УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОВТОРНЫХ УДАРОВ СТОЛА УДАРНОГО СТЕНДА Российский патент 2005 года по МПК G01M7/08 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к ударным испытательным стендам свободного падения.

Известен стенд для испытания изделий на удар, содержащий силовую раму с вертикальными направляющими, установленный в направляющих стол для закрепления испытуемого изделия, привод подъема стола, расположенный между столом и рамой формирователь ударного импульса и устройство для предотвращения повторных ударов, включающее установленный на столе корпус, приспособление для фиксации стола после отскока и размещенный в корпусе инерционный механизм включения этого приспособления, выполненный в виде установленного на оси неуравновешенного рычага, связанного с приспособлением с возможностью освобождения последнего при повороте рычага, приспособление для фиксации стола после отскока выполнено в виде расположенных друг напротив друга тормозных колодок и натянутой между ними ленты, концы которой прикреплены к силовой раме, одна из колодок связана с неуравновешенным рычагом, а вторая выполнена в виде установленного на корпусе ползуна, колодки соединены друг с другом с возможностью их совместного вертикального перемещения и горизонтального перемещения одной колодки относительно другой для зажима между ними ленты, а ось поворота рычага связана с корпусом самотормозящимся резьбовым соединением (см. а. с. СССР №1046638, МПК³ G 01 М 7/00, опубл. 07.10.83, бюл. №37).

Недостатком приспособления для фиксации стола после отскока, применяемого в этом стенде, является трудность подбора параметров неуравновешенного рычага и пружины, площадей ползуна и тормозной колодки, материалов с соответствующими коэффициентами трения для выполнения условия самозаклинивания при испытаниях изделий с различными массами и начальными скоростями торможения. Конструкция этого приспособления не обеспечивает свободный отскок стола с испытываемым изделием и не исключает заклинивания фиксирующих элементов даже во время действия нагружающего ударного импульса, что может сказаться на воспроизводимости ударных импульсов от испытания к испытанию.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для предотвращения повторных ударов стола ударного испытательного стенда свободного падения, включающее в себя связанный со столом механизм свободного хода в виде закрепленной на основании вертикальной штанги, цилиндрического корпуса с осевым отверстием, через которое пропущена штанга, с наклонными каналами, расположенными в них подпружиненными вверх шариками, контактирующих со штангой, и приспособление для приведения механизма свободного хода в рабочее состояние, которое выполнено в виде нажимной втулки с фланцем, верхний и нижний торцы которого имеют с диаметрально противоположных сторон скошенные поверхности, и двуплечего рычага, одно плечо которого при падении стола взаимодействует с изогнутой пластиной, установленной на основании, а другое плечо, выполненное в виде двух серповидных элементов, служит для перемещения втулки. При падении стола вниз мимо изогнутой пластины поворот плеча не приводит к подъему втулки. При отскоке двуплечий рычаг поворачивается и поднимает втулку, в результате чего шарики заклиниваются между корпусом и штангой в верхней точке отскока (см. а. с. СССР №1422042, МПК⁴ G 01 M 7/00, опубл. 07.09.88, Бюл. №33).

Недостатками этого устройства для предотвращения повторных ударов являются сложность задания и поддержания точной настройки механизма свободного хода, выполненного в виде двух серповидных элементов, каждый из которых взаимодействует с одной из скошенных поверхностей фланца нажимной втулки, поскольку хотя бы один из двух серповидных элементов при воздействии ударной нагрузки высокого уровня может пластически деформироваться из-за консольного закрепления. Устройство для предотвращения повторных ударов не будет работать, если наклон каналов, в которых расположены шарики, по отношению к вертикальной направляющей будет больше угла трения для шарика и заклинивающих поверхностей направляющей и канала. Кроме того, работа приспособления для приведения механизма свободного хода в рабочее состояние возможна при ограниченных скоростях падения стола вниз мимо изогнутой пластины, а для возможных, но различных скоростей падения стола, требуется перенастройка приспособления.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в разработке устройства, удерживающего стол ударного испытательного стенда свободного падения с испытуемым изделием в верхней точке отскока и предотвращающим тем самым повторные соударения стола при испытании конструкций без ограничения их массы и в практически неограниченном диапазоне начальных скоростей торможения.

Технический результат, который может быть получен в результате использования заявляемого устройства, состоит в надежном обеспечении без промежуточных настроек строго однократного приложения к исследуемым конструкциям произвольной массы различных по величине импульсов ударной нагрузки, а также в определении высоты отскока стола ударного испытательного стенда свободного падения необходимой для определения длительности активной части формируемого стендом ударного импульса, а также для возможной корректировки показаний, используемых при испытаниях акселерометров.

Указанная техническая задача решается с помощью устройства, содержащего закрепленный на столе ударного испытательного стенда свободного падения корпус с осевым цилиндрическим отверстием под направляющую, вдоль которой перемещается устройство, размещенные внутри корпуса с возможностью контакта с направляющей подпружиненные вверх шарики, закрепленный на корпусе механизм переключения работы устройства с помощью установленной в отверстии корпуса с возможностью взаимодействия с шариками и перемещаемой вдоль направляющей нажимной втулки и фиксатора положения втулки.

В отличие от прототипа у заявляемого устройства осевое цилиндрическое отверстие в корпусе устройства выполнено переходящим в коническое с углом полураствора конуса, меньшим угла трения между шариком и поверхностями направляющей и конуса, т.е. в устройстве используется известное из физики явление самоторможения, когда "никакой силой, образующей с нормалью угол α меньше угла трения ϕ₀, тело вдоль шероховатой поверхности сдвинуть нельзя" [1]. На боковой поверхности нажимной втулки имеется верхнее и ряд нижележащих сквозных отверстий диаметром меньше диаметра шариков. Шарики размещены внутри полости, ограниченной конической поверхностью, напротив нижележащих отверстий нажимной втулки и частично входят в них. Фиксатор положения втулки снабжен корпусом, внутри которого под прямым углом друг к другу выполнены два отверстия, в одном из которых размещен с возможностью перемещения в горизонтальном направлении подпружиненный в сторону от направляющей шток с торцевым выступом, а в другом установлен с возможностью перемещения параллельно направляющей подпружиненный вверх инерционный элемент, выполненный с возможностью фиксации штока, при которой торцевой выступ штока совмещается с верхним отверстием нажимной втулки, а шарики контактируют с конической поверхностью отверстия корпуса и не касаются боковой поверхности направляющей.

Благодаря использованию совокупности всех признаков формулы устройства в верхней точке отскока стола стенда, когда скорость перемещения объекта испытаний относительно направляющей становится равной нулю, происходит заклинивание шариков между поверхностью направляющей и конической поверхностью в корпусе устройства, с которым подпружиненные вверх шарики находятся в постоянном контакте, и нагрузка от объекта испытаний через корпус устройства и шарики замыкается на направляющей. Таким образом, предлагаемое устройство безударно фиксируется на направляющей в верхней точке отскока и удерживает объект испытаний в этом положении. Для расклинивания шариков и обеспечения свободного перемещения объекта испытаний по направляющей после завершения опыта достаточно объект испытаний при помощи грузоподъемных приспособлений переместить вверх и привести устройство в начальное положение.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена схема испытаний на ударном стенде свободного падения.

На фиг.2 приведена схема приложения силы Р к телу, лежащему на шероховатой поверхности.

На фиг.3 изображена осциллограмма перегрузки при нагружении объекта испытаний в виде твердого тела

На фиг.4 изображено заявляемое устройство в разрезе в состоянии, когда нажимная втулка и элементы устройства, фиксирующие ее относительно корпуса, находятся в положениях, обеспечивающих свободный ход устройства вдоль направляющей как вниз, так и вверх.

На фиг.5 изображено заявляемое устройство в разрезе в состоянии, когда нажимная втулка освобождена и устройство может свободно перемещаться вверх по направляющей, но движение устройства вниз невозможно из-за заклинивания шариков.

Устройство для предотвращения повторных ударов стола ударного испытательного стенда свободного падения содержит закрепленный на столе 1 корпус 2 с осевым цилиндроконическим отверстием под направляющую 3 из металлической трубы или стержня, вдоль которой перемещается устройство. Внутри полости, ограниченной конической поверхностью 7 корпуса 2 вокруг направляющей 3 с возможностью контакта с ней, размещены подпружиненные вверх шарики 6. Шарики 6 подпружинены при помощи пружин 11 и поджимного кольца 8. Поджимное кольцо 8 с одной стороны имеет коническую поверхность 9 с углом полураствора конуса, меньшим 90°, для обеспечения скатывания шариков 6 к направляющей 3, а с другой стороны полые цилиндрические выступы 10, в которых размещены пружины 11. Поджимное кольцо 8 установлено в корпусе 2 при помощи обоймы 13. Обойма 13 закрепляется в корпусе 2 устройства с помощью резьбового соединения или другим способом. Пружины 11, упираясь в дно цилиндрических углублений 12 обоймы 13, в которых могут перемещаться выступы 10 поджимного кольца 8, обеспечивают постоянное поджатие шариков 6 к конической поверхности 7 отверстия (см. фиг.5).

Осевое цилиндрическое отверстие 27 в корпусе 2 устройства выполнено переходящим в коническое 28 с углом полураствора конуса, меньшим угла трения и находящимся в пределах 3...6° [2], чтобы обеспечить заклинивание шариков 6 между корпусом 2 устройства и направляющей 3 в верхней точке отскока стола 1 стенда.

Нажимная втулка 4 снабжена верхним 26 и рядом нижних 5 сквозных отверстий на боковой поверхности для равномерного распределения шариков 6 корпуса 2 устройства внутри полости, ограниченной конической поверхностью 7, напротив нижележащих отверстий 5 нажимной втулки 4 вокруг направляющей 3 в процессе перемещения объекта испытаний при подготовке эксперимента и при свободном падении объекта испытаний непосредственно в опыте.

Шарики 6, если обеспечить свободу перемещения нажимной втулки 4, удерживаются в постоянном контакте с конической поверхностью 7 внутри корпуса 2 и направляющей 3 поджимным кольцом 8. Диаметр нижележащих отверстий 26 меньше диаметра шариков 6.

На корпусе 2 устройства закреплен механизм переключения работы устройства с помощью установленной в осевом отверстии корпуса 2 с возможностью взаимодействия с шариками 6 и перемещаемой вдоль направляющей 3 нажимной втулки 4 и фиксатора положения втулки 4.

Фиксатор положения втулки снабжен корпусом 14, внутри которого под прямым углом друг к другу выполнены два отверстия, в одном из которых (сквозное отверстие 18) размещен с возможностью перемещения в горизонтальном направлении подпружиненный возвратной пружиной 22 в сторону от направляющей 3 шток 19 с торцевым выступом 25. В другом отверстии 29 установлен с возможностью перемещения параллельно направляющей 3 подпружиненный пружиной 15 вверх инерционный элемент 16 с фиксатором 17. В штоке 19 выполнена проточка 20 под фиксатор 17, а также полость 21, в которой помещена сжатая возвратная пружина 22.

Пружина 22 упирается в упор 23, жестко связанный с корпусом 2 устройства. Для возможности перемещения штока 19 внутри корпуса фиксатора 14 в пределах, ограниченных упором 23, в штоке 19 имеется сквозной паз 24. Выступ 25, который, входя в отверстие 26 на нажимной втулке 4, предотвращает возможное перемещение нажимной втулки 4 относительно корпуса 2 устройства. Расстояние между отверстиями 5 и отверстием 26 выбирается таким, чтобы при совмещении выступа 25 с отверстием 26 шарики 6, входящие в отверстия 5, не могли соприкасаться одновременно с конической поверхностью 7 корпуса 2 и цилиндрической поверхностью направляющей 3.

Устройство, изображенное на фиг.4 и 5, работает следующим образом. Предварительно устройство, путем перемещения нажимной втулки 4 вниз и ввода выступа 25 штока 19 в отверстие 26 нажимной втулки 4, приводится в начальное положение (см. фиг.4), которое позволяет устройству 2 перемещаться свободно по направляющей 3, поскольку в этом положении нажимная втулка 4 не дает возможности шарикам 6 одновременно касаться цилиндрической поверхности направляющей 3 и конической поверхности 7 корпуса 2. При этом пружины 11 и 22 сжимаются, а фиксатор 17 на инерционном элементе 16, под воздействием сжатой пружины 15, входит в проточку 20 и не позволяет выступу 25 штока 19 выйти из отверстия 26 нажимной втулки 4. После свободного сброса стола с объектом испытания с высоты Н и соприкосновения стола с тормозным устройством (см. фиг.1), на стол 1 и на закрепленное на нем устройство начинает действовать вверх нагрузка. Под действием этой нагрузки инерционный элемент 16 сжимает пружину 15 и фиксатор 17 выходит из проточки 20, освобождая тем самым шток 19, который под действием возвратной пружины 22, упирающейся в упор 23, перемещается вправо и выступ 25 выходит из отверстия 26, а нажимная втулка 4 приобретает способность свободно перемещаться относительно корпуса 2 устройства (см. фиг.5).

После воздействия импульса нагрузки, создаваемого обжимаемым на величину ΔН тормозным устройством стенда, за счет упругих сил как тормозного устройства, так и объекта испытания, происходит отскок стола 1 и закрепленного на нем устройства 2 вверх на высоту h (см. фиг.1). При этом поджимное кольцо 8 под воздействием пружин 11 отжимается вверх, обеспечивая одновременный контакт шариков 6 с цилиндрической поверхностью направляющей 3 и с конической поверхностью 7 корпуса 2 устройства. На протяжении всего времени перемещения устройства вверх по направляющей 3 до максимальной точки отскока практически не возникает какого-либо сопротивления этому перемещению, поскольку трением шариков 6 можно пренебречь. В верхней точке отскока, когда скорость перемещения испытательной сборки относительно направляющей 3 становится равной нулю, происходит заклинивание (с усилиями N=Р) шариков 6 между цилиндрической поверхностью направляющей 3 и конической поверхностью 7, с которыми шарики 6 находятся в постоянном контакте, и нагрузка T от объекта испытания через корпус 2 устройства и шарики 6 передается на направляющую 3 (см. фиг.5). Так посредством устройства стенд безударно фиксируются на направляющей 3 в верхней точке отскока. Для расклинивания шариков 6 и обеспечения свободного перемещения объекта испытания по направляющей 3 после завершения опыта достаточно стол 1 с помощью грузоподъемных приспособлений переместить вверх и привести устройство в начальное положение.

Использование заявляемого устройства, помимо строго однократного приложения к исследуемым конструкциям произвольной массы различных по величине импульсов ударной нагрузки, решает и вторую задачу, а именно: оно позволяет зафиксировать максимальную высоту отскока h. Данные о высоте свободного сброса Н стола с испытуемым изделием и высоте отскока h могут быть использованы для четкого разделения испытательного импульса τ (см. фиг.3) на активную часть τ_а (при торможении испытательной сборки) и пассивную τ_n (при разгоне в фазе отскока за счет упругих сил тормозного устройства и испытательной сборки), а также для уточнения калибровки акселерометров, которые, как правило, применяются при ударных испытаниях для контроля динамического поведения элементов объекта испытания.

Теорему об изменении количества движения системы при ударе [3] для случая нагружения, представленного на фиг.1, когда на систему в виде монолитного тела действует только одна внешняя сила от тормозного устройства, можно записать в следующем виде:

где m - масса нагружаемого тела;

g - гравитационное ускорение;

n(t) - осциллограмма перегрузки на жестком теле (см. фиг.3);

ΔV - изменение скорости жесткого тела в процессе нагружения, которое определяется из формулы

откуда получаем, что численно равный площади под осциллограммой перегрузки (см. фиг.3) импульс перегрузки I_n:

пропорционален изменению скорости нагружаемого тела, а именно:

Поскольку высоты H и h, определяющие величину изменения скорости ΔV, а также время t измеряются в опыте с погрешностью не более 1%, в то время как погрешность измерения амплитуды ударной перегрузки с помощью акселерометров может достигать существенно большей величины ≈20%, то с использованием масштабного коэффициента μ:

фактическую осциллограмму перегрузки n_ф(t) можно определить из зарегистрированной в опыте осциллограммы перегрузки n(t) по формуле:

n_ф(t)=μ·n(t).

Тогда длительность активной части импульса внешней нагрузки τ_а можно определить при численном интегрировании фактической осциллограммы перегрузки n_ф(t) во времени из равенства:

Использование предлагаемого изобретения позволит надежно обеспечивать без промежуточных настроек строго однократное приложение к исследуемым конструкциям произвольной массы различных по величине импульсов ударной нагрузки, а также определять высоту отскока стола ударного испытательного стенда свободного падения, необходимую для возможной корректировки показаний, используемых при испытаниях акселерометров, а также для определения длительности активной части формируемого тормозным устройством ударного импульса.

Список использованных источников

1. Аппель П. Теоретическая механика, т.2. М.: Физматгиз, 1960, стр.116.

2. Добровольский В.А., Заблонский К.И., Мак С.Л., Радчик А.С., Эрлих Л.Б. Детали машин. М.: Машгиз, 1959, стр.539.

3. Батуев Г.С., Голубков Ю.В., Ефремов А.К., Федосов А.А. Инженерные методы исследования ударных процессов. М.: Машиностроение, 1977.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к ударным испытательным стендам свободного падения. Устройство содержит закрепленный на столе ударного испытательного стенда корпус с осевым цилиндрическим отверстием под направляющую, вдоль которой перемещается устройство. Цилиндрическое отверстие в корпусе устройства выполнено переходящим в коническое с углом полураствора конуса, меньшим угла трения между шариком и поверхностями направляющей и конуса. На стенке нажимной втулки, размещенной между направляющей и отверстием в корпусе устройства, имеется верхнее и ряд нижележащих сквозных отверстий диаметром меньше диаметра шариков. Шарики размещены внутри полости, ограниченной конической поверхностью, и частично входят в нижележащие отверстия нажимной втулки. Фиксатор положения втулки снабжен корпусом, внутри которого под прямым углом друг к другу выполнены два отверстия, в одном из которых размещен с возможностью перемещения в горизонтальном направлении подпружиненный в сторону от направляющей шток с торцевым выступом, а в другом установлен с возможностью перемещения параллельно направляющей подпружиненный вверх инерционный элемент, выполненный с возможностью фиксации штока, при которой торцевой выступ штока совмещается с верхним отверстием нажимной втулки. При этом нажимная втулка теряет способность перемещаться вдоль отверстия в корпусе устройства и обеспечивает контакт шариков только с конической поверхностью отверстия в корпусе, несмотря на постоянное стремление поджимающего кольца обеспечить контакт шариков и с направляющей. Технический результат - обеспечение без промежуточных настроек строго однократного приложения к исследуемым конструкциям произвольной массы различных по величине импульсов ударной нагрузки; определение высоты отскока стола ударного испытательного стенда свободного падения, необходимой для возможной корректировки показаний используемых при испытаниях акселерометров, а также для определения длительности активной части формируемого тормозным устройством ударного импульса. 5 ил.

Устройство для предотвращения повторных ударов стола ударного стенда, содержащее закрепленный на столе корпус с осевым цилиндрическим отверстием под направляющую, вдоль которой перемещается устройство, размещенные внутри корпуса с возможностью контакта с направляющей подпружиненные вверх шарики, закрепленный на корпусе механизм переключения работы устройства с помощью установленной в осевом отверстии корпуса с возможностью взаимодействия с шариками и перемещаемой вдоль направляющей нажимной втулки и фиксатора положения втулки, отличающееся тем, что осевое цилиндрическое отверстие в корпусе устройства выполнено переходящим в коническое с углом полураствора конуса, меньшим угла трения, нажимная втулка снабжена верхним и рядом нижних сквозных отверстий на боковой поверхности, шарики размещены внутри полости, ограниченной конической поверхностью, напротив нижележащих отверстий нажимной втулки, диаметр которых меньше диаметра шариков, фиксатор положения втулки снабжен корпусом, внутри которого под прямым углом друг к другу выполнены два отверстия, в одном из которых размещен с возможностью перемещения в горизонтальном направлении подпружиненный в сторону от направляющей шток с торцевым выступом, а в другом установлен с возможностью перемещения параллельно направляющей подпружиненный вверх инерционный элемент, выполненный с возможностью фиксации штока, при которой торцевой выступ штока совмещается с верхним отверстием нажимной втулки, а шарики контактируют с конической поверхностью отверстия в корпусе устройства и не контактируют с боковой поверхностью направляющей.