции при этом не фиксируются и в разных испытаниях (при одном и том же ударном спектре) могут быть различными, повреждения усталостного характера, вызванные накоплением циклов перенапряжений, в разных испытаниях могут существенно различаться.

Использование записи реальных ударных процессов. Для задания испытательного воздействия используют записи реальных ударных процессов, полученные с помощью специальной записывающей аппаратуры в условиях нормальной эксплуатации. Обычно эти процессы соответствуют сложному удару, т. е. содержат последовательность импульсов и наложенные колебания (см. рис. 1, в, г и 2, г). Применение такой формы задания испытательного воздействия эффективно в том ограниченном числе случаев, когда условия эксплуатации изделия и источники преобладающих ударных воздействий хорошо известны. Эти воздействия однотипны, так что сбор информации о них не представляет серьезных трудностей. Типичными примерами могут служить элементы или узлы кузнечно-прессовых установок, а также другое оборудование, которое по условиям эксплуатации приходится располагать в непосредственной близости от подобных установок. В этих случаях задача испытаний сводится к получению записей реальных ударов и последующему их воспроизведению на испытательных установках.

2. Типичные ударные воздействия и их спектры

(см. скан)

Амплитудные спектры ударных воздействий. Важной дополнительной характеристикой импульса ускорения является его амплитудный спектр, т. е. модуль изображения функции по Фурье. Примеры амплитудных спектров типичных испытательных импульсов при простом и сложном ударе приведены в табл. 2 и на рис Ь и Спектральная плотность на нулевой частоте (табл. 2) не зависит от формы импульса и равна его площади, т. е. импульсу ударного ускорения, численно равному приращению скорости изделия в результате удара:

Амплитудный спектр сложного колебательного удара (рис. 7, б) существенно отличается от спектра ударного импульса конечной длительности, В частности, он

стремится к нулю на нулевой частоте и имеет максимум на частоте, приблизительно совпадающий с преобладающей частотой затухающих колебаний. Этот максимум тем выше, чем меньше демпфирование. Амплитудные спектры позволяют правильно выбрать структуру и характеристики (в частности, полосу пропускания) виброиспытательного комплекса.

Рис. 6. Амплитудные спектры прямоугольного (а), пилообразного (б) и полусинусондального (в) импульсов (см. табл. 2)

Рис. 7. Сложный колебательный удар (а) и его амплитудный спектр (б) (табл. 2)

Воспроизведение ударного испытательного воздействия с заданным остаточным ударным спектром может быть сведено к известной задаче воспроизведения амплитудного спектра Фурье благодаря соотношению

Эта задача решается при испытаниях случайной вибрацией.