ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ВИБРОСТЕНД Российский патент 1998 года по МПК G01M7/06 

Заявляемое изобретение относится к технике вибрационных испытаний, а именно к стендам для испытаний объектов на вибрационные нагрузки, действующие по двум ортогональным направлениям.

Известные конструкции вибростендов содержат неподвижное основание, подвижную часть с испытуемым объектом и возбудителями, соединенными с подвижной частью. Наиболее существенными недостатками этих вибростендов является резкое усложнение их конструкции по сравнению с однокомпонентными вибростендами. Это усложнение обусловлено необходимостью исключения связности колебаний, возбуждаемых в различных направлениях [1, стр. 8 - 10].

Наиболее близким техническим решением (прототипом) по совокупности существенных признаков является вибростенд, описанный в книге [2, стр. 18, рис. 1.4].

Вибростенд состоит из неподвижного основания (каркаса), подвешенной к этому основанию рамы, на которой расположены подвижная плита и рабочий стол с испытуемым объектом, а также возбудители вибрации. Для воспроизведения двухкоординатной поступательной вибрации в вертикальном и горизонтальном направлениях в прототипе нужно включить только два вибровозбудителя [например, возбудители 8 и 10, 2 на рис. 1.4]. В этом случае двухкоординатное движение плиты с рабочим столом обеспечивается вертикальным движением рамы по вертикальным направляющим и горизонтальным перемещением плиты вместе с рабочим столом и испытуемым объектом по горизонтальной направляющей, закрепленной на раме. В совокупности плита с рабочим столом и испытуемым объектом, а также рама, по которой в направляющих перемещается плита, образуют подвижную часть вибростенда.

Недостатками данного вибростенда является сложность его конструкции, обусловленная необходимостью устранения связности различных движений подвижной части. Устранение связности движений позволяет обеспечить необходимую точность воспроизведения многокоординатной вибрации наиболее простой системой управления вибровозбудителями с раздельным регулированием параметров вибрации по различным координатам.

Динамическая связность различных движений в многокоординатных вибростендах появляется вследствие того, что линии действия равнодействующих сил упругости, демпфирования и вибровозбуждающих сил, создаваемых вибровозбудителями, не проходят через общий центр масс системы "подвижная часть + испытуемый объект" [1, стр. 98 - 99].

Например, при возбуждении горизонтальных вибраций общий центр масс системы "подвижная часть + испытуемый объект" лежит выше линии действия вибровозбуждающей силы. В этом случае появляется момент сил инерции, возбуждающий паразитные угловые колебания подвижной части с испытуемым объектом.

Для предотвращения динамической связности различных возбуждаемых движений в прототипе используются жесткие направляющие, обеспечивающие в идеале (если пренебречь зазорами) только однокоординатное движение. Однако при этом подвижная часть вибростенда имеет сложную конструкцию и содержит раму, движущуюся по вертикальным направляющим, и плиту, движущуюся по горизонтальным направляющим закрепленным на раме.

Перед нами стоит техническая задача упрощения конструкции вибростенда с исключением связности колебаний по различным координатам. Выше указывалось, что для исключения связности движений необходимо, чтобы равнодействующие сил упругости, демпфирования и вибровозбуждающих сил проходили через общий центр масс системы "подвижная часть + испытуемый объект" [1, стр. 98 - 99]. Для различных по массе испытуемых объектов общий центр масс системы "подвижная часть + испытуемый объект" изменяет свое положение. Отсюда следует, что для обеспечения вышеуказанных условий развязывания колебательных движений по различным координатам необходимо изменять места присоединения вибровозбудителей и места крепления упругих элементов к подвижной части и неподвижному основанию.

Если обеспечить условия отсутствия связности движений, то можно отказаться от направляющих и выполнить подвижную часть в виде единой монолитной конструкции. Это существенно упрощает конструкцию вибростенда. При этом упругий подвес, например, двухкоординатного вибростенда должен позволять возбуждать вибрации подвижной части в двух направлениях (в вертикальном и горизонтальном).

Поставленная задача решается в заявленном вибростенде следующим образом.

Упругий подвес выполнен из четырех упругих модулей с идентичными упругими и демпфирующими свойствами. Каждый упругий модуль состоит из двух стоек и двух закрепленных в стойках эквидистантно друг другу отрезков тросов одинаковой длины. Один конец каждого троса закреплен перпендикулярно к одной стойке, а другой конец того же троса закреплен наклонно к другой стойке.

Подвижная часть выполнена в виде единой жесткой конструкции - платформы с основанием (рабочим столом) для крепления испытуемого объекта и боковыми стенками. К стенкам платформы с внешней стороны, попарно с двух сторон друг против друга установлены стойки упругих моделей, к которым концы тросов закреплены перпендикулярно. Другие стойки тех же модулей прикреплены к неподвижному основанию. Стойки упругих модулей установлены вертикально и параллельно друг другу. В этом случае тросовые элементы испытывают изгибные деформации и имеют наименьшую жесткость при вертикальном и одном из горизонтальных направлений перемещения подвижной части. Эти перемещения являются для заявляемого вибростенда рабочими.

Для обеспечения условий несвязности движений стойки упругих модулей прикреплены к боковым стенкам платформы и неподвижному основанию с возможностью вертикального установочного перемещения.

Вибрации в вертикальном и горизонтальном направлениях возбуждаются с помощью двух дебалансных (центробежных) вибровозбудителей. Один вибровозбудитель прикреплен к основанию платформы и возбуждает колебания в вертикальном направлении. Второй вибровозбудитель прикреплен к боковой стенке платформы и возбуждает колебания в горизонтальном направлении. Этот вибровозбудитель размещен на боковой стенке платформы с возможностью вертикального установочного перемещения.

Установкой положения вибровозбудителя и упругих модулей относительно платформы обеспечиваются указанные выше условия отсутствия связности колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Тросовые элементы прикреплены наклонно к стойкам, которые установлены на неподвижном основании. Благодаря этому тросовые элементы, нагруженные платформой с испытуемым изделием (объектом) в положении статического равновесия, обеспечивают вертикальное положение стойкам, прикрепленным к боковым стенкам платформы. Это достигается тем, что момент силы тяжести платформы с испытуемым объектом относительно центров поворота упругих элементов уравновешиваются моментами, создаваемыми за счет предварительной статической деформации тросов при повороте их концов.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый вибростенд обладает следующими существенными новыми признаками: упругий подвес образован парами упругих модулей, каждый из которых состоит из двух стоек и двух одинаковых по длине отрезков тросов, закрепленных эквидистантно друг другу между стойками; каждый отрезок троса прикреплен неподвижно одним концом перпендикулярно стойке, а другим концом наклонно к другой стойке; платформа вибростенда выполнена с боковыми стенками, на которых с внешней стороны попарно с двух сторон установлены стойки упругих модулей с перпендикулярно закрепленными отрезками тросов; вибровозбудитель для возбуждения горизонтальной вибрации размещен на боковой стенке с возможностью вертикального установочного перемещения; стойки каждого упругого модуля установлены с возможностью вертикального установочного перемещения.

Заявителем просмотрена техническая документация по МКл G 01 M, B 06 B, УДК 681513, УДК 62017, УДК 534232.

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области, т. е. испытательных вибростендов, а также в смежных областях (возбудители технологической вибрации) позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков сходных с существенными признаками заявляемого вибростенда.

Предложенная совокупность отличительных существенных признаков представляет новое решение поставленной задачи и соответствует изобретательскому уровню.

На фиг. 1 представлен вид вибростенда сбоку; на фиг. 2 - вид сверху; на фиг. 3 - вид вибростенда по стрелке А.

Вибростенд содержит неподвижное основание 1 и платформу 2, которая выполнена в виде единой жесткой конструкции, состоящей из основания платформы 3 и боковых стенок 4. К основанию платформы 3 неподвижно крепится испытуемый объект 5. Платформа 2 с неподвижным основанием 1 соединены с помощью четырех упругих модулей 6. Каждый модуль 6 содержит две стойки 7 и 8, к которым неподвижно прикреплены эквидистантно друг другу два отрезка троса 9 одинаковой длины, при этом концы отрезков тросов 9 к стойке 7 крепятся перпендикулярно, а к стойке 8 наклонно. Угол наклона выбирается из условия, чтобы стойки 7 и 8 были параллельны в положении статического равновесия платформы 2 с испытуемым объектом 5.

Для различных по массе испытуемых объектов 5 используются упругие модули 6 с различными диаметрами тросов 9 и различными углами наклона при их креплении к стойкам 8.

Стойки 7 прикреплены к боковым стенкам 4 платформы 2, а стойки 8 к неподвижному основанию 1 с возможностью вертикального установочного перемещения. Установочное перемещение осуществляется дискретно за счет смены винтовых отверстий в боковых стенках 4 и плавно за счет пазов в стойках 7 и 8.

Для возбуждения горизонтальных колебаний платформы 2 в направлении Х использован вибровозбудитель 10 дебалансного (центробежного) типа. Вибровозбудитель прикреплен к боковой стенке 4 платформы 2 с возможностью вертикального установочного перемещения. Установочное перемещение осуществляется способом, аналогичным описанному выше для стоек 7 и 8 упругих модулей 6.

К основанию платформы 3 прикреплен дебалансный вибровозбудитель 11 для возбуждения вертикальных колебаний в направлении оси Z.

Конструкции вибровозбудителей дебалансного (центробежного) типа, используются в низкочастотных вибрационных установках [3, стр. 194-199].

Ось CZ - вертикальная ось жесткости и демпфирования упругого подвеса платформы 2, состоящего из четырех модулей 6; оси CX и CY - горизонтальные оси жесткости и демпфирования упругого подвеса. При одинаковых по конструкции модулях 6 и симметричности их крепления к боковым стенкам 4 ось жесткости и демпфирования CY совпадает с продольной плоскостью симметрии платформы 2. В этой плоскости будет лежать центр жесткости и демпфирования упругого подвеса (точка С) Положение центра жесткости и демпфирования упругого подвеса по высоте вдоль оси Z относительно основания платформы 3 при различных положениях стоек 7 и 8 определяется экспериментально после изготовления стенда и отмечается в технической документации на стенд [4, стр. 50 - 55].

Вибровозбудитель 10 крепится к боковой стенке 4 так, чтобы линия вибровозбуждающей силы совпадала с осью СХ; вибровозбудитель 11 крепится к основанию платформы 3 так, чтобы линия действия его вибровозбуждающей силы совпадала с осью CZ.

Общий центр масс системы "платформа 2 + вибровозбудители 10 и 11 + испытуемый объект 5" определяется расчетом или экспериментально известными методами [5, стр. 308].

Изменением мест крепления стоек 7 и 8 модулей 6 обеспечивается смещение центра жесткости и демпфирования в вертикальной плоскости, т.е. чтобы обеспечить совмещение центра жесткости с общим центром масс. После регулировки, обеспечивающей совмещение общего центра масс системы "платформа 2 + вибровозбудители 10 и 11 + испытуемый объект 5" и центра жесткости упругого подвеса, а также прохождения через центр жесткости линии действия вибровозбуждающих сил, создаваемых вибровозбудителями 10 и 11, вибростенд готов для воспроизведения двухкоординатных вибраций.

Вибростенд работает следующим образом. Устанавливают необходимые режимы горизонтальных и вертикальных вибраций и включают вибровозбудители 10 и 11. При этом возбуждаются горизонтальные (вдоль оси CX) и вертикальные (вдоль оси CZ) колебания платформы 2 вибростенда с испытуемым объектом 5.

С помощью вертикальных установочных перемещений упругих модулей 6 и вибровозбудителя 10 перед испытаниями обеспечиваются условия несвязности возбуждаемых вибраций. Вследствие этого достигается необходимая точность воспроизведения режимов вибрации и их независимое регулирование в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Стенд прост в изготовлении и установке. Прошел экспериментальную проверку в лаборатории Новосибирского электротехнического института связи с положительными результатами.

Источники информации
1. Божко А.Е., Гноевой А.В., Шпачук В.П. Пространственное вибровозбуждение. Киев: Наукова думка, 1987 г, с. 8 - 10.

2. Баранов В.К. Электрогидравлические следящие приводы вибрационных машин. М.: Машиностроение. 1988 г., с. 18, рис. 1.1.

3. Ленк А., Ренитц Ю. Механические испытания приборов и аппаратов. М.: Мир. 1976.

4. Колебания силового агрегата автомобиля. М.: Машиностроение, 1976.

5. Ильинский В.С. Защита аппаратов от динамических воздействий. М.: Энергия. 1970.

Вибростенд предназначен для испытания изделий на двухкоординационную поступательную вибрацию в вертикальной плоскости. Платформа 2, на которой устанавливается испытуемое изделие, упруго подвешена к неподвижному основанию 1 с помощью двух пар упругих модулей 6. Каждый из модулей состоит из двух стоек 7, 8 и двух эквидистантных отрезков троса 9. Стойки 7 установлены на боковых стенках платформы, а стойки 8 на - основании 1. Концы тросов закреплены в стойке 7 перпендикулярно ей, а в стойке 8 - наклонно. На боковой стенке платформы размещен вибровозбудитель 10 для возбуждения горизонтальной вибрации, а на основании платформы - вибровозбудитель 11 для возбуждения вертикальной вибрации. Вибровозбудитель 10 и стойки каждого модуля имеют возможность вертикального установочного перемещения. Это обеспечивает возможность совмещения центра жесткости упругого подвеса с центром масс подвижной системы и прохождения линии действия вибровоздуждающей силы через общий центр масс и жесткости подвижной системы. При использовании вибростенда исключается связность вибраций по воспроизводимым координатам. 3 ил.

Двухкоординатный вибростенд, содержащий неподвижное основание, платформу для установки испытуемого изделия, соединенную с основанием посредством упругого подвеса, и установленные на платформе вибровозбудители, отличающийся тем, что упругий подвес образован парами упругих модулей, каждый из которых состоит из двух стоек и двух эквидистантных отрезков троса, закрепленных в одной стойке перпендикулярно ей, а в другой - наклонно, платформа выполнена с боковыми стенками, на которых с внешней стороны попарно установлены стойки упругих модулей с перпендикулярно закрепленными отрезками тросов, вибровозбудитель для возбуждения горизонтальной вибрации размещен на боковой стенке платформы, при этом он и стойки каждого упругого модуля установлены с возможностью вертикального установочного перемещения.