ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВИБРОСТЕНД И ВИБРАТОР РЕЗОНАНСНОГО ТИПА Российский патент 2008 года по МПК G01M7/04 H04R17/00 

Изобретения относятся к испытательной технике, а именно к пьезоэлектрическим вибростендам и вибраторам резонансного типа, и могут быть использованы для вибрационных испытаний различных изделий, включая комплексные испытания приборов и датчиков в условиях одновременного воздействия широкополосной вибрации и интенсивных физических факторов различной природы (механической, электрической и тепловой).

Основная особенность комплексного воздействия вибрации и, в частности, линейного ускорения и температуры на приборы и датчики заключается в том, что их конструктивно-компоновочные параметры и характеристики индивидуальны (разнообразны и конструкции, и способы крепления) и могут существенно отличаться даже для одной модели в зависимости от упругодиссипативных и тепловых свойств объектов в месте ее крепления. Воздействие линейного ускорения из-за разных упругих свойств конструкционных материалов (модуля упругости и коэффициента Пуассона) может вызвать изменения объемно-напряженного состояния и контактной жесткости элементов приборов и датчиков, и особенно если их чувствительные элементы работают в резонансном режиме. Аналогично и колебания температуры внешней среды из-за разных тепловых свойств конструкционных материалов (температурных коэффициентов линейного расширения и модуля упругости) могут привести к деформациям и смещению элементов относительно друг друга. При одновременном же действии вибрации и линейного ускорения, а тем более температуры возможно возрастание интенсивности протекающих физико-механических процессов (например, увеличение амплитуды резонансных колебаний) или изменение их качественной картины (в том числе смещение резонансов, изменение формы амплитудно-частотной характеристики и др.). При раздельных испытаниях на вибрацию линейные ускорения, повышенную или пониженную температуру не всегда удается выявить особенности работы исследуемых приборов и датчиков по сравнению с условиями комплексных воздействий при эксплуатации. Это создает определенные затруднения при отработке приборов и назначении их технических характеристик, исходя из требований по вибрационной устойчивости и стойкости к дестабилизирующим внешним факторам. Поэтому при разработке приборов и датчиков следует ориентироваться на их комплексные исследования, включающие, по возможности, максимальное число дестабилизирующих факторов механической, тепловой и электрической природы.

В большинстве случаев такие испытания не проводятся из-за отсутствия портативных вибростендов, устойчивых к влиянию интенсивных физических факторов. Основная гамма промышленных вибростендов представлена электродинамическими преобразователями электрической энергии в энергию механических колебаний, которые в силу больших габаритов и массы не могут быть размещены в центрифугах и не выдерживают высокой температуры. В этой связи особую актуальность приобретает создание мощного (с амплитудой виброускорения единицы - десятки g), малогабаритного (массой до нескольких килограмм) и широкополосного (до 2 кГц) вибростенда, обладающего устойчивостью к повышенной (до плюс 200°С) и пониженной (до минус 60°С) температурам и стойкостью к различным дестабилизирующим физическим факторам (ударам, линейному ускорению, электростатическому полю высокой напряженности, грозовым разрядам и др.).

Наиболее перспективным и подходящим для жестких условий эксплуатации такого вибростенда является пьезоэлектрический принцип преобразования подведенной электрической энергии в энергию механических колебаний. Современная сегнетомягкая и средней жесткости пьезокерамика характеризуется высоким коэффициентом электромеханической связи (k₃₃≈0,53-0,8), широким температурным диапазоном (от минус 60°С до плюс 280°С и выше), достаточной механической прочностью (предел прочности на сжатие [σ_сж] не менее 280 МПа) и стойкостью к электромагнитным излучениям. Однако реализовать требуемый уровень вибрации в широком частотном диапазоне, и особенно в низкочастотной области (ниже 1000-500 Гц), практически достаточно сложно, потому что с уменьшением частоты коэффициент преобразования пьезоэлектрического вибратора понижается пропорционально квадрату частоты и для создания заданного колебательного ускорения амплитуда входного гармонического сигнала должна быть не менее нескольких единиц - десятков киловольт, что является трудной и специфичной задачей.

Известен пьезоэлектрический вибростенд [Авторское свидетельство СССР №1747977, МКИ⁵ G01М 7/04, «Пьезоэлектрический вибростенд», опубл. в БИ №26 от 15.07.92], содержащий в корпусе виброплатформу и вибратор из двух коаксиально установленных по рабочей оси полых пьезокерамических цилиндров, соединенных электрически параллельно с коммутацией электродов разной полярности. Внешний цилиндр одним торцом соединен с корпусом, а другим - с торцом внутреннего цилиндра. Второй торец внутреннего цилиндра соединен с виброплатформой. Данная конструкция обеспечивает сложение колебаний двух цилиндров, однако достигаемой амплитуды виброускорений недостаточно для комплексных испытаний приборов и датчиков.

Наиболее близким к изобретениям пьезоэлектрического вибростенда и вибратора резонансного типа по технической сущности является пьезоэлектрический вибростенд [Авторское свидетельство СССР №773966, МКИ Н04R 17/00, «Пьезоэлектрический вибростенд», опубл. в БИ №39 от 23.10.80], содержащий корпус в виде массивного основания, вибратор в виде пакета кольцевых пьезоэлементов, виброплатформу с кольцевым выступом на боковой поверхности, узел передачи колебаний, включающий опорный диск и поджимной шарик в выемках по центру опорного диска и виброплатформы. Узел передачи колебаний вместе со шпильками, соединенными с корпусом, одновременно выполняет функции средства центрирования виброплатформы относительно корпуса и вибратора. Одним торцом вибратор прижат к корпусу с помощью шпилек, а другим - соединен с виброплатформой через узел передачи колебаний. Увеличение верхнего предела виброускорений вибростенда достигается сложением колебаний пьезоэлементов в пакете и динамическим усилением при совпадении продольной резонансной частоты вибратора с резонансной частотой выступа виброплатформы, работающей на изгиб. Такой вибростенд обеспечивает большую по сравнению с аналогом амплитуду виброускорений, но при этом пригоден для работы лишь на одной частоте, что не позволяет его использовать для возбуждения широкополосной вибрации. При этом условие полного совпадения резонансных частот ограничивает возможность применения вибростенда для комплексных испытаний, и в частности, зависимость продольной резонансной частоты вибратора от уровня подведенного к пьезоэлементам постоянного электрического напряжения и от силы поджатия вибратора не допускает приложения электростатических полей и линейных ускорений. К тому же выполнение вибратора в виде пакета пьезоэлементов является неустойчивой конструкцией к поперечным механическим воздействиям.

Задача, решаемая изобретениями, направлена на создание вибростенда, предназначенного для комплексных испытаний различных приборов и датчиков с одновременным воздействием интенсивной широкополосной вибрации и внешних физических факторов различной природы, например повышенной или пониженной температуры, ударных или линейных ускорений, электростатического поля и др.

Техническим результатом изобретения пьезоэлектрического вибростенда является расширение частотного диапазона в условиях приложения внешних квазистатических механического и электрического полей, а его дополнительными техническими результатами - повышение устойчивости к поперечным механическим воздействиям и повышение технологичности конструкции.

Техническим результатом изобретения пьезоэлектрического вибратора резонансного типа является повышение стабильности резонансной характеристики в условиях приложения внешних квазистатических механического и электрического полей, а его дополнительными техническими результатами - расширение полосы пропускания, повышение устойчивости к поперечным механическим воздействиям и повышение технологичности конструкции.

Технический результат достигается тем, что в известном пьезоэлектрическом вибростенде, содержащем корпус, пьезоэлектрический вибратор, по крайней мере, с одним пьезоэлементом, виброплатформу для установки испытуемого прибора, связанную с вибратором через узел передачи колебаний, и средство центрирования виброплатформы относительно корпуса и вибратора, новым является то, что в вибратор дополнительно введен закрепленный в корпусе упругий элемент в виде диафрагмы, на которую установлен пьезоэлемент, радиус диафрагмы R выбран из условия

где α - эмпирический коэффициент, равный 3·10^-2 м·кг^-1/3;

m - масса испытуемого прибора, кг;

β - эмпирический коэффициент, равный 5·10^-2 м·кг^-1/3;

М - максимально допустимая масса вибростенда, кг;

при этом элемент передачи колебаний выполнен в виде стержня, соединенного с центральной частью диафрагмы, а средство центрирования виброплатформы выполнено в виде, по крайней мере, одной прорезной мембраны, имеющей центральную симметрию n - порядка, где n - простое число в диапазоне от 3 до 11, причем центральная часть мембраны соединена с виброплатформой, а периферическая - с корпусом.

Для повышения устойчивости к поперечным механическим воздействиям виброплатформа содержит кронштейн для крепления испытуемого прибора, устанавливаемый на вибростолик в виде ступенчатого диска, и втулку с фланцем, отверстие которой служит для крепления элемента передачи колебаний, причем меньшая торцовая поверхность вибростолика обращена к фланцу втулки, между которыми размещена мембрана средства центрирования виброплатформы, при этом составные элементы виброплатформы стянуты расположенными равномерно по окружности винтами, количество которых выбрано из ряда простых чисел в диапазоне от 3 до 11, а средство центрирования виброплатформы содержит пакет мембран.

Для повышения технологичности конструкции элемент передачи колебаний выполнен в виде резьбового цилиндра, на который навинчена виброплатформа, и дополнительно введена закрывающая вибратор крышка, соединенная с помощью винтов с корпусом и упругим элементом.

Для повышения стабильности резонансной характеристики в условиях приложения внешних квазистатических механического и электрического полей в известном пьезоэлектрическом вибраторе резонансного типа, содержащем, по крайней мере, один пьезоэлемент и элемент передачи колебаний, соединенный с испытуемым прибором, новым является то, что в вибратор дополнительно введен упругий элемент, включающий диафрагму, на которую установлен пьезоэлемент, упругий элемент имеет грибовидную форму, образованную плоской поверхностью диафрагмы, обращенной к пьезоэлементу кольцевым выступом, выполненным по краю диафрагмы в качестве элемента крепления к корпусу вибростенда, и опорой, представляющей собой элемент передачи колебаний, выполненный в виде стержня за одно целое с центральной частью диафрагмы, при этом толщина диафрагмы h выбрана из условия

где γ - эмпирический коэффициент, равный 2,4·10^-5 кг^-1/3м^1/3·Гц^-2/3;

m - масса испытуемого прибора, кг;

R - радиус диафрагмы, м;

F_виб - резонансная частота вибратора, Гц;

А - заданный относительный диапазон величины механического воздействия;

δ - эмпирический коэффициент, равный 3,4·10^-5 кг^-1/3м^1/3·Гц^-2/3.

Для расширения полосы пропускания в вибратор дополнительно введен соединенный с элементом передачи колебаний демпфер, содержащий одну пластину или их пакет, установленный с возможностью совершения изгибных колебаний, причем резонансная частота демпфера F_дем выбрана из условия ε·F_виб≤F_дем≤F_виб, где ε - эмпирический коэффициент, равный 0,8.

Для повышения устойчивости к поперечным механическим воздействиям и повышения технологичности конструкции пьезоэлектрический вибратор резонансного типа содержит набор равномерно расположенных по окружности пьезоэлементов, количество которых выбрано из ряда простых чисел в диапазоне от 3 до 11.

Расширение частотного диапазона в условиях приложения внешних квазистатических механического и электрического полей вибростенда достигается за счет использования изгибных колебаний вибратора (независимо от его типа) и его упругого подвеса на диафрагме упругого элемента и на мембране средства центрирования виброплатформы. При этом изгибные колебания создаются биморфным преобразователем, состоящим из пьезоэлемента и диафрагмы упругого элемента, и трансформируются центральной частью диафрагмы и элементом передачи колебаний в осевые колебательные движения виброплатформы, что обеспечивает высокий уровень вибраций при относительно малых габаритах и независимость амплитуды и формы колебаний от воздействующих механического и электрического факторов. Квазистатические воздействия могут вызвать изменения некоторых параметров, не характеризующих работоспособность вибростенда и не относящихся к его эксплуатационным характеристикам: статического прогиба биморфного преобразователя, осадки испытуемого прибора, уровня постоянных механических напряжений диафрагмы и пьезоэлемента, а также - статического электрического заряда на свободном электроде пьезоэлемента. Это позволяет возбуждать вибрационные колебания в широком диапазоне частот при использовании вибратора широкополосного типа и реализовать широкополосный вибростенд. При этом ограничениями нижней границы рабочего диапазона частот при прочих равных условиях (при равных амплитуде возбуждаемых виброускорений, конструктивно-компоновочных параметрах, воздействующих механических и электрических факторах, а также - уровне входного электрического сигнала) служат заданный минимальный уровень создаваемых вибраций, а ограничениями верхней границы - возбуждение зонтичных и веерных колебаний диафрагмы и мембран средства центрирования виброплатформы, характеризующихся существованием одного и более узловых диаметров и искажающих амплитудно-частотную характеристику вибростенда (АЧХ). В этой связи следует отметить, что прототип работает только на одной частоте, совпадающей с резонансной частотой виброплатформы, а приложение механических или электрических полей вызовет в нем изменение силы поджатия пакета пьезоэлементов и соответственно изменение его резонансной частоты и расстройку колебательной системы «вибратор - виброплатформа - испытуемый прибор». Тогда как рабочий диапазон заявляемого вибростенда ограничен только максимальной амплитудой входного электрического сигнала и искажениями АЧХ, вызванными нерабочими (паразитными) модами колебаний. Кроме того, при установке вибростенда в центрифугу или другое испытательное оборудование, представляющую собой колебательную систему с одной или несколькими степенями свободы, возможна реализация полосового режима работы как в случае использования вибратора широкополосного типа, так и при применении резонансного вибратора.

Выбор радиуса диафрагмы упругого элемента заявляемого вибростенда из условия обеспечивает заданный относительный диапазон величины механического воздействия и малогабаритность конструкции, при этом нижний предел определяется оптимальными соотношениями размеров диафрагмы и виброплатформы, способствующими достижению наибольшей прочности при заданной механической нагрузке, а верхний предел - максимальными габаритами вибростенда исходя из его максимально допустимой для комплексных испытаний массы.

Величина эмпирического коэффициента α, равная 3·10^-2 м·кг^-1/3, обусловлена следующим. Масса испытуемого прибора или датчика m пропорциональна его габаритным размерам с учетом плотности применяемых в нем материалов и компоновки его внутренних элементов. Причем наиболее близкой зависимостью между массой испытуемого прибора m и его размерами l является степенная пропорциональность с показателем 1/3: , где эмпирический коэффициент α получен из практического опыта создания и эксплуатации приборов и датчиков, и в частности, пьезоакселерометров, характеризующихся наиболее плотной компоновкой внутренних элементов и изготовленных из материалов, плотность которых сравнима с плотностью железа: пьезокерамика, стальные сплавы и бронзы. Принимая во внимание, что наиболее устойчивой к механическим воздействиям является конструкция вибростенда, у которой упругий подвес вибратора в поперечном (радиальном) направлении соизмерим с виброплатформой, а размеры виброплатформы, в свою очередь, определяются поперечными габаритами испытуемого прибора, то граничным условием является равенство радиуса диафрагмы упругого элемента R и поперечных размеров испытуемого прибора l, откуда следует, что . Менее компактные по сравнению с пьезоакселерометрами или изготовленные из легких конструкционных материалов (из алюминиевых или титановых сплавов) приборы и датчики характеризуются большими поперечными размерами l, следовательно, .

С другой стороны, масса m при прочих равных условиях прямо пропорциональна напряжениям изгиба диафрагмы упругого элемента σ˜m·h^-2, где h - толщина диафрагмы упругого элемента, и обратно пропорциональна собственной частоте вибратора [А.А.Баженов, В.И.Яровиков. Проектирование датчиков детонации для систем управления автомобильным двигателем: монография. - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2001, с.237-238]. Учитывая прямую пропорциональность допускаемых механических напряжений [σ] и обратную пропорциональность механических напряжений изгиба σ запасу механической прочности , после несложных преобразований можно получить математическую зависимость, связывающую собственную частоту вибратора F_виб, радиус диафрагмы упругого элемента R и массу испытуемого прибора m с прочностью самого нагруженного элемента вибростенда - упругого элемента: Данная связанность величин показывает, что при равной собственной частоте вибратора F_виб механическая прочность повышается с увеличением радиуса диафрагмы R.

При проведении комплексных испытаний с однократным механическим нагружением запас механической прочности N можно принять близким к единице, откуда получить зависимость относительного диапазона величины механического воздействия: , где σ_max - максимальные механические напряжения диафрагмы при работе вибростенда без внешнего механического воздействия (иллюстрацией к формулировке относительного диапазона А могут служить комплексные вибрационные испытания с одновременным воздействием линейных ускорений, при проведении которых величина механических напряжений σ_max определяется при возбуждении вибраций с максимальной амплитудой в условиях действия ускорения земного притяжения, а величина А показывает отношение максимальных по уровню линейных ускорений, которые выдерживает вибростенд, к единице g). После соответствующих преобразований можно получить математическую зависимость, связывающую эмпирический коэффициент α с относительным диапазоном А и собственной частотой вибратора где χ - эмпирический коэффициент, равный 1 м·Гц·кг^-1/3. Из анализа приведенной зависимости следует, что нижний предел радиуса диафрагмы предопределяет величину относительного диапазона А, а выбор выше этого предела способствует достижению наибольшей прочности при заданной механической нагрузке.

Величина эмпирического коэффициента β, равная 5·10^-2 м·кг^-1/3, обусловлена максимальными габаритами вибростенда L исходя из заданной максимально допустимой при комплексных испытаниях массы М и применения в качестве материалов корпусных деталей вибростенда (корпуса, крышки и т.п.) легких конструкционных металлов (алюминиевых сплавов): Вибростенды, изготовленные из более тяжелых по сравнению с алюминиевыми сплавами конструкционных материалов, характеризуются меньшими поперечными размерами L, следовательно, Данное соотношение способствует также реализации относительно небольших габаритов вибростенда, являющихся одним из необходимых условий проведения комплексных испытаний.

Выполнение элемента передачи колебаний в виде стержня, соединенного с центральной частью диафрагмы, обеспечивает трансформацию изгибных колебаний биморфного преобразователя в осевые колебательные движения виброплатформы.

Выполнение средства центрирования виброплатформы в виде, по крайней мере, одной прорезной мембраны, имеющей центральную симметрию n - порядка, где n - простое число в диапазоне от 3 до 11, и соединение центральной части мембраны с виброплатформой, а периферической - с корпусом, позволяет повысить верхнюю границу рабочего диапазона частот за счет снижения уровня нерабочих (поперечных и веерных) колебаний виброплатформы при механическом воздействии, приложенном в поперечном направлении. Прорезная мембрана средства центрирования виброплатформы по сравнению с биморфным преобразователем в осевом направлении обладает существенно большей податливостью и не мешает совершению рабочих колебаний вибратора. В поперечном же направлении прорезная мембрана характеризуется меньшей податливостью, что препятствует поперечным колебаниям виброплатформы. Выбор числа прорезей мембраны средства центрирования виброплатформы равного 3 или 5 или 7 или 11 и их равномерное расположение с поворотом относительно центра обеспечивает снижение уровня веерных колебаний, вызывающих искажения АЧХ вибростенда при отсутствии в конструкции упругого подвеса вибратора зеркально-осевой симметрии.

Выполнение средства центрирования виброплатформы в виде пакета мембран позволяет дополнительно уменьшить уровень поперечных колебаний виброплатформы при равной податливости в осевом направлении (при прочих равных условиях пакет тонких мембран имеет существенно меньшую жесткость на изгиб по сравнению с одной толстой мембраной, равной по толщине пакету), что обеспечивает повышение устойчивости вибростенда к поперечным механическим воздействиям.

Выполнение виброплатформы в виде сборной конструкции, содержащей кронштейн для крепления испытуемого прибора, а также вибростолик и втулку с фланцем, между которыми размещена мембрана средства центрирования виброплатформы, и выполнение вибростолика в виде ступенчатого диска, меньшая торцовая поверхность которого обращена к фланцу втулки, способствуют размещению средства центрирования виброплатформы в верхней части виброплатформы и соответственно приближению геометрического центра упругого подвеса к центру масс колебательной системы «испытуемый прибор - и подвижная часть вибростенда», который в силу соотношений масс и размеров в практическом большинстве случаев расположен выше середины виброплатформы. Это позволяет уменьшить уровень поперечных колебаний виброплатформы. Одновременно сборка виброплатформы с помощью 3 или 5 или 7 или 11 винтов, равномерно расположенных по окружности, способствует снижению уровня веерных колебаний виброплатформы при отсутствии зеркально-осевой симметрии элементов стяжки.

Выполнение элемента передачи колебаний в виде резьбового цилиндра, на который навинчена виброплатформа, позволяет повысить технологичность конструкции вибростенда за счет применения технологичных приемов сборки и изготовления деталей, характеризующихся простотой геометрической формы и унификацией. Соединение с помощью винтов закрывающей вибратор крышки с корпусом и упругим элементом позволяет одними винтами одновременно скреплять разные по своему функциональному назначению детали и тем самым уменьшить число монтажных элементов.

Повышение стабильности резонансной характеристики пьезоэлектрического вибратора резонансного типа в условиях приложения внешних квазистатических механического и электрического полей достигается дополнительно введенным в конструкцию упругим элементом, предопределяющим режим работы биморфного преобразователя на изгиб и независимость формы и уровня его колебаний от внешнего механического и электрического воздействия, а также выбором толщины диафрагмы, способствующим при прочих равных условиях обеспечению механической прочности вибратора. Введенный упругий элемент имеет грибовидную форму и выполнен за одно целое из составляющих его элементов: диафрагмы, кольцевого выступа по краю диафрагмы и центральной опоры в виде стержня. Диафрагма упругого элемента и пьезоэлемент в виде диска, установленный на плоскую поверхность диафрагмы, образуют биморфный преобразователь электрической энергии в изгибные колебания. Такая конструкция биморфного преобразователя обеспечивает выраженный резонанс с характерной для слабодемпфированных колебательных систем с одной степенью свободы формой АЧХ с динамическим подъемом на резонансной частоте не менее 30 дБ, что позволяет получить высокий уровень виброускорений в пределах полосы пропускания и стабильность резонансных свойств. Практические попытки видоизменения конструкции упругого элемента (выполнение из отдельных элементов, без кольцевого выступа или центральной опоры, соединение отдельных элементов между сваркой, склеиванием и др.) приводили к появлению дополнительных резонансов в пределах полосы пропускания, искажению формы АЧХ, разбросу характеристик от партии к партии и от образца к образцу. Особенностью заявляемого вибратора резонансного типа является стабильность резонансной характеристики, обеспеченная высокими упругими свойствами диафрагмы за счет монолитности (цельнометаллической конструкции) упругого элемента и минимума элементов и сопряжении на пути передачи колебаний от биморфного преобразователя к испытуемому прибору.

Воздействие внешних факторов механической и электрической природы увеличивает прогиб биморфного преобразователя, повышает уровень статических механических напряжений диафрагмы и пьезоэлемента и наводит электростатический потенциал на свободном электроде пьезоэлемента. Если прогиб преобразователя и электростатический потенциал в принципе не влияют на эксплуатационные характеристики, то увеличение механических напряжений биморфного преобразователя в определенной степени снижает механическую прочность вибратора. Это обстоятельство учтено в выборе толщины диафрагмы h из условия что позволяет при заданном относительном диапазоне величины механического воздействия А и известных массе испытуемого прибора m и радиусе диафрагмы R обеспечить необходимую прочность резонансного вибратора. Данное условие получено путем преобразования вышеприведенных зависимостей собственной частоты вибратора F_виб и относительного диапазона А. При этом эмпирический коэффициент γ, равный 2,4·10^-5 кг^-1/3м^1/3·Гц^-2/3, свойствен для вибраторов с упругим элементом из конструкционного материала с высокими упругими свойствами (из стального пружинного сплава с модулем упругости не менее 2·10¹¹ Н/м²), предназначенных для проведения комплексных испытаний с однократным механическим воздействием, когда коэффициент запаса механической прочности можно принять N≈1, а эмпирический коэффициент δ, равный 3,4·10^-5 кг^-1/3м^1/3·Гц^-2/3, характерен для вибраторов, применяемых для комплексных испытаний с многократным механическим нагружением, для которых запас механической прочности выбирается N>>1, или для вибраторов с упругим элементом из конструкционного материала с меньшим модулем упругости (из бронзы, сплава на основе меди и др.).

Введение соединенного с элементом передачи колебаний демпфера, содержащего одну пластину или их пакет с возможностью совершения изгибных колебаний с резонансной частотой F_дем, выбранной из условия ε·F_виб≤F_дем≤F_виб, обеспечивает расширение полосы пропускания. Это позволяет уменьшить влияние изменений контактной жесткости соединения «корпус вибростенда - кронштейн - корпус испытательного оборудования» на эксплуатационные характеристики: на резонансную частоту колебательной системы «вибратор - корпус вибростенда - кронштейн - корпус испытательного оборудования», и на амплитуду создаваемой вибрации. С расширением полосы пропускания вибратора незначительные изменения резонансной частоты, связанные с механическим воздействием при комплексных испытаниях, становятся несущественными для эксплуатационных характеристик. При этом условие ε·F_виб≤F_дем≤F_виб обеспечивает частичное усиление коэффициента преобразования на начальном участке возрастающей ветви резонансной характеристики путем сложения в фазе колебаний вибратора и демпфера, и частичное подавление колебаний на резонансе при их суперпозиции в противофазе. Дополнительным механизмом расширения полосы пропускания и частичного гашения колебаний является динамическое гашение колебаний.

Нижний предел резонансной частоты демпфера F_дем (ε·F_виб) обусловлен связанностью колебаний демпфера и вибратора, образующейся при частичном или полном перекрытии их резонансов. При этом АЧХ принимает форму, подобную трапеции, с относительно небольшой неравномерностью в пределах полосы пропускания. При большем, чем на (1-ε)·F_виб разнесении частот, колебания демпфера и вибратора становятся несвязанными (их резонансы перекрываются незначительно) и АЧХ становится двугорбой с недопустимой изрезанностью (глубоким провалом между резонансами). Верхний предел резонансной частоты демпфера F_дем (F_виб) обусловлен положением резонанса на восходящей ветви резонансной характеристики вибратора, обеспечивающим механизм динамического гашения колебаний.

Выполнение вибратора с набором равномерно расположенных по окружности пьезоэлементов обеспечивает повышение технологичности конструкции в результате применения меньших по поперечным размерам, но более технологичных и менее хрупких пьезоэлементов, а выбор их количества из ряда простых чисел в диапазоне от 3 до 11 способствует повышению устойчивости к поперечным механическим воздействиям за счет снижения уровня веерных колебаний биморфного преобразователя при отсутствии его зеркально-осевой симметрии.

Суть заявляемых пьезоэлектрического вибростенда и вибратора резонансного типа для данного вибростенда будет ясна из прилагаемого чертежа, где представлена конструкция пьезоэлектрического вибростенда, в котором используется вибратор резонансного типа.

На чертеже изображено: 1 - корпус; 2 - пьезоэлемент; 3 - диафрагма упругого элемента; 4 - стержень упругого элемента; 5 - выступ упругого элемента; 6 - испытуемый прибор; 7 - кронштейн для установки испытуемого прибора; 8 - вибростолик; 9 - втулка; 10 - демпфер; 11 - средство центрирования виброплатформы; 12 - винт кронштейна; 13 - крышка вибратора; 14 - винт вибратора; 15 - крышка вибростенда; 16 - винт крышки вибростенда; Т - крепежный винт испытуемого прибора; Y - винт вибростолика; F_мех - сила механического воздействия при комплексных испытаниях; E_эл - напряженность электрического поля, приложенного при комплексных испытаниях; ˜ U - входной электрический сигнал.

Пьезоэлектрический вибростенд содержит в корпусе 1 вибратор резонансного типа, включающий, по крайней мере, один пьезоэлемент 2 в виде диска и упругий элемент, состоящий из диафрагмы 3 в виде круглой пластины, центрального стержня 4, выполненного в виде резьбового цилиндра, и кольцевого выступа 5 по краю диафрагмы 3. Упругий элемент выполнен за одно целое из составляющих его элементов, при этом стержень упругого элемента 4 исполняет роль элемента передачи колебаний, а кольцевой выступ 5 - элемента крепления к корпусу 1. Диафрагма 3 и закрепленный на ней пьезоэлемент 2 образуют биморфный преобразователь электрической энергии в энергию изгибных колебаний, которые трансформируются центральной частью диафрагмы 3 и стержнем 4 в осевые колебательные движения, передаваемые испытуемому прибору 6. Пьезоэлемент 2 приклеен к диафрагме 3 клеем, обеспечивающим их электрический контакт. На стержень 4 навинчена виброплатформа, содержащая кронштейн 7 для крепления испытуемого прибора 6, вибростолик 8 в виде ступенчатого диска и втулку 9 с фланцем, отверстие которой служит для крепления стержня упругого элемента 4. Причем меньшая торцовая поверхность вибростолика 8 обращена к фланцу втулки 9, между которыми размещены демпфер 10 в виде одной круглой пластины, установленной с возможностью совершения изгибных колебаний, и средство центрирования виброплатформы относительно корпуса и вибратора 11, выполненное в виде одной прорезной мембраны, имеющей центральную симметрию 5 - порядка. Кронштейн 7 выполнен в виде утолщенного диска с отверстиями под крепежные винты Т испытуемого прибора 6 и закреплен на вибростолике 8 с помощью винтов 12. Часть виброплатформы стянута расположенными равномерно по окружности винтами Y и подвешена на мембране средства центрирования виброплатформы 11, причем центральная часть мембраны соединена с виброплатформой, а периферическая - с корпусом 1, а число винтов и порядок симметрии мембраны выбраны из ряда простых чисел в диапазоне от 3 до 11 и равны 5. Стяжка части виброплатформы винтами Y одновременно обеспечивает механическую связь демпфера 10 со стержнем упругого элемента 4. Вибратор закрывает крышка 13, соединенная с корпусом 1 и кольцевым выступом упругого элемента 5 с помощью винтов 14. Сверху вибростенд закрыт крышкой 15 с помощью винтов 16, одновременно поджимающих мембрану средства центрирования виброплатформы 11 к корпусу 1.

Одним из возможных вариантов средства центрирования виброплатформы 11 является его выполнение в виде пакета прорезных мембран, а вариантом демпфера 10 - пакет плоских соприкасающихся мембран (на чертеже не показаны).

Радиус диафрагмы упругого элемента выбран из условия и для опытного образца вибростенда R равен 28,75 мм, причем для массы испытуемого прибора m=0,2 кг нижний предел радиуса диафрагмы упругого элемента составляет 18 мм, а верхний предел - 72 мм для максимально допустимой массы вибростенда М=3 кг. Толщина диафрагмы упругого элемента выбрана из условия и для опытного образца вибростенда равна 1,8 мм, причем нижний предел толщины для массы испытуемого прибора m, равной 0,2 кг, радиуса диафрагмы упругого элемента R, равного 28,75 мм, резонансной частоты вибратора F_виб, равной 1200 Гц, и заданного относительного диапазона механического воздействия А, равного 120, составляет 1,6 мм, а верхний предел толщины диафрагмы - 2,3 мм.

Резонансная частота демпфера F_дем выбрана из условия ε·F_виб≤F_дем≤F_виб и для опытного образца вибратора равна 1000 Гц, при этом нижний предел резонансной частоты демпфера для частоты вибратора F_виб=1200 Гц составляет 960 Гц, а верхний предел - 1200 Гц.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

На вибростолике 8 закрепляют кронштейн 7 с испытуемым прибором 6. На вход вибростенда подают гармонический сигнал, возбуждающий изгибные колебания биморфного преобразователя. Эти колебания трансформируются центральной частью диафрагмы 3 и стержнем упругого элемента 4 в осевые колебательные движения и через стержень упругого элемента 4 и виброплатформу передаются испытуемому прибору 6. При совпадении частоты входного сигнала с резонансной частотой вибратора происходит динамическое усиление созданных колебаний не менее чем на 30 дБ. Конструкция упругого элемента обеспечивает стабильность резонансной частоты и формы АЧХ, подобной слабо демпфированным колебательным системам с одной степенью свободы. Демпфер 10 расширяет полосу пропускания вибратора резонансного типа за счет взаимосвязи с биморфным преобразователем и динамического гашения колебаний. Использование изгибных колебаний вибратора и его упругий подвес на диафрагме упругого элемента 3 и на мембране средства центрирования виброплатформы 11 обеспечивают широкий рабочий диапазон частот, а конструкция упругого элемента - возможность регулировки резонансной частоты в широких пределах путем изменения его конструктивных параметров.

Заявляемые соотношения радиуса и толщины диафрагмы обеспечивают механическую прочность конструкции и необходимые для проведения комплексных испытаний относительно малые массу и габариты вибростенда. Механическое воздействие F_мех, например линейных ускорений, и приложение электрического поля Е_эл не влияют на работу пьезоэлектрического вибростенда и вибратора резонансного типа. При этом увеличение прогиба биморфного преобразователя (осадки испытуемого прибора) и уровня статических механических напряжений изгиба биморфного преобразователя до допустимых величин не изменяет коэффициент преобразования и резонансную частоту, а наведенный электрический заряд на свободном электроде пьезоэлемента стекает через соответствующие электрические сопротивления пьезоэлемента и выходной цепи генератора электрических сигналов ˜U. При боковых механических воздействиях гашению нерабочих мод колебаний способствуют конструкция устройства центрирования виброплатформы в виде прорезной мембраны с числом центрально симметричных прорезей 3 или 5 или 7 или 11, а также устройство сборной виброплатформы.

Заявляемые пьезоэлектрический вибростенд и вибратор резонансного типа обеспечивают относительно широкую полосу пропускания (полоса пропускания опытного образца вибростенда с вибратором резонансного типа составила от 1000 Гц до 1200 Гц, а рабочий диапазон частот вибростенда с вибратором широкополосного типа - от 500 Гц до 2500 Гц) и мощную вибрацию испытуемого прибора (амплитуда виброускорений единицы - десятки g) при интенсивном механическом воздействии и приложении электрического поля. Кроме того, при установке вибростенда с вибратором резонансного типа в центрифугу или другое испытательное оборудование, представляющую собой колебательную систему с одной или несколькими степенями свободы, возможна реализация полосового режима работы с полосой пропускания до 500 Гц (от 800 Гц до 1300 Гц).

Пьезоэлектрический вибростенд и вибратор резонансного типа могут быть также помещены в камеры тепла-холода и подвергнуты комплексным испытаниям с одновременным воздействием повышенной или пониженной температуры.

Изобретения относятся к испытательной технике и могут быть использованы для вибрационных испытаний различных изделий, включая комплексные испытания приборов и датчиков в условиях одновременного воздействия широкополосной вибрации и интенсивных физических факторов различной природы (механической, электрической и тепловой). Пьезоэлектрический вибростенд содержит корпус, пьезоэлектрический вибратор, по крайней мере, с одним пьезоэлементом, виброплатформу для установки испытуемого прибора, связанную с вибратором через элемент передачи колебаний, и средство центрирования виброплатформы относительно корпуса и вибратора. В вибратор дополнительно введен закрепленный в корпусе упругий элемент в виде диафрагмы, на которую установлен пьезоэлемент. Элемент передачи колебаний выполнен в виде стержня, соединенного с центральной частью диафрагмы, а средство центрирования виброплатформы выполнено в виде, по крайней мере, одной прорезной мембраны. При этом центральная часть мембраны соединена с виброплатформой, а периферическая - с корпусом. Пьезоэлектрический вибратор резонансного типа содержит, по крайней мере, один пьезоэлемент и элемент передачи колебаний, соединенный с испытуемым прибором. В вибратор дополнительно введен упругий элемент, включающий диафрагму, на которую установлен пьезоэлемент. Упругий элемент имеет грибовидную форму, образованную плоской поверхностью диафрагмы, обращенной к пьезоэлементу кольцевым выступом, выполненным по краю диафрагмы в качестве элемента крепления к корпусу вибростенда, и опорой, представляющей собой элемент передачи колебаний, выполненный в виде стержня за одно целое с центральной частью диафрагмы. Технический результат заключается в расширении частотного диапазона виброускорений при приложении квазистатических механического и электрического полей и повышении стабильности резонансной характеристики при приложении квазистатических механического и электрического полей. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Пьезоэлектрический вибростенд, содержащий корпус, пьезоэлектрический вибратор, по крайней мере, с одним пьезоэлементом, виброплатформу для установки испытуемого прибора, связанную с вибратором через элемент передачи колебаний, и средство центрирования виброплатформы относительно корпуса и вибратора, отличающийся тем, что в вибратор дополнительно введен закрепленный в корпусе упругий элемент в виде диафрагмы, на которую установлен пьезоэлемент, радиус диафрагмы R выбран из условия:

где α - эмпирический коэффициент, равный 3·10^-2 м·кг^-1/3;

m - масса испытуемого прибора, кг;

β - эмпирический коэффициент, равный 5·10^-2 м·кг ^-1/3;

М - максимально допустимая масса вибростенда, кг,

при этом элемент передачи колебаний выполнен в виде стержня, соединенного с центральной частью диафрагмы, а средство центрирования виброплатформы выполнено в виде, по крайней мере, одной прорезной мембраны, имеющей центральную симметрию n - порядка, где n - простое число в диапазоне от 3 до 11, причем центральная часть мембраны соединена с виброплатформой, а периферическая - с корпусом.

где γ - эмпирический коэффициент, равный 2,4·10^-5 кг^-1/3 м^1/3·Гц^-2/3;

m - масса испытуемого прибора, кг;

R - радиус диафрагмы, м;

F_виб - резонансная частота вибратора, Гц;

А - заданный относительный диапазон величины механического воздействия;

δ - эмпирический коэффициент, равный 3,4·10^-5 кг^-1/3 м^1/3·Гц^-2/3.