СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ОБОРУДОВАНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01M7/00 

Данное изобретение относится к области испытаний оборудования на механические воздействия и может быть использовано при отработке оборудования различного назначения на механические воздействия.

Основными воздействиями, на которые проводится отработка большинства оборудования, являются линейные, вибрационные и ударные нагрузки. Известны также различные способы испытаний: а.с. № 1773164, патенты РФ № 217194 и № 2293958.

Способы проведения вибрационных испытаний достаточно подробно излагаются в различной литературе.

Вибрационные испытания проводят по методу качающейся частоты, когда частоту вибрации плавно изменяют в заданном диапазоне частот от нижней границы частоты к верхней и обратно при постоянстве заданных параметров вибрации в течение определенного времени, или испытания по методу широкополосной случайной вибрации, когда одновременно возбуждают все резонансные частоты объекта. За критерий подобия реальному процессу принята спектральная плотность мощности виброускорений. Ударные испытания проводят по методу ударных спектров ускорений, когда не важен вид воздействия, а важна реакция на это воздействие. Испытания на линейные нагрузки проводят на специальных установках (центрифугах), создающих в горизонтальной плоскости радиально направленные ускорения.

(Испытательная техника. Справочник в 2-х т. / Под ред. Клюева В.В., т.2. М.: Машиностроение, 1982, стр.8, 287-289, 334-337, 422-425) (прототип).

Основным недостатком описанных выше способов испытаний является необходимость их проведения на различном оборудовании (центрифуги, вибрационные и ударные стенды).

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, что позволит упростить процедуру испытаний и значительно сократить время испытаний и расходы на их проведение.

Решение этой задачи достигается тем, что испытания оборудования проводят на комбинированном режиме, при этом сначала для оборудования определяют резонансные частоты во всем нормируемом частотном диапазоне, затем устанавливают частотные диапазоны, в которых проводят замену широкополосной случайной вибрации эквивалентной ей гармонической вибрацией, далее для всех вибрационных и ударных нагрузок получают ударные спектры ускорений, после чего сравнивают реакцию оборудования на все механические воздействия и по методу огибающих получают максимальные значения ударного спектра ускорений во всем частотном диапазоне для всех видов нагружения, далее получают по вибрационным воздействиям количество циклов нагружения, затем их приводят к максимальным значениям ударного спектра ускорений, при этом вибрационные нагрузки с амплитудами ниже амплитуд линейных нагрузок не учитывают, после чего проводят испытания по методу ударных спектров ускорений с частоты в раз ниже первой собственной частоты оборудования, причем количество ударных воздействий определяют по формулам:

где:

N - количество ударных воздействий для формирования режимов испытаний с максимальными значениями ударного спектра ускорений;

i - количество частотных диапазонов;

L - количество нормированных ударных воздействий;

N_i - количество ударных воздействий для формирования режимов испытаний с максимальными значениями ударного спектра ускорений в "i" частотном диапазоне;

M - количество циклов для вибрационных режимов испытаний с уровнями нагрузки выше амплитуд линейных нагрузок;

ω₁=2πf_i - круговая частота в "i" частотном диапазоне;

f_i - частота в "Гц" в "i" частотном диапазоне;

g - ускорение свободного падения;

k_i(ω, g) - минимальный коэффициент отношения ударных спектров ускорений в "i" частотном диапазоне;

α - коэффициент форсирования для ударных спектров ускорений;

SRS_v(ω, g) - ударные спектры ускорений, полученные для вибрационных нагрузок;

SRS_max(ω, g) - максимальные значения ударного спектра ускорений;

Суть заявляемого изобретения может быть пояснена следующим образом.

При автономной отработке оборудования задают, как правило, внешние воздействия в виде спектральной плотности мощности виброускорений, гармонической вибрации, ударных спектров ускорений или одиночных импульсов ускорений. При этом следует заметить, что для каждого импульса ускорений имеется свой однозначный ударный спектр ускорений (УСУ).

При задании вибрационного воздействия на оборудование в виде спектральной плотности мощности виброускорений (СПМ) она может быть заменена гармонической вибрацией исходя из следующих соображений.

Спектральная плотность мощности вибрационного (колебательного) процесса представляет собой дисперсию, отнесенную к рассматриваемой полосе частот. СПМ характеризует мощность вибрационного процесса, приходящуюся на единицу частотного диапазона (Глудкин О.П., Черняев В.Н. Технология испытания микроэлементов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микросхем. - М.: Энергия. 1980, стр.179).

σ²=S(f)df

где:

σ - среднее квадратическое значение ускорения

S(f) - значение СПМ;

df - диапазон частот.

Среднее квадратическое значение ускорения во всем частотном диапазоне равно:

Среднее квадратическое значение ускорения в области резонансной частоты равно:

где:

S_p(f_p) - значение СПМ в области резонансной частоты;

f_p - резонансная частота в "Гц".

Интегрирование по частоте проводится по эффективной ширине пропускания колебательного звена.

Тогда максимальное значение амплитудного спектра A(f) на уровне 3σ будет равно:

.

Ударный спектр ускорений показывает максимально возможную реакцию на воздействие на частоте (см., например, Дояр О.П. Алгоритм расчета ударного спектра. в сб. Динамика систем. Численные методы исследования динамических систем. - Кишинев, Нистру, 1982 г.).

Т.е. амплитудный спектр на уровне 3σ может быть приравнен к ударному спектру ускорений.

где:

SRS_i(ω_i, g) - ударный спектр ускорений на круговой частоте ω_i.

Отсюда следует, что все вибрационные воздействия, заданные в виде СПМ, могут быть представлены в виде амплитудных спектров A(f) по формуле (**), которые в свою очередь по формуле (***) могут быть заменены на УСУ.

Т.к. согласно определению УСУ показывает максимальную реакцию оборудования на конкретной частоте, то для линейной нагрузки УСУ будет представлять собой постоянную линию во всем частотном диапазоне с амплитудой, равной амплитуде линейного ускорения. Кроме того, все воздействия в области до резонансных частот (f_p/√2) являются для оборудования линейными, т.к. не вызывают в ней резонансных явлений.

Т.е. для всех видов нормативных воздействий получены УСУ и далее получают их огибающую, которая и будет максимальными значениями ударного спектра ускорений во всем частотном диапазоне для всех видов нагружения.

Далее получают по вибрационным воздействиям количество циклов нагружения за один проход частотного диапазона и с учетом общего времени нагружения получают полное количество циклов нагружения (частотные диапазоны, в которых амплитуды резонансных откликов находятся ниже уровня линейных нагрузок, не учитываются).

Количество циклов определяют следующим образом:

- Эффективная ширина резонансной полосы пропускания равна

2Δf - эффективная ширина пропускания колебательного звена

(Глудкин О.П., Черняев В.Н. Технология испытания микроэлементов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микросхем. - М.: Энергия, 1980, стр.183);

- Пусть скорость прохождения частотного диапазона равна Uокт/мин

- Тогда время t_i нахождения в области "i" резонанса в диапазоне частот эффективной ширины пропускания с учетом (****) колебательного звена будет равно

,

- Количество циклов колебаний в "i" диапазоне m_i, равное

.

- Количество циклов нагружения n_i за время воздействия Т равно

,

- Количество циклов колебаний M_i в каждом из "i" резонансных диапазонов за время воздействия T равно

M_i=n_i·m_i

Таким образом, имеются все необходимые параметры для формул (*), что и позволяет проводить форсирование режимов испытаний.

Приведенные выше процедуры пересчета СПМ в УСУ и получения количества циклов нагружения не являются оптимальными, а лишь демонстрируют возможность выполнения таких процедур.

Технология оптимального пересчета СПМ в УСУ, получения количества циклов нагружения и выбора коэффициента форсирования для ударных спектров ускорений относится к «ноу-хау» изобретения и в данной заявке не рассматривается.

Следует только отметить, что такая процедура выполняется с учетом гипотезы суммирования как линейных повреждений Майнера (так и нелинейных повреждений) и кривых Велера.

Пример практического исполнения

Для проведения автономных испытаний оборудования на транспортирование были заданы следующие режимы испытаний:

- СПМ в диапазоне частот 5-400 Гц с уровнями 0,008g²/Гц;

- Гармоническая вибрация в диапазоне 5-100 Гц с уровнями 1,2g; скорость сканирования в диапазоне частот выше до 100 Гц составляет 1 окт/мин, а выше 100 Гц - 2 окт/мин;

- Время действия вибрации 600 мин;

- Линейные нагрузки с амплитудой 1,2g;

- Ударные воздействия в форме одиночных импульсов длительностью 2-15 мс с амплитудой 12g, количество ударов 40;

- Транспортируемое оборудование не имеет конструктивных элементов с резонансами в диапазоне частот ниже 150 Гц.

На чертеже показаны графики амплитудных спектров на уровне 3σ, равные УСУ на резонансных частотах 1, УСУ для линейных ускорений 2, УСУ от ударных импульсов длительностью 2-15 мс с амплитудой 12g, 3.

По рассмотренной выше методике сначала определяют амплитуды и количество циклов испытаний оборудования.

- Эффективная ширина пропускания колебательного звена на частоте 150 Гц составляет 15 Гц на частоте 240 Гц, составляет 24 Гц, на частоте 320 Гц составляет 32 Гц (для оборудования общепринятое значение Q≥10);

- Нижняя граница частоты (дорезонансная область) составляет 150 Гц/√2≈100 Гц.

- Скорость сканирования в диапазоне частот выше 100 Гц составляет 2 окт/мин,

- Время нахождения в диапазоне 15 Гц составляет 4,5 с, а количество циклов нагружения на частоте 150 Гц составит 150·4,5=675. Значение УСУ согласно формулам (**) и (***) составляет

- На частоте 240 Гц время нахождения в диапазоне 24 Гц составляет 3,6 с, а количество циклов нагружения составит 240·3,6=864. Значение УСУ согласно формулам (**) и (***) составляет

- На частоте 320 Гц время нахождения в диапазоне 32 Гц составляют 4,8 с, а количество циклов нагружения составит 320·4,8=1536. Значение УСУ согласно формулам (**) и (***) составляет

- Из трех диапазонов выбирают максимальное значение и принимают его за необходимое количество циклов нагружения (1536).

Так как амплитуда первого резонанса вибрационных воздействий находится ниже уровней линейной нагрузки, то его в дальнейшем не рассматриваем.

Отношение максимальных значений ударных спектров на частотах составляет на частоте 240 Гц 19,8/1,31=1511 и на частоте 320 Гц 16,8/1,52=11,05.

Минимальное значение коэффициента форсирования для УСУ может быть принято равным коэффициенту форсирования для гармонических воздействий 4.

Очевидно из формул (*), что максимальное количество циклов нагружения определяет резонанс на частоте 320 Гц. Время прохождения всего частотного диапазона составляет 5,6 мин, а время нагружения 600 мин. Т.е. количество циклов нагружения составит 600/5,6, а количество ударных воздействий при коэффициенте форсирования 4 и количестве циклов колебаний 1536 составит

Так как расчетное количество ударов больше целого числа 11, то за N_i принимается 12. Общее количество ударных воздействий N по формулам (*)

N=12+40=52.

Таким образом, вибрационные испытания в течение 600 мин заменены дополнительными 12 ударными нагружениями. Т.е. все испытания можно провести на одном ударном стенде за небольшое время (как правило, ударные стенды допускают частоту ударных воздействий до 100-120 ударов в минуту).

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

Данное изобретение относится к области испытаний оборудования на механические воздействия. Технический результат заключается в упрощении процедуры испытаний и сокращении времени испытаний. Способ испытания оборудования на механические воздействия проводят на комбинированном режиме. Сначала для оборудования определяют резонансные частоты во всем нормируемом частотном диапазоне, проводят замену широкополосной случайной вибрации эквивалентной ей гармонической вибрацией, для всех вибрационных и ударных нагрузок получают ударные спектры ускорений, получают максимальные значения ударного спектра ускорений во всем частотном диапазоне для всех видов нагружения. После чего проводят испытания по методу ударных спектров ускорений с частоты в раз ниже первой собственной частоты оборудования, причем количество ударных воздействий определяют по формулам:

, , , где:

N - количество ударных воздействий для формирования режимов испытаний с максимальными значениями ударного спектра ускорений; L - количество нормированных ударных воздействий; N_i - количество ударных воздействий для формирования режимов испытаний с максимальными значениями ударного спектра ускорений в "i" частотном диапазоне; М - количество циклов для вибрационных режимов испытаний с уровнями нагрузки выше амплитуд линейных нагрузок; ω_i - круговая частота в "i" частотном диапазоне; g - ускорение свободного падения; k_i(ω_i, g) - минимальный коэффициент отношения ударных спектров ускорений в "i" частотном диапазоне; α - коэффициент форсирования для ударных спектров ускорений; SRS_v(ω, g) - ударные спектры ускорений, полученные для вибрационных нагрузок; SRS_max(ω, g) - максимальные значения ударного спектра ускорений. 1 ил.

Способ испытаний оборудования на механические воздействия, заключающийся в нагружении оборудования заданными нормированными линейными нагрузками, гармоническими и широкополосными случайными вибрационными нагрузками, и ударными нагрузками, отличающийся тем, что испытания оборудования проводят на комбинированном режиме, при этом сначала для оборудования определяют резонансные частоты во всем нормируемом частотном диапазоне, затем устанавливают частотные диапазоны, в которых проводят замену широкополосной случайной вибрации эквивалентной ей гармонической вибрацией, далее для всех вибрационных и ударных нагрузок получают ударные спектры ускорений, после чего сравнивают реакцию оборудования на все механические воздействия и по методу огибающих получают максимальные значения ударного спектра ускорений во всем частотном диапазоне для всех видов нагружения, далее получают по вибрационным воздействиям количество циклов нагружения, затем их приводят к максимальным значениям ударного спектра ускорений, при этом вибрационные нагрузки с амплитудами ниже амплитуд линейных нагрузок не учитывают, после чего проводят испытания по методу ударных спектров ускорений с частоты в раз ниже первой собственной частоты оборудования, причем количество ударных воздействий определяют по формулам:



где N - количество ударных воздействий для формирования режимов испытаний с максимальными значениями ударного спектра ускорений;
i - частотный диапазон;
L - количество нормированных ударных воздействий;
N_i - количество ударных воздействий для формирования режимов испытаний с максимальными значениями ударного спектра ускорений в "i" частотном диапазоне;
М - количество циклов для вибрационных режимов испытаний с уровнями нагрузки выше амплитуд линейных нагрузок;
ω_i - круговая частота в "i" частотном диапазоне;
g - ускорение свободного падения;
k_i(ω_i, g) - минимальный коэффициент отношения ударных спектров ускорений в "i" частотном диапазоне;
α - коэффициент форсирования для ударных спектров ускорений;
SRS_v(ω, g) - ударные спектры ускорений, полученные для вибрационных нагрузок;
SRS_max(ω, g) - максимальные значения ударного спектра ускорений.