Способ испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия Российский патент 2024 года по МПК G01M7/00 

Данное изобретение относится к способам испытаний на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях на высокоинтенсивные ударные воздействия различных сложных систем (например, космических аппаратов (КА) и их подсистем), а также различных приборов и оборудования в этих системах.

Существуют различные способы проведения ударных испытаний. Основное их отличие заключается в создании либо одиночного импульса различной формы (как внешнего воздействия), либо в формировании ударного спектра ускорений (УСУ). Испытания по методу ударных спектров ускорений проводятся с помощью вибрационных электродинамических стендов (синтезирование сигнала ударного возбуждения при помощи элементарных сигналов) и стендов с падающими столами (воспроизводятся простейшие сигналы, которые и обеспечивают необходимый УСУ). Испытания по методу ударных спектров ускорений проводят, когда неважно само воздействие, а важна реакция, которую это воздействие вызывает в конструкции (кн. 2 «Испытательная техника» кн. 1 М. Машиностроение 1982 г., с. 334-335). Использование электродинамических стендов ограничено как амплитудой воспроизводимых воздействий (как правило, 200-300 g), так и частотой (частотный диапазон воспроизводимых воздействий не превышает 2,5-3 кГц).

Для создания ударных воздействий помимо электродинамических стендов существует достаточно разнообразный набор средств, например, всевозможные гидравлические, механические стенды.

Эти устройства позволяют воспроизводить различные способы нагружения объекта испытаний (с уровнями воздействия до десятков тысяч “g”), например, за счет сбрасывания рамы с определенной высоты. Ударное воздействие создают ударом тяжелого маятника по столу, на котором закреплен объект испытаний. (Вибрации в технике, справочник в 6 томах. Том 5. Измерения и испытания под редакцией М.Д. Генкина М. Машиностроение 1981 г. с. 476-477). Или решение (Г.С. Батуев, Ю.В. Голубков и др. Инженерные методы исследования ударных процессов М. Машиностроение, 1977 г., с. 24-25), где воспроизводятся простейшие сигналы на маятниковом копре, но они значительно увеличивая амплитуду ускорений, также ориентированы на создание “чистого” импульса за счет подавления вторичной вибрации. Как и одиночный импульс, ударный спектр ускорений (от одиночного импульса) реализуется в одном направлении. Или решение (Круглов Ю.А., Туманов Ю.А. Ударовиброзащита машин, оборудования и аппаратуры. - Л. Машиностроение. 1986 г., с. 151), когда ударное воздействие маятниковым бойком создают в подпружиненной платформе, на которой устанавливают объект испытаний, в виде одиночного импульса, по которому и вычисляют ударный спектр ускорений. Имеются также специальные пиротехнические устройства для создания ударных воздействий, например, патент EP 0993598 B1, 29.05. 2002, где ударные воздействия с помощью пиросостава создаются в устройстве, перемещающимся по рельсам. Или устройство WO 2009000897 A1, 31.12.2015, где для создания ударных воздействий используются плиты с различными накладными зарядами, что не позволяет их использовать для испытаний сложных систем с локальным приложением ударных воздействий.

Основным недостатком рассмотренных выше способов испытаний является то, что при использовании стендов для создания ударных воздействий имеются ограничения на амплитудно-частотный диапазон воспроизводимых нагрузок, т.е. они не годятся для воспроизведения ударных воздействий высокой интенсивности и ориентированы на создание суперпозицией импульсов воздействия в одном направлении.

Типовые механические стенды (например, копровые с падающими столами) ориентированы на создание ударного воздействия в виде одиночного импульса, который действует на все элементы объекта испытаний, а не только в точках его крепления. Помимо этого, ударные испытания на подобном оборудовании нарушают “физику” нагружения бортовой аппаратуры (БА), т.к. при реальной эксплуатации нагружение БА проводится проходящей волной деформации в конструкции, а отклик на ударное воздействие имеет сложную форму в виде нестационарной вибрации.

Создание ударных воздействий с применением устройств, предлагаемых в патентах EP 0993598 B1, 29.05.2002 и WO 2009000897 A1, 31.12.2015, в виду больших размеров и использовании специальной оснастки не позволяет их использовать для испытаний сложных систем с локальным приложением ударных воздействий.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является решение по патенту RU №2745342 «Способ испытаний на ударные воздействия по методу ударных спектров ускорений», заключающийся в создании с помощью регулируемых пиротехнических устройств с подвижным бойком нестационарной вибрации, регистрации ускорений с последующим получением ударных спектров ускорений. Данное решение принято за прототип.

Существенным недостатком этого способа испытаний является использование в качестве источника ударных воздействий пиротехнических устройств, закрепленных на специализированной оснастке, что приемлемо для испытаний относительно небольших сборок. Испытания макетов КА возможны только с вывеской объекта испытаний над установленными пиротехническими устройствами, когда имеется доступная поверхность для создания ударных воздействий (например, ударные испытания по плоскости крепления космического аппарата). То есть данный способ испытаний может быть использован в ограниченных случаях эксплуатации.

Для заявленного способа выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: способ испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия по методу ударных спектров ускорений, заключающийся в создании ударного воздействия с помощью стационарных регулируемых пиротехнических устройств с подвижным бойком нестационарной вибрации, регистрации ускорений, с последующим получением требуемых ударных спектров ускорений в точках контроля.

Техническими задачами данного изобретения является расширение возможностей использования заявленного устройства для испытания на ударные воздействия сложных систем и объектов; повышение качества испытаний, как силовой конструкции объекта испытаний, так и приборов и оборудования на ударные воздействия.

При проведении испытаний на макете КА соблюдаются граничные условия для чувствительных приборов и оборудования. Кроме того, при ударных испытаниях появляется возможность более точного воспроизведения ударной нагрузки созданием в широком амплитудном и частотном диапазонах ударных воздействий необходимого вида в различных точках сложных систем. Это позволит качественней проводить испытания как силовой конструкции объекта испытаний, так и приборов и оборудования на ударные воздействия (соблюдаются граничные условия для чувствительных приборов и оборудования). Кроме того, при ударных испытаниях можно создавать как эксплуатационные, так и квалификационные (отработочные) воздействия, включающие в себя коэффициенты безопасности.

Решение этой задачи достигается тем, что для создания ударных воздействий в пространственных системах положение пиротехнического устройства в пространстве регулируют по высоте и углу поворота тросовой системой, состыкованной с пиротехническим устройством. Причем скорость соударения бойка с объектом испытаний обеспечивают подбором газогенераторов различной мощности и установкой дополнительных грузов на пиротехническое устройство, а массу дополнительных грузов определяют, задавая перемещение бойка и фланца стакана. Причем сами испытания проводят в несколько этапов, при этом на первом этапе в пиротехническое устройство устанавливают газогенератор минимальной мощности, проводят ударное нагружение объекта испытаний, получают ударный спектр ускорений в точке контроля, сравнивают с требуемым ударным спектром ускорений, и при необходимости на следующих этапах проводят корректировку процедуры нагружения: изменяют массу дополнительных грузов, массу и материал бойка, заряд газогенератора, расстояние от бойка пиротехнического устройства до объекта испытаний, перемещение фланца пиротехнического устройства. Затем выполняют ударное нагружение объекта испытаний, причем корректировку процедуры нагружения завершают при совпадении полученного ударного спектра ускорений с требуемым ударным спектром ускорений в пределах допустимой погрешности, а затем повторяют ударное нагружение необходимое число раз.

Суть заявляемого изобретения поясняется следующим образом.

На фиг. 1 показан динамический макет КА 1 с установленными на нем опорами 2 под рефлектор антенны (рефлектор к опоре крепится четырьмя пирозамками). Сам рефлектор вместе с пирозамками снят. К одной из опор рефлектора 2 на некотором расстоянии “L₁”, которое нужно пройти бойку до соударения с объектом испытаний, подводится пиротехническое устройство 3 с дополнительным грузом массой “M” 4. Пиротехническое устройство 3 через рымболты 5 крепится к регулировочным тросам 6, регулирующих положение пиротехнического устройства в пространстве по высоте и углу поворота тросовой системой. При этом точная регулировка положения пироустройства 3 регулируется талрепами 7. Расстояние от опор 2 до бойка пироустройства 3 регулируется траверсой (траверса на рисунке условно не показана).

Расположение отверстий (и соответственно рымболтов) в одной плоскости, проходящей через ось симметрии пиротехнического устройства перпендикулярно этой оси, позволяет создавать ударные воздействия, лежащие в этой плоскости, перпендикулярно необходимой поверхности без возникновения вращающих моментов. Кроме того, использование тросовой регулируемой системы 6 обеспечивает установку пиротехнического устройства в необходимую точку на объекте испытаний (регулировка по высоте). А наличие двух регулируемых подвесов обеспечивает более тонкую регулировку точки приложения ударного воздействия.

На фиг. 2 изображен общий вид используемого для создания ударных воздействий пиротехнического устройства в разрезе.

Работа устройства проводится следующим образом. При подаче напряжения на газогенератор 15 происходит его срабатывание. При срабатывании газогенератора 15 и создании критического давления в полости 13 срезается контрящий элемент 9. Поршень 10 с бойком 8 (массой m₁) движется до соударения с опорой рефлектора 2, а корпус 12, установленный в стакан 16 вместе с вкладышем 14 (массой m₂) и установленными на фланец стакана дополнительными грузами массой “М” 4, движутся в противоположную сторону. Ударные воздействия регистрируют датчиками 17, затем получают УСУ.

Согласно закону о движении центра масс механической системы при отсутствии внешних сил: движение составных частей системы не приводит к изменению положения центра масс, если система находилась в покое.

При этом центр масс системы останется на месте, т.к. вызывающие движение элементов устройства газы от сработавшего газогенератора 15 являются внутренними силами системы. Таким образом, зная необходимое расстояние “L₁”, которое нужно пройти бойку до соударения с объектом испытаний, массу бойка с поршнем массой m₁, и оставшегося пиротехнического устройства “m₂” подбирают массу грузов. А зная необходимую скорость соударения бойка с объектом испытаний, определяют давление и, соответственно, массу пиросостава и тип газогенератора.

Пусть M - масса дополнительных грузов, m₁ - масса поршня с бойком, L₁ - перемещение поршня с бойком, m₂ - масса пиротехнического устройства без поршня и бойка, L₂ - перемещение пиротехнического устройства без поршня и бойка.

Примем за начало координат центр масс системы состоящей из пиротехнического устройства с дополнительной массой М нуль. Начальную координату центра масс поршня с бойком обозначим - “a”, а центра масс дополнительного груза М и пиротехнического устройства без поршня и бойка за - “b”. Тогда смещение массы m₁ на расстояние L₁ приведет к изменению центра масс поршня с бойком и будет (a + L₁). Смещение массы m₂ с дополнительной массой М на расстояние L₂ будет равно (b + L₂). При этом центр масс должен остаться в начале координат, в точке “0”.

Воспользуемся стандартной формулой для вычисления центра масс:

До срабатывания

, (*)

после срабатывания

, (**)

откуда с учетом (*) уравнение (**) преобразуется в

, (***)

откуда , (****)

Рассмотрим подробнее формулу (****). В этой формуле величины m₁ и m₂ для конкретного устройства постоянны. Величиной L₁ и L₂, а также мощность газогенератора задаются по результатам анализа схемы нагружения.

Предварительное значение для L₁ и массу газогенератора можно получить на вспомогательном стенде, например, жестко зафиксировав пироустройство. Максимальное значение L₂ можно получить при отсутствии дополнительных грузов (М=0).

Приняв некоторые параметры для испытательной схемы, на первом этапе применяют газогенератор с минимальной массой пиросостава, чтобы исключить повреждение объекта испытаний. По результатам оценки ударного нагружения объекта испытаний с использованием газогенератора минимальной мощности (сравнение необходимого и полученного ударных спектров) принимают решение о корректировке параметров М, L₁ и L₂. Изменение мощности газогенератора приводит к росту давления внутри полости пироустройства и скорости движения бойка. Кроме того, увеличение расстояния L₁ также приводит к увеличению скорости соударения бойка с объектом испытаний и ростом УСУ. Уменьшение L₂ аналогично приводит росту L₁ и скорости соударения.

Подбор оптимального соотношения параметров, приведенных в формуле (****) относится к “ноу - хау” и в данной заявке не рассматривается.

То есть установив пиротехническое устройство, как показано на фиг. 1 можно создавать ударные воздействия в различных точках сложных, в том числе пространственных конструкций. Это позволит качественней проводить испытания, как силовой конструкции объекта испытаний, так и приборов и оборудования на ударные воздействия. При проведении испытаний на макете КА соблюдаются граничные условия для чувствительных приборов и оборудования. Кроме того, при ударных испытаниях пироустройство позволяет создавать как эксплуатационные, так и квалификационные (отработочные) воздействия, включающие в себя коэффициенты безопасности.

Пример практического исполнения

На предприятии в настоящее время для проведения ударных испытаний приборов используется специальное пиротехническое устройство (СПУ) 7670-5911, показанное на фиг. 1. Используются газогенераторы с массой заряда 0,4г, 0,7г, 1г. Максимальный ход поршня составляет около 60 мм, диаметр фланца стакана 150 мм, толщина днища стакана и фланца 20 мм, максимальный размер 302 мм, масса СПУ около 3700 г, масса поршня с бойком 1480 г. Основной применяемый боек выполнен из бронзы АЖ9, остальные силовые элементы устройства выполнены из стали 30ХГСА, уплотнительное кольцо из алюминиевого сплава АМг6. На фиг. 1 показана схема испытаний на ударное воздействие с помощью СПУ 19 по имитации ударных воздействий на узел крепления рефлектора 2 к силовой конструкции КА. СПУ через рымболты 5 вывешен на регулируемых тросах 6. Дополнительная регулировка выполнялась с помощью талрепов 7. Требуемый УСУ приведен в таблице 1 (фиг. 3).

Для создания необходимого УСУ перпендикулярно плоскости крепления рефлектора (по оси Z) СПУ подводилось к узлу крепления рефлектора с зазором между бойком СПУ и опорой. Параметры для испытаний первого этапа принимались по результатам испытаний СПУ на автономном стенде с зафиксированным стаканом 16.

Для исключения повреждения макета КА были приняты минимальные величины по мощности газогенератора и расстояния от пироустройства до объекта испытаний. Зазор первоначально составлял 10 мм, а газогенератор применялся с массой пиросостава 0.4 г, перемещение фланца 5 мм, масса груза, вычисленная по формуле (****), составила 740 г (для испытаний принята 800 г).

Полученный УСУ показан на фиг. 4. Как видно из рисунка, амплитуду УСУ необходимо увеличить примерно вдвое, а пик сместить по частоте приблизительно на 600 Гц. Для изменения частоты максимального значения УСУ бронзовый боек заменен на стальной (масса изменилась до 1580 г), масса газогенератора оставлена 0,4 г. Зазор между бойком и объектом испытаний 10 мм, перемещение фланца 2 мм, масса груза, вычисленная по формуле (****), составила 5700 (для испытаний принята 5600).

После окончания формирования необходимого ударного воздействия было проведено трехкратное ударное нагружение узла крепления рефлектора. При этом регистрировались нагрузки в точках крепления макетов приборов и на силовой конструкции. Затем были повторены ударные воздействия в трех остальных узлах крепления рефлектора. Так как разброс по времени срабатывания замков больше времени срабатывания

одного замка, то необходимости одновременного срабатывания всех четырех замков крепления не было (на максимальное значение нагружения аппаратуры это не влияло). Такой подход позволил существенно упростить процедуру испытаний.

На фиг. 5 показаны график “а” - требуемый УСУ и график “b” полученный при ударном воздействии по рассмотренной процедуре в точке крепления рефлектора. Получен требуемый ударный спектр ускорений с погрешностью по амплитуде ускорений не превышающей 50% (±3 дБ). Это позволило создать необходимое ударное воздействия без использования дорогостоящих одноразовых пирозамков, получить уровни нагружения на приборы КА, снизить требуемую величину ударных воздействий для автономной отработки ряда чувствительных к ударным воздействиям приборов, упростить схему проведения ударных испытаний, т.е. повысить качество отработки КА и приборов.

Техническим результатом данного изобретения является возможность создавать ударные воздействия в различных точках сложных, в том числе пространственных конструкций.

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

Изобретение относится к области испытаний на ударные воздействия и может быть использовано в первую очередь при проведении испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия различных пространственных сложных конструкций, а также устройств, приборов и оборудования. Для создания ударных воздействий в пространственных системах положение пиротехнического устройства в пространстве регулируют по высоте и углу поворота тросовой системой, состыкованной с пиротехническим устройством. Причем скорость соударения бойка с объектом испытаний обеспечивают подбором газогенераторов различной мощности и установкой дополнительных грузов на пиротехническое устройство, а массу дополнительных грузов определяют, задавая перемещение бойка и фланца стакана, причем сами испытания проводят в несколько этапов. При этом на первом этапе в пиротехническое устройство устанавливают газогенератор минимальной мощности, проводят ударное нагружение объекта испытаний, получают ударный спектр ускорений в точке контроля, сравнивают с требуемым ударным спектром ускорений. При необходимости на следующих этапах проводят корректировку процедуры нагружения: изменяют массу дополнительных грузов, массу и материал бойка, заряд газогенератора, расстояние от бойка пиротехнического устройства до объекта испытаний, перемещение фланца пиротехнического устройства, затем выполняют ударное нагружение объекта испытаний. Корректировку процедуры нагружения завершают при совпадении полученного ударного спектра ускорений с требуемым ударным спектром ускорений в пределах допустимой погрешности, а затем повторяют ударное нагружение необходимое число раз. Технический результат заключается в возможности создавать ударные воздействия в различных точках сложных, в том числе пространственных конструкций. 5 ил.

Способ испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия по методу ударных спектров ускорений, заключающийся в создании ударного воздействия с помощью стационарных регулируемых пиротехнических устройств с подвижным бойком нестационарной вибрации, регистрации ускорений, с последующим получением требуемых ударных спектров ускорений в точках контроля, отличающийся тем, что для создания ударных воздействий в пространственных системах положение пиротехнического устройства в пространстве регулируют по высоте и углу поворота тросовой системой, состыкованной с пиротехническим устройством, причем скорость соударения бойка с объектом испытаний обеспечивают подбором газогенераторов различной мощности и установкой дополнительных грузов на пиротехническое устройство, а массу дополнительных грузов определяют, задавая перемещение бойка и фланца стакана, причем сами испытания проводят в несколько этапов, при этом на первом этапе в пиротехническое устройство устанавливают газогенератор минимальной мощности, проводят ударное нагружение объекта испытаний, получают ударный спектр ускорений в точке контроля, сравнивают с требуемым ударным спектром ускорений, и при необходимости на следующих этапах проводят корректировку процедуры нагружения: изменяют массу дополнительных грузов, массу и материал бойка, заряд газогенератора, расстояние от бойка пиротехнического устройства до объекта испытаний, перемещение фланца пиротехнического устройства, затем выполняют ударное нагружение объекта испытаний, причем корректировку процедуры нагружения завершают при совпадении полученного ударного спектра ускорений с требуемым ударным спектром ускорений в пределах допустимой погрешности, а затем повторяют ударное нагружение необходимое число раз.