СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ НА РАЗРЫВ Российский патент 1995 года по МПК G01N3/08 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам для испытания на разрыв деталей типа тел вращения, и может быть использовано для определения параметров трещинообразования с помощью центробежной силы.

Известен стенд для испытания вращающихся деталей на разрыв, содержащий станину, защитный кожух, привод турбинного типа и установленный горизонтально в цилиндрическом гнезде станины шпиндель с элементами крепления испытуемой детали, выполненный в виде диска с расположенными на его боковой поверхности лопатками, в станине напротив лопаток шпинделя и со стороны его нижней торцовой поверхности выполнены сопла [1].

Известен также стенд для испытания вращающихся деталей, содержащий вакуумную разгонную камеру, в которой устанавливается испытуемая деталь, электропривод с системами питания, управления, регистрации и блокировок (Суржин В. С., Фетисов В. М. Конструктивные особенности и технология проведения испытаний на разгонных стендах в обучение ЭЦИ при внедрении новой технологии и конструкций роторов авиационных ГТД. Отсчет о НИР N 10447, М.: ЦИАМ, 1985, с. 75, рис. 1).

Общим недостатком известных стендов является низкая точность испытаний, связанная с несоответствием созданных условий их проведения эксплуатационным и недостаточной информативностью при трещинообразовании.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является стенд для испытания вращающихся деталей на разрыв, содержащий вакуумную разгонную камеру, механически связанные датчик частоты вращения и электропривод для вращения испытуемой детали, регистрирующее устройство, датчик трещины, устанавливаемый на поверхности испытуемой детали, аппаратуру скоростной съемки и систему управления, выход которой соединен с входом электропривода, входы регистрирующего устройства соединены соответственно с выходом датчика частоты вращения и через токосъемник - с выходом датчика трещины, а выходы - соответственно с управляющим входом аппаратуры скоростной съемки и входом системы управления [2].

Недостатком приведенного стенда является низкая точность испытания, обусловленная тем, что при его использовании не создается и не учитывается температурное поле, воздействующее на вращающуюся деталь в эксплуатационных условиях.

При реальной эксплуатации вращающихся деталей, например дисков турбомашин, воздействие высоких температур сопровождается появлением на их поверхности дополнительных динамических напряжений, вызывающих увеличение трещин до критического значения при пониженных частотах вращения.

Кроме того, без создания температурного поля на поверхности разгоняющейся детали не обеспечиваются условия, гарантирующие появление и развитие трещин непосредственно в сечении с созданием или ожидаемым концентратором напряжения, вследствие чего снижается точность определения параметров трещинообразования.

Цель изобретения - повышение точности испытаний за счет проведения испытаний в условиях, близких к эксплуатационным.

Это достигается тем, что стенд для испытания вращающихся деталей на разрыв, содержащий вакуумную разгонную камеру, механически связанные датчик скорости вращения и электропривод для вращения испытуемой детали, регистрирующее устройство, датчик измерителя роста трещины, устанавливаемый на поверхности детали, и систему управления, вход которой соединен с входом электропривода, первый и второй входы регистрирующего устройства соединены соответственно с выходом датчика измерения роста трещины и первым выходом датчика скорости вращения, снабжен системой индукционного нагрева, связанными с ее входом и первым выходом блока датчиков температуры и индукционным нагревателем, источником локального нагрева детали, содержащим последовательно соединенные первый усилитель мощности и нагреватель, источником нагрева газа, содержащим последовательно соединенные второй усилитель мощности и нагреватель газа, вибропреобразователь, датчиком вибраций, триггером, задатчиком, регулятором, первым и вторым устройствами управления, управляемым вентилем, источником охлаждающего газа, элементом сравнения, датчиками температуры детали и газа, тензометром и логическим устройством, первый и второй входы которого соединены с одноименными выходами регистрирующего устройства, а третий вход - с выходом вибропреобразователя, входом соединенного с выходом датчика вибраций, установленного на демпферной опоре испытуемой детали, первый выход логического устройства соединен с первым входом системы управления и первым управляющим входом системы индукционного нагрева, вторым управляющим входом соединенной с вторым выходом системы управления, вторым входом соединенной с вторым выходом датчика частоты вращения, а третьим входом - с вторым выходом системы индукционного нагрева, третий и четвертый входы которой соединены с первыми входами соответственно первого и второго устройств управления, вторыми входами соединенных с выходом элемента сравнения, первый вход которого соединен с выходом тензометра, а второй вход - с первым выходом задатчика, вторым выходом соединенного с первым входом регулятора, второй и третий входы которого соединены с выходами датчиков температуры детали и газа, а выход соединен с входом второго усилителя мощности, управляющий вход второго устройства управления соединен с управляющими входами первого усилителя мощности, входом соединенного с выходом первого устройства управления, задатчика и выходом триггера, I-вход которого соединен с третьим выходом системы управления, четвертым входом соединенной с вторым выходом логического устройства, второй вход которого соединен с К-входом триггера, выход второго устройства управления соединен с управляющим входом управляемого вентиля, вход которого соединен с выходом источника охлаждающего газа, а выход - с входом нагревателя газа.

Поставленная цель достигается и тем, что система управления содержит последовательно соединенные задатчик, делитель напряжения, элемент сравнения, операционный усилитель, интегратор и силовой преобразователь, выход которого является первым выходом системы управления, первый, второй и третий ключи, компаратор и регулируемый ограничитель, первый вывод соединен с первым выводом первого ключа, вторым выводом соединенного с выходом интегратора, вход которого соединен с первым выводом регулируемого ограничителя, вторым выводом соединенного с первым выводом второго ключа, второй вывод которого соединен с выходом элемента сравнения, вторым входом соединенного с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с вторым выходом задатчика, первым выходом соединенного с первым выводом третьего ключа, второй вывод которого соединен с первым входом элемента сравнения, при этом управляющие входы первого, второго и третьего ключей являются соответственно четвертым, первым и третьим входами системы управления, второй вход элемента сравнения с ее вторым входом, а неинвертирующий и инвертирующий выходы компаратора являются соответственно вторым и третьим выходами системы управления.

Регистрирующее устройство содержит задатчик, первый компаратор, последовательно соединенные блок измерения длины трещины, второй компаратор и измеритель скорости вращения, при этом первый вход первого компаратора соединен с выходом блока измерения длины трещины, вход которого является первым входом устройства, второй вход второго компаратора соединен с первым выходом задатчика, второй выход которого соединен с вторым входом первого компаратора, выходы первого и второго компараторов являются соответственно вторым и первым выходами устройства, а второй вход измерителя частоты вращения - вторым входом устройства.

Логическое устройство содержит три логических элемента И-НЕ и RS-триггер, R-вход которого является установочным входом, а S-вход RS-триггера является вторым входом устройства, прямой выход RS-триггера соединен с первым входом первого логического элемента И-НЕ, выход которого является первым выходом устройства, а второй вход - с первым входом второго логического элемента И-НЕ, выходом соединенного с первым входом третьего логического элемента И-НЕ, выход которого является вторым выходом устройства, а второй вход третьего логического элемента И-НЕ является первым входом устройства, инверсный выход RS-триггера соединен с вторым входом второго логического элемента И-НЕ, первый вход которого является третьим входом устройства.

Каждое устройство управления содержит регулируемый ограничитель, ключ, последовательно соединенные усилитель и интегратор, выход которого соединен с первым выводом ключа и является выходом устройства, а вход - с вторым выводом ключа и первым выводом регулируемого ограничителя, вторым выводом соединенного с входом усилителя, который является вторым входом устройства, управляющий вход регулируемого ограничителя является первым входом устройства, а управляющий вход ключа - его управляющим входом.

Регулятор содержит последовательно соединенные элемент сравнения и усилитель, выход которого является выходом регулятора, а второй вход - третьим входом регулятора, первый и второй входы элемента сравнения являются одновременными входами регулятора.

При исследованиях диска толщиной h с радиусами центрального отверстия а и ободной части b экспериментально устанавливается реальный запас по разрушающим оборотам и сравнивается с расчетным значением.

В процессе разгонных испытаний модельного диска 46А-1-8 из сплава ЭП741П на стенде, являющемся прототипом заявленного, установлена величина К_b1 = 1,22 с ошибкой δ₁ в сравнении с расчетной K_b = =1,17 определяемой по формуле
δ₁= · 100 % = 4,27 %
Испытания аналогичного диска на предлагаемом стенде за счет создания реальной в эксплуатации величины σ_r позволили приблизить величину К_b2 = 1,15 к расчетному значению и снизить погрешность
δ₂= · 100 % . до величины 1,71%.

Таким образом, из-за приближения условий испытаний к натурным их точность на заявляемом стенде повысилась в
= = 2,5 раза.

На фиг. 1 приведена структурная схема стенда для испытания вращающихся деталей на разрыв; на фиг. 2 - структурная схема системы управления; на фиг. 3 - структурная схема регистрирующего устройства; на фиг. 4 - структурная схема логического устройства; на фиг. 5 - структурная схема устройства управления; на фиг. 6 - структурная схема регулятора; на фиг. 7 - распределение температур в диске.

Стенд для испытания вращающихся деталей на разрыв содержит систему 1 управления, механически связанные датчик 2 скорости вращения и электропривод 3 для вращения в вакуумной разгонной камере 4 испытуемой детали 5, устанавливаемой на демпфирующих опорах 6, систему 7 индукционного нагрева, связанные с ее входом и первым выходом блок 8 датчиков температуры и индукционный нагреватель, источник 10 локального нагрева детали, содержащий последовательно соединенные первый усилитель 11 мощности и нагреватель 12, источник 13 нагрева газа, содержащий последовательно соединенные второй усилитель 14 мощности и нагреватель 15 газа, последовательно соединенные датчик 16 вибраций, установленный на демпферной опоре 6, и вибропреобразователь 17, триггер 18, задатчик 19, регулятор 20, первое и второе устройства 21, 22 управления, последовательно соединенные источник 23 охлаждающего газа и управляемый вентиль 24, элемент 25 сравнения, тензометр 26, логическое устройство 27, регистрирующее устройство 28, датчики 29, 30 температуры детали и газа и датчик 31 измерения роста трещины.

Последний выходом соединен с первым входом регистрирующего устройства 28, второй вход которого соединен с первым выходом датчика 2 скорости вращения, а первый и второй выходы - с одноименными входами логического устройства 27, третьим входом соединенного с выходом вибропреобразователя 17. Первый выход логического устройства 27 соединен с первым управляющим входом системы 7 индукционного нагрева и первым входом системы 1 управления, вторым входом соединенной с вторым выходом датчика 2 скорости вращения, а первым выходом - с входом электропривода 3.

Третий вход системы 1 управления соединен с вторым выходом системы 7 индукционного нагрева, второй управляющий вход которой соединен с вторым выходом системы 1 управления, третьим выходом соединенной с I-входом триггера 18, а четвертым входом - с вторым выходом логического устройства 27, второй вход которого соединен с К-входом триггера 18, выходом соединенного с управляющими входами задатчика 19, второго устройства 22 управления и первого усилителя 11 мощности. Вход последнего соединен с выходом первого управляющего устройства 21, первым входом соединенного с третьим выходом системы 7 индукционного нагрева, четвертый выход которой соединен с первым входом второго устройства 22 управления, выходом соединенного с управляющим входом управляемого вентиля 24, выход которого соединен с входом нагревателя 15 газа. Вторые входы первого и второго устройств 21, 22 управления соединены с выходом элемента 25 сравнения, первый вход которого соединен с выходом тензометра 26, а второй вход - с первым выходом задатчика 19, второй выход которого соединен с первым входом регулятора 20, выходом соединенного с входом второго усилителя 14 мощности, а вторым и третьим входами - с выходами датчиков 29, 30 температуры детали и газа.

Система 1 управления содержит последовательно соединенные задатчик 32, делитель 33 напряжения, элемент 34 сравнения, операционный усилитель 35, интегратор 36 и силовой преобразователь 37, выход которого является первым выходом системы управления, первый, второй и третий ключи 38, 39, 40, компаратор 41 и регулируемый ограничитель 42, первый вывод которого соединен с первым выводом первого ключа 38, вторым выводом соединенного с выходом интегратора 36, вход которого соединен с первым выводом регулируемого ограничителя 42, вторым выводом соединенного с первым выводом ключа 39, второй вывод которого соединен с выходом элемента 34 сравнения, вторым входом соединенного с первым входом компаратора 41. Второй вход последнего соединен с вторым выходом задатчика 32, первым выходом соединенного с первым выводом третьего ключа 40, второй вывод которого соединен с первым входом элемента 34 сравнения. При этом управляющие входы первого, второго и третьего ключей 38, 39, 40 являются соответственно четвертым, первым и третьим входами системы управления, второй вход элемента 34 сравнения - ее вторым входом, а неинвертирующий и инвертирующий выходы компаратора 41 - соответственно вторым и третьим выходами системы управления.

Регистрирующее устройство 28 содержит задатчик 43, первый компаратор 44, последовательно соединенные блок 45 измерения длины трещины, второй компаратор 46 и измеритель 47 частоты вращения. При этом первый вход первого компаратора 44 соединен с выходом блока 45 измерения длины трещины, вход которого является первым входом устройства. Второй вход второго компаратора 46 соединен с первым выходом задатчика 43, второй выход которого соединен с вторым входом первого компаратора 44, выходы первого и второго компараторов 44, 46 являются соответственно вторым и первым выходами устройства, а второй вход измерителя 47 частоты вращения - вторым входом устройства.

Логическое устройство 27 содержит первый, второй и третий логические элементы И-НЕ 48, 49, 50 и RS-триггер 51, R-вход которого является установочным входом, а S-вход RS-триггера 51 - вторым входом устройства, прямой выход RS-триггера 51 соединен с первым входом первого логического элемента И-НЕ 48, выход которого является первым выходом устройства, а второй вход - с первым входом второго логического элемента И-НЕ 49, выходом соединенного с первым входом третьего логического элемента И-НЕ 50, выход которого является вторым выходом устройства, а второй вход третьего логического элемента И-НЕ 50 - первым входом устройства, инверсный выход - триггера 51 соединен с вторым входом второго логического элемента И-НЕ 49, первый вход которого является третьим входом устройства.

Устройство 21 (22) управления содержит регулируемый ограничитель 52, ключ 53, последовательно соединенные усилитель 54 и интегратор 55, выход которого соединен с первым выводом ключа 53 и является выходом устройства, а вход - с вторым выводом ключа 53 и первым выводом регулируемого ограничителя 52, вторым выводом соединенного с входом усилителя 54, который является вторым входом устройства, управляющий вход регулируемого ограничителя 52 является первым входом устройства, а управляющий вход ключа 53 - его управляющим входом.

Регулятор 20 содержит последовательно соединенные элемент 56 сравнения и усилитель 57, выход которого является выходом регулятора, а второй вход - третьим входом регулятора, первый и второй входы элемента 56 сравнения являются одноименными входами регулятора.

Стенд для испытания вращающихся деталей на разрыв работает следующим образом.

Испытуемая вращающаяся деталь 5, например диск турбомашины с искусственным концентратором напряжения, устанавливается на демпферных опорах 6 внутри вакуумной разгонной камеры 4, в которой поддерживается необходимый уровень вакуума. С помощью автономного электропривода 3 деталь 5 разгоняется по линейному закону, определяемому линейно нарастающим сигналом U^l₁ с первого выхода системы 1 управления, формируемым при воздействии на ее первый вход сигнала U^l₂₇ логической "единицы", поступающего с первого выхода логического устройства 27.

Аналоговый сигнал U²₂ , формируемый в соответствии с текущей частотой вращения электропривода 3 на втором выходе датчика 2 скорости вращения, воздействует на второй вход системы 1 управления, обеспечивая регулируемый уровень ограничителя оборотов в соответствии с заданием. С помощью регистрирующего устройства 28 по частотному сигналу U с первого выхода датчика 2 контролируется нарастание скорости вращения электропривода 3 и соответствующей ей скорости вращения детали 5. Регистрирующее устройство 28, кроме того, по сигналу U₃₁ с датчика 31 измерения роста трещины, представляющего собой, например, систему проволочных тензодатчиков или токопроводов, осуществляет контроль за возникновением и развитием трещин на месте созданного искусственного концентратора напряжений (фиг. 7, точка 2). До тех пор, пока сигнал U не достигнет заданного уровня U_стр, соответствующего напряжению в зоне концентратора в момент появления трещин, с первого и второго выходов регистрирующего устройства 28 на одноименные входы логического устройства 27 воздействуют сигналы уровня логической единицы, не изменяя эксплуатационного темпа разгона электропривода 3. При этом на первый и четвертый входы системы 1 управления непрерывно поступают сигналы уровней соответственно единицы и нуля.

До тех пор, пока частота вращения электропривода 3 не достигнет заданного минимального уровня n_min, со второго выхода системы 1 управления на второй управляющий вход системы 7 индукционного нагрева воздействует сигнал логического "нуля", запрещая ее работу, а с третьего выхода системы 1 управления на I-вход триггера 18 поступает сигнал логической единицы, не оказывая влияния на его предварительно установленное нулевое состояние, при котором выходной сигнал U₁₈логического нуля одновременно воздействует на источники 10 и 13 соответственно локального нагрева детали и нагрева газа, исключая их работу.

При достижении электроприводом 3 заданной минимальной частоты вращения n_min с второго выхода системы 1 управления на второй управляющий вход системы 7 индукционного нагрева начинает воздействовать сигнал логической единицы, который запускает ее в работу при сохранении единичного сигнала на первом управляющем входе, поступающего с начала работы стенда с первого выхода логического устройства 27.

Нагрев диска 5 осуществляется с эксплуатационным темпом с помощью индукционного нагревателя 9, представляющего собой, например, систему трех независимых индукторов, каждый из которых обеспечивает локальный нагрев соответствующих областей.

Таким образом, на вращающемся диске 5 создается температурное поле с эксплуатационным распределением температур по его радиусу (фиг. 7, кривая 1). Информация о состоянии нагрева в виде непрерывных сигналов вводится с блока 8 датчиков температуры, установленных в точках 1, 2 и 3 диска (фиг. 7).

Исключение случайностей, связанных с началом трещинообразования вне сечения с нанесенным концентратором, достигается изменением распределения температур по радиусу диска 5 с сохранением регулируемых значений в точках 1, 2 и 3, при котором в указанном сечении обеспечивается повышенный температурный градиент, обеспечивающий наибольший из допустимых значений уровень суммарных напряжений, контролируемый с помощью тензометра 26, установленного в точке 2 (фиг. 7).

Такое распределение температур осуществляется дополнительным нагревом диска 5 в области А (фиг. 7) с помощью источника 10 локального нагрева и его охлаждением в области Б с помощью нагретого газа от источника 13 с интенсивностью, соответствующей выходному сигналу И элемента 25 сравнения, величина которого изменяется в соответствии с выражением
U₂₅ = U₁₉¹ - U₂₆, где U₁₉¹ - постоянный сигнал уставки с первого выхода задатчика 19, определяющий величину наибольшего допустимого напряжения в сечении диска 5 с концентратором;
U₂₆ - выходной сигнал тензометра 26, соответствующий напряжению в контролируемом сечении.

Источник 10 локального нагрева представляет собой нагреватель 12, подключенный к усилителю 11 мощности, например тиристорному преобразователю частоты, управляемому первым устройством 21 управления с регулируемым уровнем И ограничения интенсивности нарастания выходного сигнала, задаваемым с третьего выхода системы 7 индукционного нагрева положительным сигналом.

U₇³ = U_1max - U_T1 (t) ≥ 0 определяемым максимальной допустимой T_1max и текущей T₁(t) температурами ступичной области диска 5 (фиг. 7, точка 1).

В момент появления "единичного" сигнала на выходе триггера 18 (при n = n_min) разрешается работа первого усилителя 11 мощности и на первом выходе задатчика 19 формируется сигнал U₁₉¹. С этого времени начинается дополнительный разогрев диска 5 в области А, продолжающийся до тех пор, пока уровень напряжения в сечении с концентратором не достигнет наибольшего значения и на выходе элемента 25 сравнения не установится нулевая разность сигналов (U₂₅ = 0).

Если в процессе дополнительного нагрева диска 5 начинается перегрев ступичной области, т.е. Т₁(t) ≈ T_max , прекращается нарастание сигнала U₂₁ на выходе первого устройства 21 управления и разогрев в области А приостанавливается на достигнутом уровне до тех пор, пока с помощью индукционного нагревателя 9 и системы 7 температура в точке 1 не понизится ниже допустимого уровня.

Одновременно с разогревом диска 5 в области А начинается его охлаждение в области Б (фиг. 7). При этом сигнал U₂₅ с выхода элемента 25 сравнения воздействует на вход второго устройства 22 управления с регулируемым уровнем U₇⁴ ограничения интенсивности нарастания его выходного сигнала U₂₂, задаваемым с четвертого выхода системы 7 индукционного нагрева отрицательным сигналом
U₇⁴ = U_т3min - U_т3(t) ≅ 0, определяемым минимальной допустимой Т_3min и текущей Т₃(t) температурами ободной области диска 5 (фиг. 7, точка 3).

Нарастающий сигнал U₂₂ воздействует на управляющий вход управляемого вентиля 24 и открывает его, увеличивая поток охлаждающего газа с источника 23 на охлаждаемую область диска 5.

Для предотвращения коробления испытуемого диска 5 и появления термоусталочностных трещин на его поверхности в области Б газ проходит через нагреватель 15, представляющий собой, например, электрическую печь сопротивления, нагревается до температуры, устанавливаемой выходным напряжением U₁₄ второго усилителя 14 мощности в соответствии с сигналом И₂₀ на выходе регулятора 20, определяемым из выражения
U₂₀ = U₂₉ - U₃₀ - U₁₉², где U₂₉, U₃₀ - выходные сигналы датчиков 29 и 30 температуры детали и охлаждающего газа, устанавливаемых соответственно в области Б испытуемого диска 5 и газовом потоке;
U₁₉² - постоянный сигнал уставки со второго выхода задатчика 19, определяющей величину эксплуатационного градиента температур охлаждаемой области и газового потока.

Рост интенсивности охлаждения области Б испытуемой детали 5 продолжается до тех пор, пока уровень напряжения в сечении с концентратором не достигнет наибольшего допустимого значения и на выходе элемента 25 сравнения не установится нулевая разность сигналов (U₂₅= 0).

При чрезмерном охлаждении ободной области диска 5, т.е. Т_3min ≈ T₃(t), прекращается нарастание сигнала U₂₂ на выходе второго устройства управления, сопровождающееся приостановкой дальнейшего охлаждения области Б до тех пор, пока с помощью индукционного нагревателя 9 и системы 7 температура в точке 3 не повысится выше допустимого минимального уровня.

Таким образом, создается неравномерное распределение температур в радиальном направлении диска 5 (фиг. 7, кривая П), обеспечивающее за счет создания максимального температурного градиента минимальный запас по напряжению в сечении с концентратором, исключая возможность появления трещин в другой области.

Если к моменту достижения электроприводом 3 заданной рабочей n_зад.частоты вращения испытуемый диск 5 не нагревался до заданного эксплуатационного состояния, со второго выхода системы 7 индукционного нагрева на третий вход системы 1 управления продолжает поступать сигнал логического нуля, запрещая дальнейший его разгон. Электропривод 3 вращается с заданной постоянной частотой n_зад. до тех пор, пока диск 5 не нагревается до образования на нем температурного поля, близкого к эксплуатационному.

При установлении на поверхности диска 5 заданного распределения температур, о чем свидетельствует сигнал с датчика блока 8 датчиков температуры, устанавливаемого в наиболее теплоемкой области, поступающий на вход системы 7 индукционного нагрева, на ее втором выходе формируется сигнал логической единицы и воздействует на третий вход системы 1 управления, разрешая дальнейший разгон электропривода 3 с эксплуатационным темпом при ограничении его максимальных оборотов в соответствии с конструктивной прочностью электродвигателя и машинной линии.

В момент появления трещин на детали 5, разгоняющейся с эксплуатационным темпом в области больших частот вращения, на втором выходе регистрирующего устройства 28 при достижении сигналом U₃₁ с датчика 31 трещин заданного уровня U_стр формируется сигнал логического "нуля", который воздействует на К-вход триггера 18 и переводит его в состояние с "нулевым" уровнем выходного сигнала, исключающим работу задатчика 19, первого усилителя 11 мощности и второго устройства 22 управления. С этого времени прекращается дополнительный разогрев диска 5 в области А с охлаждением в области Б и устанавливается эксплуатационное распределение температур по его радиусу (фиг. 7, кривая 1). До тех пор пока уровень вибраций с датчика 16 не превысит установленного уровня U_доп, с первого и второго выходов логического устройства 27 продолжают поступать прежние логические сигналы и электропривод 3 по-прежнему разгоняется с эксплуатационным темпом, обеспечивающим высокую точность испытаний и исключающим вероятность преждевременного разрушения диска 5.

Как только вследствие дальнейшего развития трещин в момент, предшествующий разрушению, на испытуемой детали 5 из-за анизотропного пластического деформирования появится неравномерная вытяжка и связанный с ней дисбаланс, вибрации с датчика 16 превысят допустимый уровень U_доп, о чем свидетельствуют появление единичного сигнала на выходе вибропреобразователя 17. При этом на первом выходе логического устройства 27 устанавливается сигнал логического нуля и воздействует на первый вход системы 1 управления, которая обеспечивает разгон электропривода 3 с максимальным возможным темпом, который должен быть не менее частоты достижения коэффициентом динамического усилия своего стационарного значения, так как разбалансировка детали 5 может послужить причиной преждевременного излома вала и разрушения ее самой при ударе о стенку (броню) вакуумной разгонной камеры 4.

Одновременно нулевой сигнал с первого выхода логического устройства 27 воздействует на первый управляющий вход системы 7 индукционного нагрева и отключает ее.

При дальнейшем ускоренном разгоне электропривода 3 на испытуемой детали 5 происходит интенсивный рост трещины, длина которой в регистрирующем устройстве 28 непреpывно сравнивается с заданным критическим значением, определяемым уставкой сигнала U_кр.

При достижении трещиной заданной критической длины регистрирующее устройство 28 запоминает соответствующую ей частоту вращения электропривода 3, информация о которой в виде частотного сигнала U₂¹продолжает поступать с первого выхода датчика 2. Одновременно на первом выходе регистрирующего устройства 28 формируется сигнал логического нуля и воздействует на первый вход логического устройства 27, вызывая появление на его втором выходе "единичного" сигнала, способствующего при воздействии на систему 1 управления отключению электропривода 3, который тормозится в режиме "свободного выбега" до остановки.

Если по каким-либо причинам, не связанным с появлением и развитием трещин на детали 5 (например, повреждение подшипников, разбалансировка и т.п. ), при разгоне электропривода 3 контролируемый уровень вибраций с датчика 16 превысит величину U_доп, на выходе вибропреобразователя 17 появляется сигнал логической единицы и воздействует на третий вход логического устройства 27, обеспечивая формирование на его втором выходе единичного сигнала, способствующего при воздействии на систему 1 управления отключению электропривода 3. С этого времени электропривод 3 с испытуемой деталью 5 тормозится в режиме "свободного выбега" до остановки, после чего осуществляются контроль машинной линии, балансировка и другие операции для снижения уровня вибраций на эксплуатационных частотах вращения, обеспечивающие высокую надежность и достоверность испытаний.

При снижении частоты вращения электропривода 3 ниже порогового значения n_min на третьем выходе системы 1 управления появится сигнал логической "единицы", не изменяющий "единичного" состояния триггера 18, а на втором выходе системы 1 управления - сигнал логического нуля, обеспечивающий выключение системы 7 индукционного нагрева с одновременным снятием уставок ограничения на третьем и четвертом выходах. После этого прекращаются нагрев диска 5 и поступление потока охлаждающего газа.

Полученные при испытании параметры образования трещин позволяют произвести оценку остаточной несущей способности диска турбомашины при наличии повреждения.

Система 1 управления работает следующим образом.

Третий ключ 40 при появлении на его управляющем входе с третьего входа системы 1 управления сигнала логической единицы замыкается и шунтирует делитель 33 напряжения, вследствие чего уровнем постоянного сигнала U₃₂¹ задания с первого выхода задатчика 32 путем сравнения на входе элемента 34 сравнения с нарастающим сигналом обратной связи, поступающим через второй вход системы, ограничивается максимальная скорость вращения n_mах, на которой происходит разрушение детали, выбираемая из условий конструктивной прочности электропривода и машинной линии.

При размыкании ключа 40 в момент появления на его управляющем входе сигнала логического нуля делитель 33 напряжения с коэффициентом деления К_д > 1 расшунтируется и уровнем постоянного сигнала в процессе сравнения его с сигналом обратной связи задается рабочая частота вращения n_зад электропривода.

Выходной сигнал U₃₄ элемента 34 сравнения поступает на вход операционного усилителя 35 с большим коэффициентом усиления К_ус, работающего в режиме ограничения, задаваемом уровнем сигнала U_огррегулируемого ограничителя 42, включенного в цепь его обратной связи с помощью второго ключа 39, замыкаемого при подаче на его управляющий вход через первый вход системы сигнала логической "единицы".

Сигнал U₃₅ операционного усилителя 35, изменяющийся в соответствии с выражением
U₃₅= определяет темп нарастания выходного сигнала U₃₆ интегратора 36 с разомкнутым при подаче на его управляющий вход через четвертый вход системы сигнала логического "нуля" первым ключом 38, который осуществляется по линейному закону
U₃₆(t) = U₃₅t где Т - постоянная времени интегрирования интегратора 36.

Выходной сигнал U_вых системы 1 управления, представляющий собой сигнал на выходе силового преобразователя 37 с коэффициентом передачи К_n, нарастает по линейному закону
U_вых(t) = U₃₆(t)K_n с темпом
α₁= K_n .

При поступлении на первый вход системы сигнала логического "нуля" второй ключ 39 размыкается, переводя операционный усилитель 35 в режим работы с насыщением выходного сигнала U₃₅ на уровне U_н. В этом случае на входе системы 1 управления формируется линейно нарастающий сигнал
U_вых(t) = U_нK_пt с темпом
α₂= K_n , обеспечивая ускоренный разгон электропривода.

Если на четвертый вход системы поступает сигнал логической единицы, то независимо от уровня сигнала, поступающего на ее первый вход, замыкается первый ключ 38 и шунтирует интегратор 36, обеспечивая отсутствие выходного сигнала.

Система управления на втором и третьем выходах обеспечивает формирование управляющих логических сигналов соответственно "единицы" и "нуля" при достижении на входе компаратора 41 сигналом обратной связи, поступающим через второй вход системы, заданного уровня U₃₂² со второго выхода задатчика 32, соответствующего минимальной частоте вращения n_minэлектропривода.

Регистрирующее устройство 28 работает следующим образом.

Через второй вход устройства на второй вход измерителя 47 частоты вращения, представляющего собой, например, частотомер с блоком памяти, поступает импульсный сигнал, нарастающая частота которого индуцируется в цифровой форме.

Блок 45 измерения длины трещины, выполненный по одной из известных схем, получая через первый вход устройства, например, с помощью токосъемника информацию от датчиков, формирует сигнал U₄₅, пропорциональный длине развивающейся трещины при пластической деформации детали, который поступает на первые входы первого и второго компараторов 44, 46, где сравнивается с постоянными сигналами U₄₃¹ и U₄₃²задатчика 43.

При этом на выходе первого компаратора 44 сигнал U изменяется в соответствии с выражением
U₄₄ = где U₄₃² - уставка сигнала со второго выхода задатчика 43, соответствующая сигналу U_стр датчика в момент страгивания трещины на детали;
U_к1 - выходной сигнал первого компаратора 44, соответствующий уровню логической единицы.

На выходе второго компаратора 46 сигнал U изменяется в соответствии с выражением
U₄₆ = где U₄₃¹ - уставка сигнала с первого выхода задатчика 43, соответствующая сигналу U_кр датчика в момент достижения трещиной критической длины;
U_к2 - выходной сигнал второго компаратора 46, соответствующий уровню логической единицы.

В момент поступления на первый вход устройства, сигнал U_стр на выходе первого компаратора 44, являющемся вторым выходом устройства, формируется сигнал логического нуля.

Как только сигнал на первом входе устройства возрастет до уровня U_кр, с выхода второго компаратора 46 на первый выход устройства поступает сигнал логического нуля, который одновременно воздействует на первый вход измерителя 47 вращения, на котором запоминается частота сигнала, поступающего в это время на второй вход.

Логическое устройство 27 работает следующим образом.

Перед началом работы устройства RS-триггер 51 путем подачи импульса сигнала на его R-вход устанавливается в нулевое состояние. Если на первый и второй входы устройства поступает постоянный сигнал уровня логической единицы, на третий вход - сигнал логического нуля, на первом выходе устройства и на выходе второго логического элемента И-НЕ 49 появляется единичный сигнал, устанавливающий на втором выходе устройства сигнал логического "нуля".

Если на третий вход устройства поступает сигнал логической единицы, свидетельствующий о возрастании вибраций на детали выше установленного уровня, RS-триггер 52 не изменит своего состояния и удержит первый логический элемент И-НЕ 48 в положении, при котором на первом выходе устройства сохранится единичный сигнал. На выходе второго логического элемента И-НЕ 49 появится сигнал логического нуля и переведет третий логический элемент И-НЕ 50 в противоположное состояние, обеспечивающее функционирование сигнала логической единицы на втором выходе устройства.

Если при отсутствии сигнала на третьем входе на первый вход устройства поступает сигнал логического нуля, сигнализирующий о появлении трещины на детали, RS-триггер 51 изменяет свое состояние на противоположное, изменяя также состояние второго логического элемента И-НЕ 49. При этом на первом выходе устройства сохранится единичный сигнал, а на его втором выходе при наличии сигнала логической единицы со второго логического элемента И-НЕ 49 формируется сигнал логического нуля.

При резком возрастании вибраций на разрушающейся детали на третий вход устройства поступает сигнал логической единицы, обеспечивающий появление сигнала логического нуля на его первом выходе при прежних состояниях второго и третьего логических элементов И-НЕ 48 и 49, формирующих соответственно "единичный" и "нулевой" уровни сигналов.

При разрушении детали, характеризующемся поступлением сигнала логической "единицы" на второй вход устройства, изменится лишь состояние третьего логического элемента И-НЕ 50, при котором на втором выходе устройства появится сигнал логической единицы.

Каждое из устройств 21 (22) управления работает лишь при появлении на управляющем входе сигнала логической единицы.

В это время ключ 53 размыкается и расшунтирует интегратор 55, разрешая его работу. Через второй вход устройства сигнал U₂₅воздействует на вход усилителя 54 постоянного тока с коэффициентом передачи К_п с управляемым уровнем ограничения, задаваемым уровнем ограничения, задаваемым уровнем сигнала ограничения U₇ регулируемого ограничителя 52, включенного в цепь его обратной связи.

Выходной сигнал U₅₄ усилителя 54, изменяющийся в соответствии с выражением:
U₅₄= интегрируется интегратором 55 и с его выхода поступает на выход устройства.

При отсутствии сигнала на управляющем входе устройства или появлении сигнала логического нуля ключ 53 замыкается и шунтирует интегратор 55. В это время независимо от величины входного сигнала сигнал на выходе устройства отсутствует.

Регулятор 20 работает следующим образом.

Выходной сигнал U₅₆ элемента 56 сравнения, пропорциональный разности сигналов, поступающих на его входы через первый и второй входы устройства, воздействует на первый вход усилителя 57, представляющего собой дифференциальный усилитель с коэффициентом передачи, равным единице, на второй вход которого воздействует сигнал, поступающий с третьего входа устройства. Разностный сигнал U₅₇ усилителя 57 является выходным сигналом устройства.

Изобретение относится к испытательной технике. Цель изобретения - повышение точности испытаний за счет проведения испытаний в условиях близких к эксплуатационным. Стенд для испытания образцов на разрыв содержит вакуумную разгонную камеру 4, привод 3 вращения испытуемого образца 5, связанный с приводом датчик 2 скорости вращения, датчик 31 измерения роста трещины и электрическую систему 1 управления. Выход последней соединен с приводом 3 вращения. Стенд содержит также регистрирующее устройство 28, выходами соединенное с выходами датчика 2 скорости вращения и датчика 31 измерения роста трещины. Стенд содержит индукционный нагреватель 9, предназначенный для разогрева всего образца 5, нагреватель 10, предназначенный для локального нагрева определенных частей образца 5 нагревателя 15 газа, усилитель 14 мощности, источник 23 охлаждающего газа, датчик 30 температуры газа и управляющий вентиль 24. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ НА РАЗРЫВ, содержащий вакуумную разгонную камеру, привод вращения испытуемого образца, механически связанный с приводом датчик скорости вращения, датчик измерения роста трещины, предназначенный для установки на образце, электрическую систему управления, выход которой соединен с приводом вращения, и регистрирующее устройство, входы которого соединены с выходами датчиков скорости вращения и измерения роста трещины, отличающийся тем, что, с целью повышения точности испытаний путем проведения испытаний в условиях, близких к эксплуатационным, он снабжен системой подачи нагретого газа в разгонную камеру, системой нагрева, состоящей из индукционного нагревателя, предназначенного для разогрева всеого образца, нагревателя, предназначенного для локального нагрева определенных частей образца, и нагревателя газа, и системой контроля вибраций образца. 2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что система подачи нагретого газа содержит усилитель мощности, источник охлаждающего газа, датчик температуры газа и управляющий вентиль.