УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПАРТИИ ИЗДЕЛИЙ НА РЕЗОНАТОРАХ Российский патент 1995 года по МПК G01N3/38 

Изобретение относится к механическим испытаниям изделий, в частности к вибрационным усталостным испытаниям партии изделий, устанавливаемых для получения повышенного уровня вибрации на резонаторы, закрепляемые на столе вибрационного испытательного стенда.

Известно устройство, содержащее вибростенд, резонатор, закрепленный на его столе, рабочие средства измерения и систему, регистрирующую повреждение изделий [1].

Недостатком данного устройства является невозможность обеспечения постоянства нагрузки на изделия в процессе испытаний. Так как резонаторы обладают высокой добротностью, то даже незначительное отклонение частоты возбуждения от резонансной частоты резонатора вследствие уменьшения массы изделий в процессе испытаний при последовательном разрушении изделий и изменении жесткости резонатора вызывает отклонение амплитуды ускорения резонатора (нагрузки на изделия) от первоначально установленного значения. При ручной регулировке нагрузки получают низкую точность результатов испытаний изделий.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для усталостных испытаний изделий на резонаторах, содержащее вибровозбудитель, закрепленный на его столе резонатор с датчиком ускорения, выход которого через согласующий усилитель соединен с первым входом регулируемого усилителя, второй вход регулируемого усилителя подключен к выходу генератора, выход регулируемого усилителя соединен с входом усилителя мощности, выход которого подключен к вибровозбудителю и счетчику циклов, а регистратор отказа связан с испытуемыми изделиями, закрепленными на резонаторе [2].

Контроль повреждений изделий может осуществляться электрическими или бесконтактными методами.

Недостатком этого устройства для испытания изделий является то, что область их применения ограничивается узким диапазоном изменения резонансной частоты резонатора, в пределах которого обеспечивается устойчивая работа устройства. При превышении указанного диапазона система стабилизации уровня виброускорения выведет устройство на предельный режим, при котором происходит срыв заданного уровня виброускорения и аварийное отключение устройства. Это приводит к снижению надежности и достоверности результатов испытаний.

Отмеченные недостатки вызваны тем, что испытания проводят на фиксированной частоты f_в возбуждения, равной первоначальной резонансной частоте f_в1 резонатора (фиг. 1). С течением времени резонансная частота изменяется и достигает значения f_o2. В результате происходит смещение амплитудно-частотной характеристики резонатора (кривая Б) от первоначального положения (кривая А). Так как установлена частота f_в = f_o1, то для обеспечения заданной амплитуды ускорения а_3р резонатора устройство увеличивает амплитуду ускорения стола вибровозбудителя, чтобы компенсировать снижение ускорения резонатора на величину Δ а₂. Соответственно возрастает и потребление энергии устройством. При больших значениях Δ а₁ устройство перегружается и происходит нарушение режима стабилизации уровня нагрузки на изделия.

Цель изобретения - расширение области применения, повышение надежности и точности испытаний, уменьшение энергетических затрат.

Цель достигается тем, что в состав известного устройства, содержащего вибровозбудитель, закрепленный на его столе резонатор с датчиком ускорения, выход которого через согласующий усилитель соединен с первым входом регулируемого усилителя, второй выход регулируемого усилителя подключен к выходу генератора, выход регулируемого усилителя соединен с входом усилителя мощности, выход которого подключен к вибровозбудителю и счетчику циклов, а регистратор отказа связан с испытуемыми изделиями, закрепленными на резонаторе, дополнительно введены фазовый детектор, фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока и блок управления, причем выход генератора соединен с первым входом фазового детектора, второй вход фазового детектора соединен с выходом согласующего усилителя, выход фазового детектора через фильтр нижних частот подключен к входу усилителя постоянного тока, выход которого подключен к первому входу генератора, второй вход генератора соединен с первым выходом блока управления, а второй выход блока управления подключен к третьему входу регулируемого усилителя.

Сущность изобретения заключается в автоподстройке частоты генератора к резонансной частоте резонатора с одновременной стабилизацией уровня виброускорения. При этом обеспечивается требуемый резонансный режим колебаний резонатора при минимальных энергетических затратах, а также поддержание заданного режима при изменении резонансной частоты резонатора. Надежность и точность испытаний повышается за счет постоянства нагрузки на изделие в широком диапазоне частот.

Соединенные между собой датчик, согласующий усилитель, фазовый детектор, фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока, генератор, регулируемый усилитель, усилитель мощности и вибровозбудитель с закрепленным на его столе резонатором образуют систему фазовой автоподстройки частоты генератора к резонансной частоте резонатора.

Одновременно осуществляется стабилизация заданного уровня виброускорения за счет соединенных между собой датчика, закрепленного на резонаторе, согласующего усилителя, генератора, усилителя мощности и вибровозбудителя, которые образуют систему стабилизации уровня виброускорения.

На фиг. 1 приведены амплитудно-частотные характеристики резонатора; на фиг. 2 - структурная схема устройства для испытаний изделий на резонаторах.

Устройство для усталостных испытаний и изделий на резонаторах содержит вибровозбудитель 1, на столе которого закреплен резонатор 2 с приспособлением 3 для изделий 4, а на приспособлении закреплен датчик 5 ускорения. Кроме того имеется согласующий усилитель 6, регулируемый усилитель 7, генератор 8, усилитель 9 мощности, счетчик 10 циклов, регистр 11 отказа, фазовый детектор 12, фильтр 13 нижних частот, усилитель 14 постоянного тока и блок 15 управления.

Выход согласующего усилителя 6 соединен с первым входом фазового детектора 12, а на второй вход подается сигнал с выхода генератора 8 управляемого напряжения. Выход фазового детектора 12 подключен к входу фильтра 13 нижних частот, а его выход соединен с входом усилителя 14 постоянного тока, выход которого подключен к первому входу генератора 8.

Блок управления предназначен для изменения частоты генератора 8, управляемого напряжением, и коэффициента усиления регулируемого усилителя 7.

Генератор 8, управляемый напряжением, имеет зависимость частоты выходного сигнала f_вых от управляющего напряжения U_упр. Для увеличения точности установки частоты возбуждения вибровозбудителя 1, соответствующей резонансной частоте резонатора 2, требуется линейная зависимость между частотой генератора 8 и углом поворота движка резистора установки частоты блока 15 управления (БУ). Для этого в БУ имеется функциональный преобразователь А, который формирует на выходе напряжение U_вых.А в зависимости от угла ϕ. В диапазоне изменения частоты генератора 8 подбирается функция U_вых.А = f(ϕ ) таким образом, чтобы зависимость частоты выходного сигнала ϕ генератора от угла поворота движка переменного резистора установки частоты была линейной.

Аналогичную задачу решает функциональный преобразователь В, который обеспечивает линейную зависимость между амплитудой А виброускорения на резонаторе и углом ϕ поворота движка переменного резистора установки амплитуды. Для этого зависимость выходного напряжения U_вых функционального преобразователя В от угла ϕ подобрана так, что при соответствующей нелинейной зависимости коэффициента усиления К_ус регулируемого усилителя 7 от величины управляющего напряжения U_упр.В обеспечивается требуемая линейная зависимость.

В функциональных преобразователях А В применяются транзисторы VТ1 типа КТ 3107, VТ2-Кт 3102. Использованы микросхемы ДАI типа К544УД1А, полупроводниковые диоды типа КД 514А, резисторы МЛТ-0,125 и СП-23А.

В качестве генератора 8 применен генератор, управляемый напряжением, имеющий два входа регулирования.

Генератор 8 генерирует гармонический сигнал, частота которого является функцией входных напряжений U_вх1 и U_вх2. Изменяя U_вх2, приложенное с блока 15 управления, находят резонанс резонатора. При попадании частоты генератора в полосу захвата ФАПЧ последняя вырабатывает управляющее напряжение, под воздействием которого частота генератора 8 оказывается равной частоте резонанса резонатора 2.

Настройка устройства осуществляется при разомкнутой цепи автоматического поддержания заданной амплитуды ускорения резонатора. Для этого разрывается связь между усилителями 6 и 7, тем самым размывается цепь обратной связи, обеспечивающей поддержание виброускорения на резонаторе 2. На блоке 15 управления задается минимальное значение виброускорения, которое может обеспечить вибровозбудитель 1. При этом регулируемый усилитель 7 имеет минимальный коэффициент усиления, а значит и напряжение на его выходе имеет минимальное значение, чем обеспечивается отсутствие перегрузки вибровозбудителя 1 при настройке устройства.

Изменяя на блоке 15 управления управляющее напряжение, приложенное к второму входу генератора 8, обеспечивается изменение частоты данного генератора. При попадании частоты генератора 8 в полосу захвата системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) данного генератора к резонансной частоте резонатора 2, фильтр нижних частот 13 выделяет постоянную составляющую сигнала фазового детектора 12. Усиленная усилителем 14 постоянного тока данная составляющая воздействует на генератор 8, управляемый напряжением. При этом его частота изменяется так, что фазовый сдвиг между колебаниями генератора 8 и резонатора 2 устанавливается равным 90^о. Ширина полосы захвата системы ФАПЧ выбрана в 2 раза шире резонансной полосы резонатора 2. Этим обеспечивается работоспособность устройства при разрушении объекта и вызванное им изменение фазовой передаточной функции резонатора 2. После срабатывания системы ФАПЧ восстанавливается связь между усилителями 6 и 7, затем задается требуемый уровень вибронагрузки из блока 15 управления.

Положительный эффект в предлагаемом изобретении достигается одновременной стабилизацией уровня виброускорения на резонаторе и автоподстройки частоты генератора 8 системы питания вибровозбудителя 1 к резонансной частоте резонатора 2,
В качестве информационного параметра в системе стабилизации уровня используется амплитуда сигнала согласующего усилителя 6, а в системе ФАПЧ - его частота и фаза. В рабочем диапазоне частот устройства (100-2000 Гц) на работу системы ФАПЧ амплитуда сигнала влияния не оказывает, так как данная амплитуда значительно превышает уровень шума.

В системе ФАПЧ в качестве фильтра нижних частот применен пропорционально-интегрирующий фильтр, обеспечивающий устойчивую работу системы ФАПЧ.

В случае срабатывания системы ФАПЧ в результате начальной настройки системы частота генератора 8 оказывается равной резонансной частоте резонатора 2, и для обеспечения требуемого уровня виброперегрузки работает система стабилизации на фиксированной и в некотором промежутке времени частоте генератора 8. В этом случае набор блоков устройства с точки зрения функционирования соответствует прототипу. При возмущениях в системе, вызванных деградацией резонатора или объекта испытаний, система ФАПЧ срабатывает значительно быстрее, чем система поддержания уровня, т.е. взаимное влияние основных контуров регулирования в устройстве практически отсутствует.

Устройство работает следующим образом.

При вхождении в резонанс резонатора 2 фазовый детектор 12 вырабатывает сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу между колебаниями резонатора 2 и генератора 8, из которого фильтром 13 нижних частот выделяется постоянная составляющая, усиливаемая усилителем 14 постоянного тока, и придается на первый вход генератора 8, который так изменяет частоту своих колебаний, что фазовый сдвиг между колебаниями резонатора 2 и генератора 8 становится равным 90^о. Данный сдвиг соответствует рабочей точке фазового детектора 12.

При фазовом сдвиге в 90^о между колебаниями резонатора 2 и генератора 8 амплитуда резонансных колебаний резонатора достигает максимального значения. Величина амплитуды ускорения резонатора 2, при которой испытывают изделия 4, задается блоком 15 управления, второй вход которого подключен к третьему входу регулируемого усилителя 7. При отклонении амплитуды ускорения резонатора от заданного блоком 15 управления значения изменяется величина напряжения на выходе датчика 5 ускорения, которое меняет уровень сигнала согласующего усилителя 6, подаваемого на первый вход регулируемого усилителя 7, который так изменяет коэффициент усиления, что величина заданной амплитуды ускорения резонатора 2 остается неизменной. Частота возбуждения вибровозбудителя 1 первоначально устанавливается на резонансной частоте резонатора 2 с помощью блока 15 управления, первый выход которого подключен к второму входу генератора 8.

Любое изменение режима колебаний резонатора 2 вызывает отклонение фазового сдвига от 90^о между колебаниями резонатора и генератора 8. При этом на выходе фазового детектора 12 появляется сигнал, пропорциональный рассогласованию фаз колебаний, который проходит через фильтр 13 нижних частот и усилитель 14 постоянного тока и так изменяет частоту колебаний генератора 8, что фазовый сдвиг в 90^о восстановится. Если собственная частота резонатора увеличивается (уменьшится), то ФАПЧ увеличит (уменьшит) и частоту генератора 8 до частоты резонанса резонатора 2 при условии, что изменение частоты не превышает полосу удержания ФАПЧ. Для исключения этого нежелательного явления в устройстве полоса удержания выбирается в 1,9 раза шире резонансной полосы резонатора. А так как масса испытываемых объектов в 2 раза меньше массы резонатора, то при самых неблагоприятных условиях в процессе испытаний на резонаторе 2 изменение резонансной частоты резонатора не превышает полосу удержания ФАПЧ. Одновременно система стабилизации уровня виброускорения обеспечит заданную амплитуду ускорения резонатора 2 при минимальной амплитуде ускорения стола вибровозбудителя 1.

Счетчик 10 циклов подсчитывает число изменений нагрузки на изделия при их испытании, а регистр 11 отказа позволяет регистрировать повреждение изделий. Контроль за состоянием изделий может осуществляться электрическими или бесконтактными методами.

В качестве резонатора 2 может использоваться резонатор для вибрационного испытательного стенда.

Эффективность устройства заключается в повышении надежности и точности испытаний за счет постоянства нагрузки на изделие в широком диапазоне частот, а также в создании и поддержании требуемого резонансного режима колебаний резонатора при минимальных энергетических затратах.

Использование: механические испытания изделий, в частности вибрационные усталостные испытания изделий. Цель - расширение области применения, повышение надежности и точности испытаний, уменьшение энергетических затрат. В устройство, содержащее схему автоматического поддержания амплитуды ускорения, введена система фазовой автоподстройки частоты. Стабилизация уровня нагрузки на изделия производится одновременно с подстройкой частоты возбуждения на резонансную частоту резонатора, изменяющуюся в процессе испытаний. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПАРТИИ ИЗДЕЛИЙ НА РЕЗОНАТОРАХ, содержащее вибровозбудитель, закрепленный на его столе резонатор с датчиком ускорения, последовательно соединенные согласующий усилитель, регулируемый усилитель, усилитель мощности и счетчик циклов,вход которого соединен с входом вибровозбудителя, генератор, выход которого соединен с вторым входом регулируемого усилителя, регистр отказа, связываемый с испытуемыми изделиями, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия испытаний, оно снабжено последовательно соединенными фазовым детектором, фильтром нижних частот и усилителем постоянного тока, блоком управления, выходы которого соединены соответственно с входами регулируемого усилителя и генератора, выход усилителя постоянного тока соединен с входом генератора, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом согласующего усилителя.