3. МЕТОДИКА УДАРНОГО НАГРУЖЕНИЯ

Форма импульсов и движение системы. При ударных испытаниях необходимо учитывать характер движения объекта в результате ударного нагружения. Если удар носит колебательный характер (см. рис. 1, е) и его спектр на нулевой частоте то согласно формуле (4) суммарное приращение скорости изделия после удара Такие импульсы могут применяться при использовании записей реального Удара или эталонных ударных спектров. Когда для испытаний применяются эталонные импульсы, (табл. 2, рис. 3) и изделие, находившееся до удара в состоянии покоя, после улара приобретает некоторую остаточную скорость Если эту скорость не погасить, то стол испытательной установки с изделием будет двигаться со скоростью до упора. В результате столкновения с упором изделие подвергнется вторичному удару, который может вызвать в нем

перенапряжения, превышающие допустимый уровень. Чтобы этого не произошло, необходимо предусматривать меры для более плавного гашения остаточной скорости

Гашение остаточной скорости. В специализированных удароиспытательных машинах (см. рис. 2) скорость гасят с помощью демпфирующих упоров. При воспроизведении эталонных импульсов на универсальных вибростендах для этой цели в программу испытаний вводят два дополнительных отрицательных импульса (рис. 8): разгонный 1 и тормозной 2. Эти вспомогательные импульсы имеют малую амплитуду соизмеримую с допусками на точность воспроизведения основного испытательного импульса 3 и увеличенную длительность Форму вспомогательных импульсов выбирают так, чтобы не только остаточная скорость, но и суммарное перемещение изделия обращались в нуль после испытания, общая длительность которого . Для этого должны быть справедливы соотношения:

где бдоп — допустимая погрешность воспро изведения испытательного импульса отнесенная к пиковому значению ускорения функции, описывающие разгонный и тормозной импульсы; их относительные длительности

Рис. 8. Программа испытаний прямоугольным импульсом: ускорение, скорость и перемещение испытуемого изделия

При симметричной форме импульса вспомогательные импульсы симметричны относительно того же момента времени. В этом случае экстремальные значения скоростей и перемещений (см. рис. 8) наименьшие. Если прямоугольный импульс, параметры вспомогательных импульсов и ударного движения определяют из следующих выражений:

При несимметричных импульсах равенство (7) не выполняется и (или превышают указанные значения.

Предельные режимы. Методикой ударного нагружения необходимо учитывать реальные возможности испытательной установки. Предельное усилие предельный ход подвижной системы и предельная скорость всякого вибростенда ограничены. Чтобы вибростенд не выходил на упоры и не подвергался чрезмерным перегрузкам, испытательная программа, кроме соотношений (6) — (8), должна удовлетворить неравенствам

где масса испытуемого изделия; — коэффициент нагрузки вибростенда масса подвижных частей вибростенда). Так, например, для прямоу

гольных испытательных импульсов (см. рис. 8) эти неравенства приобретают следующий вид:

Расчет испытательной программы по формулам (6) и (7) и проверка неравенств (8), (9) — громоздкая и кропотливая вычислительная работа. Эти расчеты целесообразно выполнить один раз для каждого типа эталонных испытательных импульсов и каждого вибростенда, применяемого для испытаний на удар. Результаты расчетов удобно представлять графически в виде так называемой диаграммы предельных режимов вибростенда, которая принимает простой вид, если ее строить в логарифмическом масштабе (рис. 9). Семейство горизонтальных прямых (по параметру на этой диаграмме определяет ограничения по усилию прямая с отрицательным наклоном 45° — ограничение по скорости Ктах, а семейство параллельных наклонных прямых (по параметру ограничения по ходу подвижной системы вибростенда Область допустимых режимов вибростенда определяется, если известны параметры и (на рис. 9 для эта область заштрихована). Графики построены для

Рис. 9. Диаграмма предельных режимов вибростенда при воспроизведении испытательной программы согласно рис.

Максимально возможный ход подвижной системы вибростенда существенно ограничивает предельную длительность воспроизводимых ударных импульсов (рис. 9). Поэтому ЭДВ, которые имеют небольшой ход пригодны для воспроизведения коротких импульсов с длительностью порядка нескольких миллисекунд. ЭДВ, специально предназначенные для ударных испытаний, имеют ход 10 см и более и оснащены усилителями мощности с бестрансформаторным выходом, пропускающими постоянную составляющую. Для воспроизведения более длинных ударных импульсов (десятки миллисекунд) применяют которых ход подвижной системы достигает десятков сантиметров.

3. Способы автоматизации испытаний ударом

(см. скан)

Воспроизведение управляемых испытательных воздействий на универсальных вибростендах. Эффективное воспроизведение испытательных воздействий на универсальных силовозбудителях невозможно без их автоматизации. Поэтому рассмотрение способов такого воспроизведения сводится по существу к рассмотрению способов построения (структур) соответствующих систем автоматического управления Существуют две принципиально различные группы таких способов, предназначенных соответственно для воспроизведения собственно испытательных воздействий (эталонных или реальных) и заданных ударных спектров (табл. 3).

Корректирующие обратные связи. Воспроизведение заданных испытательных воздействий с точки зрения автоматического регулирования представляет собой типичную задачу программного управления. Всякая автоматическая система программного управления состоит из некоторой базовой следящей системы и дополнительных корректирующих цепей (контуров), повышающих точность отработки заданной программы.

Рис. 10. Структурная схема следящей системы с усилитель мощности; 2 — электрогидравлнческий возбудитель; 3 — датчик перемещения

Рис. 11. Структурная схема следящей системы с ЭГВ и корректирующими связями: 1 — уснлнтель; 2 — дифференцирующее звено; 3 — двойное дифференцирующее звено; 4 — усилитель мощности; 5 — электрогидравлнческий возбудитель; 6 — датчик перемещения; 7 — датчик скорости; 8 — датчик ускорения

В следящей системе с ЭГВ (рис. 10) перемещения на входе и выходе (в изображениях по Лапласу) связаны равенством

где К — коэффициент усиления усилителя мощности; передаточная функция При однако с ростом К система обычно становится неустойчивой. Область устойчивости по К расширяется введении корректирующих обратных связей по ускорению и скорости стола (рис, 11), При этом изображение ускорения стола имеет вид

где передаточная функция обратных связей.

Если пренебречь влиянием нагрузки вибростенда, инерционностью электрогидравлнческого преобразователя, золотника и датчиков, то передаточная функция (по существу передаточная функция ненагруженного силового гидроцилиндра) может быть задана следующим выражением:

При следует, что

Такая система сохраняет устойчивость при большом значении К, поэтому теоретически она может обеспечить высокую точность воспроизведения заданного ускорения практике возможности увеличения значения К существенно ограничены влиянием динамики элементов, не учтенных в модели (12). Тем не менее при слабо нагруженном вибростенде рассмотренные корректирующие связи помогают повысить точность отработки испытательной программы.

Предварительное искажение испытательной программы. Пусть на вход следящей системы (см, рис, 10) помимо обычного сигнала нодан предыскажающий

сигнал , изображение по Лапласу которого

Согласно (10) на выходе получают неискаженный сигнал

В действительности точное значение функции обычно неизвестно, и резуль» получить нельзя. Однако введением предыскажения программы даже на основе грубых оценок можно получить неплохие результаты. Например, при использовании корректирующих обратных связей (см. рис. 11), когда с учетом коррекции можно приближенно положить целесообразно ввести предыскаженную программу вида

Алгоритм последовательной перезаписи программы (АПП), известный из теории программного управления, позволяет итеративным путем (путем последовательных приближений) выработать эффективное предыскажение программы, даже если передаточная функция неизвестна. Для реализации алгоритма АПП необходимо снабдить систему оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Функции ОЗУ может выполнять, например, магнитофонное устройство или оперативная память цифровой управляющей машины. На каждой итерации работы алгоритма АПП (рис. 12) на вход базовой следящей системы подаются испытательная программа и управление предыдущей итерации из ОЗУ, а текущее управление вводится в ОЗУ и запоминается в нем. При этом изображение, ошибки отработки программы на итерации

и стремится к нулю при если

где полоса частот задающего сигнала

Неравенство (16) является условием сходимости алгоритма АПП и сводится к требованию, чтобы годограф функции не пересекал и не охватывал круг радиуса с центром в точке (на рис. 12 этот круг заштрихован). Процесс сходимости оказывается более равномерным, если сигнал перед запоминанием в ОЗУ умножать на коэффициент который с ростом монотонно стремится к 1, Хорошие результаты дает, например, коэффициент Ошибка обычно уменьшается до допустимых пределов после четырех-пяти итераций.

Выработку предыскажения программы с помощью алгоритма АПП следует производить при пониженных уровнях возбуждения, чтобы не подвергать испытуемое изделие многократным перегрузкам. После уменьшения ошибки до допустимых пределов устанавливают заданный уровень возбуждения и проводят испытание.

Все три рассмотренных способа коррекции характеристик ЭГВ хорошо сочетаются друг с другом и могут применяться совместно.

Алгоритмы БПФ и ОБПФ. Для реализации этих алгоритмов необходима цифровая управляющая машина или специализированный процессор БПФ (рис. 13). На первом (подготовительном) такте работы заданный сигнал ускорения (при пониженном уровне силовозбуждения), пересчитанный в перемещение подается ИЗ оперативного запоминающего устройства 6 на вход следящей системы. Сигнал сдатчика 2 и сигнал поступают в процессор который вычисляет их

изображения по Фурье Согласно (10) они связаны соотношением

Затем вычислительное устройство определяет изображение скорректированного сигнала по Фурье

которое подвергается обратному преобразованию Фурье в процессоре ОБПФ5. Полученный сигнал вводится в ОЗУ, на следующем (рабочем) такте работы пересчитывается в скорректированный задающий сигнал по перемещению и при нормальном уровне снловозбуждения подается на вход следящей системы. Согласно (17) и Аналогично коррекцию можно применять в системе с ЭДВ (при этом обратная связь по перемещению отсутствует). Система управления с БПФ и ОБПФ требует наличия более сложного оборудования и математического обеспечения, чем ранее рассмотренные системы.

Рис. 12. Реализация итеративного алгоритма АПП: а — структурная схема следящей системы с ЭГВ и оперативным запоминающим устройством для реализации алгоритма усилитель мощности, 2 — электрогидравлический возбудитель; 3 — датчик перемещения, годограф функции

Рис. 13. Структурная схема следящей системы с ЭГВ и цифровыми блоками для реализации алгоритмов БПФ и ОБПФ: 1 - двойное интегрирующее звено, 2 — датчик ускорения, 3 — процессор вычислительное устройство; 6 — процессор оперативное запоминающее устройство

Воспроизведение ударного воздействия с заданным ударным спектром, как показано выше, сводится к известной задаче синтеза амплитудного спектра рассчитанного по формуле (5), и называется ударным синтезом. Для ее решения почти полностью могут быть использованы методы, алгоритмы и аппаратура испытаний случайной вибрацией (гл. XXI) как аналоговые, так и цифровые, что является большим преимуществом. Генератор шума в аналоговом варианте заменяется геьератором коротких импульсов.

Требования к используемым датчикам. В системах управления, обеспечивающих воспроизведение заданных ударных воздействий (рис. 10—13), датчики, предназначенные для измерения параметроь удара (ускорения, скорости, перемещения), включены в замкнутый контур автоматического управления, работающий в реальном масштабе времени. Их динамические харакуеристики оказывают непосредственное

влияние на устойчивость соответствующей замкнутой системы и на точность воспроизведения заданного испытательного воздействия. Поэтому к частотным характеристикам таких датчиков предъявляются повышенные требования. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) датчика в рабочем диапазоне частот должна быть плоской и датчик не должен вносить существенных фазовых искажений. Поскольку датчики обычно представляют собой минимально-фазовые системы, у которых, как известно, амплитудно- и фазочастотные характеристики связаны жесткой зависимостью, указанные требования можно сформулировать в виде ограничений на АЧХ. Для практических целей можно рекомендовать следующее полуэмпирическое правило: АЧХ датчика должна быть плоской в полосе частот, определяемой неравенством

где длительность воспроизводимых ударных импульсов, частота, Гц.

Список литературы

(см. скан)