СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ НА ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЕ УДАРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИБОРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01M7/08 

Данное изобретение относится к методам испытаний на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях на высокоинтенсивные ударные воздействия различных технических систем, состоящих из различных, функционально связанных приборов, автономное испытание каждого из которых недостаточно (остаются, например не отработанными функциональные связи между приборами при ударных воздействиях).

В настоящее время наибольшее применение находят методы испытаний по ударному спектру ускорений, когда не важно само воздействие, а важна реакция, которую это воздействие вызывает в конструкции (кн.2 «Испытательная техника», кн.1. - М., Машиностроение, 1982, стр. 334-335).

Существует достаточно много способов испытаний на ударные воздействия: воздействие задается простейшей формой ударного импульса и реализуется с помощью вибрационных электродинамических стендов, стендов с падающими столами. Такие испытания позволяют хорошо создавать ударные спектры ускорений только в узкой зоне низкочастотного спектра. Наилучшие результаты при испытаниях в области частот свыше 1 кГц удается получить, если использовать в качестве источника ударных воздействий пиротехнические устройства, например патенты РФ №2085889, №2171974.

Наиболее близким является способ испытаний согласно патенту РФ №2262679. Способ испытаний на ударные воздействия высокой интенсивности приборов и оборудования по методу ударных спектров, который заключается в ударном нагружении протяженных систем пиротехническими устройствами с заранее заданным ударным спектром ускорений - принятый в качестве прототипа.

К недостаткам этого способа нужно отнести большую сложность в создании необходимого ударного спектра ускорений в низкочастотной области (область частот до 500 Гц). Для создания ударного воздействия используется пиротехническое устройство, ударный спектр ускорений которого должен перекрывать требуемый, что позволяет создать ударное воздействие не только в небольшой зоне вокруг точки приложения ударного воздействия, но и на некотором расстоянии от нее. В то же время обеспечить необходимый (заданный заранее) ударный спектр ускорений во всем частотном диапазоне достаточно трудно (время срабатывания, например, разрывного болта 8Х54 составляет около 0,2 мс и состоит из двух пиков длительностью ˜0,1 мс). Поэтому низкочастотную область ударного спектра ускорений необходимо «закрывать» каким-то иным способом.

Воспользоваться вибрационными стендами также не представляется возможным, т.к. их система управления (даже самыми современными вибрационными стендами) не позволяет создать комбинированный сигнал в виде суммы сигналов с малой амплитудой 20-30 g, длительностью 5-10 мс и амплитудой 5-10 тыс. g и длительностью 0,1-0,2 мс для получения необходимого ударного спектра ускорений.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, что позволит более качественно проводить испытания на ударные воздействия высокой интенсивности. Решение этой задачи достигается тем, что испытания проводят последовательно при одной и той же установке объекта испытаний: вначале раздельно формируют режимы ударного и вибрационного нагружения, разбивая частотный диапазон на два участка, в низкочастотной области которого для обеспечения наперед заданного ударного спектра формируют режим вибрационных испытаний, а в высокочастотной области спектра режим ударных испытаний формируют пиротехническими устройствами. Затем подбирают необходимые источники вибрационного нагружения и пиротехнические устройства, проводят последовательно испытания на вибрационные и ударные воздействия, по результатам измерений ускорений при которых получают ударные спектры ускорений в одних и тех же точках контроля, объединяют полученные ударные спектры и при отличии полученных ударных спектров от наперед заданных ударных спектров ускорений уточняют необходимые режимы вибрационного и ударного нагружения, изменяя частотные диапазоны, источники вибрационного и ударного нагружения, повторяют этап испытаний, после чего срабатывание пиротехнических устройств производят в процессе вибрационного нагружения объекта испытаний, получают ударные спектры ускорений в вышеназванных точках контроля, сравнивают с наперед заданными ударными спектрами ускорений, и при отличии полученных и заданных ударных спектров ускорений на величину большую, чем погрешность испытаний, уточняют необходимые режимы нагружения по изложенной выше процедуре, причем процедуру испытаний продолжают до совпадения полученных ударных спектров ускорений с наперед заданными.

Суть заявленного решения может быть пояснена следующим образом. Рассмотрим формирование ударных спектров ускорений на примере испытаний аппаратуры и оборудования космического аппарата (КА) на случай отделения разгонного блока (РБ) с КА от ракеты-носителя (РН). Когда ударное воздействие создается тем же по физической природе устройством, что и при эксплуатации, то повышается качество отработки оборудования. При ударном нагружении с помощью пиротехнических устройств это условие выполняется. Такие воздействия закрывают составляющие, представленные в необходимом ударном спектре ускорений ударными воздействиями от пиротехнических устройств системы разделения РБ/РН, но в этот момент действуют также и низкочастотные составляющие от ракеты-носителя: разделение достаточно больших масс РБ и последней ступени РН. Это переходной процесс, связанный с низкочастотными затухающими колебаниями на частотах ниже 100 Гц. Таким образом, общий частотный диапазон, в котором задан необходимый ударный спектр ускорений (УСУ), разделим на две части и низкочастотную часть закроем вибрационными испытаниями, а высокочастотную часть спектра - с помощью пиротехнических устройств. Разбиение частотного диапазона должно осуществляться, в первую очередь, исходя из физики реального нагружения КА. Процедура формирования режимов вибрационных испытаний может быть выполнена, например, по патенту РФ №2234690, а ударных - по патенту РФ №2262679. Так как УСУ является нелинейной функцией, то и суммирование УСУ, а также подбор необходимых средств и режимов нагружения не являются тривиальной процедурой. Но эти процедуры относятся к «ноу-хау» изобретения и в данной заявке не рассматриваются. Можно только заметить, что определенные по какой-либо методике воздействия должны перекрывать предназначенные для них амплитудно-частотные диапазоны УСУ. Кроме того, в зоне перекрытия частот возможно существенное увеличение воздействия и поэтому процесс формирования вибрационных и ударных режимов носит итерационный характер. Подрыв пиротехнических устройств осуществляется в процессе вибрационного нагружения, так как время затухания пиротехнического удара составляет 1-2 мс, а максимальная вибрация действует всего несколько секунд даже для затухающего переходного процесса. При этом не существует каких-либо технических проблем, не позволяющих осуществить подрыв пиротехнического устройства с точностью по времени меньше 1 мс.

Сущность заявленного решения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема для одновременного проведения ударных и вибрационных испытаний, на фиг.2 - горизонтальное сечение А-А, на фиг.3 - вертикальное сечение Б-Б, на фиг.4 - ударные спектры ускорений: требуемого ударного спектра, от пиротехнических устройств и от вибрационных воздействий, а на фиг.5 - графики требуемого ударного спектра и ударные спектры в контрольной точке при совместном нагружении ударными и вибрационными воздействиями.

Стенд для проведения испытаний состоит из конической оболочки 1, фланца 2 для крепления объекта испытаний, сотовой панели 3 с блоками аппаратуры 4 (объект испытаний) контрольных датчиков 5, гибких тросов для обезвешивания объекта испытаний 6, переходника 7 для крепления амортизационных стержней к фланцу 2, амортизационных стержней с пироустройством для создания ударных воздействий 8, фланца 9 для крепления вибрационного стенда 10, резьбового отверстия 11 с болтом 12, а также профилированного паза 13, кривизна которого совпадает с кривизной фланца 2.

Сотовую панель 3 с приборами 4 крепят к фланцу 2 конической оболочки, не мешая стыковки с ней амортизационных стержней 8 с разрывными болтами. Другой фланец 9 конической оболочки 1 легко позволяет присоединить вибрационный стенд 10. Существующие в настоящее время вибростенды, как правило, допускают повороты на 90-180 градусов относительно узлов крепления, что позволяет проводить испытания в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

Реализация рассмотренного способа испытаний проводится следующим образом.

Пусть необходимо создать на сотовой панели 3 с приборами 4 УСУ, показанный на фиг.4, график 1. После того, как собрана испытательная схема, показанная на фиг.1, включают вибростенд 10 и при его выходе на заранее заданный режим обеспечивают нагружение объекта испытаний в низкочастотной области (фиг.4, график 3 - УСУ от вибростенда.). В этот момент производят подрыв пиротехнических устройств и догружают высокочастотную область требуемого ударного спектра ускорений (фиг.4, график 2 - УСУ от пироустройства). Необходимые режимы нагружения для пироустройств и вибростенда получают предварительно. В результате такого комбинированного нагружения удается реализовать требуемый режим испытаний (на фиг.5, график 1 - требуемый режим нагружения, 2 - полученный в результате комбинированного воздействия).

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет проводить при испытаниях ударное нагружение в широком амплитудно-частотном диапазоне с использованием стандартного оборудования, что позволяет повысить качество проводимой отработки приборов и оборудования и приблизить процедуру испытаний к реальным процессам при эксплуатации.

Процедура подбора пиротехнических устройств, амортизационных стержней и режимов вибрационных испытаний относится к «ноу-хау» изобретения и в данной заявке не рассматривается.

Пример практического исполнения

На фиг.1 (поз.4) показан блок ретранслятора, применяемого на одном из КА разработки НПО ПМ.

Квалификационные требования по ударным нагрузкам для этого блока в виде ударного спектра ускорений (для каждого из трех взаимно перпендикулярных направлений) приведены в таблице.

Частота, ГцАмплитуда ударного спектра ускорений, g1002510005004000500

Так как масса блока ретранслятора вместе с технологической плитой составляла более 250 кг, то испытания проводились с использованием пиротехнических устройств. В амортизационные стержни устанавливались разрывные болты 8Х54. Каждый стержень состоял из слоев следующих материалов: текстолит-текстолит-алюминий-сталь-алюминий-текстолит-текстолит. Между слоями устанавливались фторопластовые кольцевые шайбы. Однако при подборе воздействий и проведении испытаний только с использованием пиротехнических устройств обеспечить требуемый УСУ в диапазоне частот 150-600 Гц не удалось, поэтому испытания проводились по схеме, показанной на фиг.1-3. Вибрационными испытаниями необходимо было закрыть диапазон 150-600 Гц.

В качестве вибрационного воздействия использовался затухающий сигнал вида

где δ=ln2 - логарифмический декремент;

π=3,14...;

τ=2 мс;

ω - круговая частота;

α - коэффициент затухания;

t - время.

Такой сигнал достаточно просто воспроизводят современные системы управления вибрационных стендов.

Для вибрационных испытаний применялся стен ВЭДС 10000.

Срабатывание разрывных болтов проводилось примерно через 2 мс после выхода на режим вибростенда. Через 6 мс после подрыва разрывных болтов вибрационный стенд отключался.

На фиг.4 показаны ударные спектры ускорений: требуемого ударного спектра - 1 (см. таблицу), от пиротехнических устройств - 2 и от вибрационных воздействий - 3.

На фиг.5 цифрой 1 обозначены графики требуемого ударного спектра, а цифрой 2 - полученные ударные спектры в контрольной точке. Как видно из чертежа, требуемый УСУ был обеспечен во всем частотном диапазоне.

Из приведенного выше примера практического применения видно, что требуемые ударные испытания были проведены с использованием стандартного оборудования с минимальным изготовлением новых элементов. Схема испытаний проста и не вызывает проблем с воспроизведением. Кроме того, как видно из схемы (фиг.1), испытания проводились в трех направлениях. В примере рассмотрено только вертикальное направление. В других направлениях при проведении испытаний по рассмотренной выше методике было обеспечено выполнение требуемого УСУ.

Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.

Изобретение относится к методам испытаний на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях на высокоинтенсивные ударные воздействия различных технических систем. Способ испытаний на ударные воздействия высокой интенсивности приборов и оборудования по методу ударных спектров, заключающийся в ударном нагружении объекта испытаний пиротехническими устройствами с заранее заданными ударными спектрами ускорений, и регистрации ускорений в контрольных точках. Причем испытания проводят последовательно при одной и той же установке объекта испытаний: вначале раздельно формируют режимы ударного и вибрационного нагружения, разбивая частотный диапазон на два участка, в низкочастотной области которого для обеспечения наперед заданного ударного спектра формируют режим вибрационных испытаний, а в высокочастотной области спектра режим ударных испытаний формируют пиротехническими устройствами. После чего, подбирают необходимые источники вибрационного нагружения и пиротехнические устройства, проводят последовательно испытания на вибрационные и ударные воздействия, по результатам измерений ускорений, при которых получают ударные спектры ускорений в одних и тех же точках контроля, объединяют полученные ударные спектры и при отличии полученных ударных спектров от наперед заданных ударных спектров ускорений уточняют необходимые режимы вибрационного и ударного нагружения, изменяя частотные диапазоны, источники вибрационного и ударного нагружения. Технический результат направлен на повышение точности измерений ударных воздействий. 5 ил., 1 табл.

Способ испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия приборов и оборудования по методу ударных спектров, заключающийся в ударном нагружении объекта испытаний пиротехническими устройствами с заранее заданными ударными спектрами ускорений, и регистрации ускорений в контрольных точках, отличающийся тем, что испытания проводят последовательно при одной и той же установке объекта испытаний: вначале раздельно формируют режимы ударного и вибрационного нагружения, разбивая частотный диапазон на два участка, в низкочастотной области которого для обеспечения наперед заданного ударного спектра формируют режим вибрационных испытаний, а в высокочастотной области спектра режим ударных испытаний формируют пиротехническими устройствами, затем подбирают необходимые источники вибрационного нагружения и пиротехнические устройства, проводят последовательно испытания на вибрационные и ударные воздействия, по результатам измерений ускорений, при которых получают ударные спектры ускорений в одних и тех же точках контроля, объединяют полученные ударные спектры и при отличии полученных ударных спектров от наперед заданных ударных спектров ускорений уточняют необходимые режимы вибрационного и ударного нагружения, изменяя частотные диапазоны, источники вибрационного и ударного нагружения, повторяют этап испытаний, после чего срабатывание пиротехнических устройств производят в процессе вибрационного нагружения объекта испытаний, получают ударные спектры ускорений в вышеназванных точках контроля, сравнивают с наперед заданными ударными спектрами ускорений, и при отличии полученных и заданных ударных спектров ускорений на величину большую, чем погрешность испытаний, уточняют необходимые режимы нагружения по изложенной выше процедуре, причем процедуру испытаний продолжают до совпадения полученных ударных спектров ускорений с наперед заданными.