Устройство для измерения ударных ускорений Советский патент 1992 года по МПК G01P21/00 

31

Изобретение относится к измерительной технике, в .частности к измерению параметров удара с помощью контактных предельных преобразователей. Известно устройство для измерения ударных воздействий с помощью контактных предельных преобразователей (крешеров), представляющих медный ци

установленныи на нем измерительный преобразователь будут испытывать воздействие от ударного импульса с наложенной на него синусоидой собственных колебаний цилиндра. Таким образом, воздействие ударных импульсов даже простой формы таких как прямоугольный, треугольный, полусинусои

Изобретение относится к измерительной технике. При встрече объекта испытаний с преградой возникает ускорение и инерционные элементы Ц одновременно воздействуют на крешер- ные столбики 5 с силой, пропорциональной массам инерционных элементов 4, деформируя конусные части столбиков 5. Одновременно возбуждаются продольные собственные колебания объекта испытаний. С целью повышения точности и информативности измерений высота цилиндрической части каждого предыдущего крешерного столбика превышает высоту последующего столбика на множитель 1,, а массы М инер- . ционных элементов определяются по определенной формуле, а частота колебаний предыдущей -массы инерционного элемента на крешерном столбике меньше частоты последующего на делитель 1,4, 8 ил. ё to с :о ;о io о fa.2

линдр с конусной вершиной, на которую- JQ дальный на физическое тело приводит

воздействует инерционный элемент при торможении движущегося тела, на котором установлен крешер.

По степени смятия конуса крешера судят о предельной величине силы, воздействующей при торможении. По измеренному значению силы определяется и сообщенное телу ускорение.

Известно -также устройство, где

используется несколько тензодатчиков, 20 буждающего импульса.

наклеенных на один крешерный запоминающий столбик, при этом тензодатчик фиксирует ускорение от массы столбика, расположенной выше него и, таким образом, каждый тензодатчик обладает своей чувствительностью.

Этим достигается расширение диапазона измерения амплитуды ударного импульса.

Цель изобретения ности и информативнос ускорения прямоугольн пульсов с наложенной 25 Поставленная цель что в устройстве для рений импульсов с пом предельных преобразов жащем крешерные столб

Наиболее близким по технической сущ-зд ные между основанием и инерционными

ности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому является устройство, представляющее собой несколько инерционных элементов, установленных с помощью пружин на различные, заранее определенные расстоя- 35 0opMy/,e

элементами, высота цилиндрической части каждого предыдущего крешерного столбика превышает высоту последующего на множитель 1,7-1,8, а массы инерционных элементов определяют по

ния от конусных головок соответствующих крешеров. Предполагается, что пр ударном торможении или разгоне инерционные элементы будут воздействоват на крешеры с заранее обусловленными временами задержки, что при учете различных величин деформаций позволяет получить огибающую переднего фронта ударного импульса.

Однако с помощью известного устройства .может быть исследована лишь возрастающая часть импульса, т.е. его передний фронт, потому что большинство реальных ударных импульсов имеет сложную форму и их исследование данным способом не позволяет получить даже приближенную картину ударного импульса.

Например, при воздействии ударного импульса на торец цилиндрического тела в цилиндре возбуждаются собственные продольные колебания, в результате чего как цилиндр, так и

к наложению на ударный импульс собственных колебаний исследуемого тела. При этом амплитуда наложенных колебаний может в несколько раз пре- восходить амплитуду исходного ударного импульса. В этом случае несколько крешеров фиксируют передний фронт наложенного колебания, что совершенно искажает картину первичного возЦель изобретения повышение точности и информативности измерений ускорения прямоугольных ударных импульсов с наложенной синусоидой. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения ускорений импульсов с помощью контактных предельных преобразователей, содержащем крешерные столбики, размещен0opMy/,e

элементами, высота цилиндрической части каждого предыдущего крешерного столбика превышает высоту последующего на множитель 1,7-1,8, а массы инерционных элементов определяют по

где А В

(1)

+ р SKa° 7x

м , Н 2А

QKaWl - ESKa° 7j 0,5pS(Ta°l7l + x(0,1671aQ -0, + ES

х()-0,167р51гКа° 7 1 tt J

С - 0,5pSQl0lЈ ,5ES(2-le) + + 0,167Ql2lo + 0,l67pS E 1гх

.«vv f|i°-;

Q ftEtg7| 1г, кг /с, Ка° 7 - 3,5б-1СГ5а° Г , м/кг,

S - площадь сечения крешерного

столбика, 1в - высота притупления столби

КЗ, MJ

-полная высота конической

части столбика, м;

модуль упругости материала

столбика, Па;

плотность материала столбика,

кг/м3-,

угол вершины конуса столбика

величина предполагаемого

ускорения, м/с2,

О задаваемая собственная частота колебаний массы инерционного элемента на крешер- ном столбике; 1 - высота цилиндрической части

крешерного столбика, м. При этом собственная частота колебаний массы предыдущего инерционного элемента на крешерном столбике меньше частоты последующего на делитель 1, А.

На фиг. 1 схематически изображен объект испытаний, на фиг.2 - кассета с несколькими преобразователями разрез; на фиг.3-8 - схемы для иллюстрации работы предлагаемого устройства.

Кассета 2 устанавливается внутри объекта 1 испытаний имеющего форму, например, удлиненного цилиндра и закрывается крышкой 3. В кассете 2 размерено несколько предельных преобразователей, состоящих из инерционных элементов А, обладающих различными массами и крешерных столбиков 5 имеющих различную высоту. Резьбовые пробки 6 фиксируют преобразователи, обеспечивают контакт инерционных элементов k со столбиками 5.

Устройство работает следующим образом.

При встрече объекта 1 испытаний с преградой возникает ускорение, и инеционные элементы одновременно воздействуют на крешерные столбики 5 с силой, пропорциональной массам инер ционных элементов k, деформируя конусные части столбиков 5. Одновременно возбуждаются продольные собственные колебания объекта 1 испытаний. При погружении всего объекта в преграду {грунт, песок), тормозящее ускорение достигает максимума и стабилизируется на данном уровне.

Деформация всех крешерных столбиков на этом этапе будет соответствовать максимуму ускорения торможения. Однако вследствие продольных колебаний самого объекта 1 испыта

739302

ний, на все предельные преобразователи будет воздейстововать знакопеременная нагрузка, наложенных на основной прямоугольный ударный импульс колебаний, в некоторых случаях превышающая основной импульс в 5-Ю раз. Но фиксирует эту наложенную синусоиду ускорения только тот преобраJQ зователь, собственная частота которого, после воздействия основного прямоугольного ударного импульса, приведшего к частичной деформации конусной части крешерного столбика,

15 близка частоте продольных колебаний объекта испытаний. Преобразователи, собственная частота которых отличается на величину, большую половины полосы частот от наложенной си20 нусоиды в спектре частот, не фиксируют ускорения наложенной синусоиды и их деформация будет соответствовать усокрению прямоугольного импульса.,

25 При движении тела, например, в форме удлиненного цилиндра, в направлении его продольной оси и тормозящегося при встрече с преградой однородного состава, выполненной,

ад например, в виде тонкостенного ящика с песком, на цилиндр начинает действовать тормозящая сила постоянной величины, поскольку тормозящая сила однородна-. При этом сила начинает действовать на цилиндр практически мгновенно, с максимальной

35

амплитудой, и с момента встречи с преградой до момента остановки цилиндра или прохождения цилиндром преграды амплитуда ускорения будет практически неизменной. Тяким образом, воздействующее на цилиндр ускорение можно представить как прямоугольный скачок ускорения.

При остановке цилиндра или пробивания им преграды тормозящее ускорение мгновенно изменяется от максимального значения до нуля. Таким образом, воздействующее на цилиндр ускорение имеет форму прямоугольного импульса с длительностью & и.цель состоит в измерении его амплитуды а

Однако возникающий при встрече с преградой прямоугольный скачок ускорения возбуждает в цилиндре собственные продольные колебания практически всех форм.

Частоту собственных основных продольных колебаний свободного цилиндра определяют Формулой

- ПС 1 Ч О

Гц,

(2)

где

м;

длина цилиндра, модуль упругости материала цилиндра, н/м, плотность материала цилиндра, кг/м3. Собственные колебания цилиндра, равно как и тела любой другой формы, накладываются на начальный прямоугольный импульс, усложняя картину удара. При определенных условиях амплитуда таких наложенных колебаний может превосходить амплитуду прямоугольного импульса.

При измерении параметров удара контактный предельный преобразователь устанавливается на самом цилиндре и воспринимает удар как прят моугольный импульс с наложенной синусоидой собственных колебаний цилиндра, частоту которых считае.м заданной. Инерционный элемент контактного предельного преобразователя, опирающийся на конусную вершину крешера, также обладает собственной частотой колебаний. В случае совпадения этой частоты или ее близости к заданной частоте собственных продольных колебаний цилиндра показания крешера, вследствие раскачки инерционного элемента на его собственной частоте, превысят амплитуду прямоугольного импульса в 5-Ю раз (фиг.4 В данном случае колебательной системой является одномассовая система, образованная массой инерционного элемента, колеблющегося на крешере. При значении амплитуды наложенных колебаний, равном амплитуде прямоугольного импульса (К 1,0), коэффициенте за- тухания наложенных колебаний ft 1,0 и .числе периодов наложенных колебани на длительности Ј импульса, равном 10 (п 10), при значении нормированной частоты Z колебаний системы инерционная масса - крешер, равном 20, Z определяют по формуле Л

Z

сод

-тс- и

где 00 - собственная частота колебаний инерционного элемента на крешере,

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Крешер фиксирует ускорение, в 11 раз превышающее амплитуду прямоугольного импульса (фиг.6).

Рассматривая спектр текущей реакции системы на прямоугольный удар- нй импульс (фиг.З), можно увидеть, что измерение подобного удара, осуществляет с помощью даже одного крешера. При любой относительной собственной частоте крешера Z, превышающей единицу, будет зафиксирована удвоенная амплитуда при любой длительности удара Ј . усложнение вносит наложенная на прямоугольный импульс синусоида.

Сравнивая спектр текущей реакции системы на прямоугольный ударный импульс (фиг.З) и спектры текущей реакции системы на прямоугольный ударный импульс с наложенной синусоидой при различной относительной длительности (фигЛ и 6), можно увидеть, что основной вклад налаженной синусоиды в спектры заключается в пике с центральной относительной частотой Z 2п, где п - число периодов наложенной синусоиды в длительности ударного импульса.

Пик возникает при совпадении частоты собственных колебаний системы инерционная масса - крешер с частотой наложенных колебаний.

Анализируя спектры, можно увидеть, что если придать нескольким крешерам собственные частоты колебаний так, чтобы интервал Д2 между частотами составлял половину ширины пика в спектре текущей реакции, образованного наложенной на прямоугольный импульс синусоидой, i то из полученных результатов измере- ний можнр сделать следующие выводы: если все измерения близки одно другому, то пик или выше или ниже по частоте относительно группы частот крешеров и среднее арифметическое значение их показаний соответствует удвоенному ускорению прямоугольного импульса, если одно из измерений существенно превосходит остальные, это значит, что пик попал на частоту крешера или близок к ней.

Следовательно, среднее арифметическое значение показаний остальных крешеров соответствует удвоенному ускорению прямоугольного импульса, ускорение от заданной наложенной синусоиды равно разности максимально91

го и среднего арифметического значения минимальных показаний крешерных столбиков, а частота заданной наложенной синусоиды соответствует собственной частоте колебаний крешера, зафиксировавшего максимальное ускорение.

Для практической реализации необходимо изменить конструкцию преобразователя так, чтобы можно было изменять собственные частоты колебаний инерционных элементов на крешерных столбиках в достаточно широких пределах. Поскольку преобразователь компактный и конструктивно простой, наиболее приемлемое изменение его конструкции состоит в изменении высот цилиндрических частей нескольких крешерных столбиков и масс инерционных элементов.

В этом случае собственные частоты колебаний инерционных элементов на крешерных столбиках, образующие одномассовые колебательные системы (фиг.5) в зависимости от масс инерционных элементов и высот цилиндрических частей крешерных столбиков имеют различные высоты.

Собственная частота колебаний одномассовой системы определяется формулой

(О

1

чТЙС1

или МС -Ь., (3)

где(0- собственная частота, 1/с , М - масса инерционного элемента,

КГ}

С - коэффициент податливости кр- шерного столбика, м/Н.

Инерционный элемент контактного Преобразователя выполняется из шли- фованой закаленной стали, а крешер- Ные столбики (фиг.7) - из специального сорта крешерной меди. Ввиду разницы в модулях упругости стали и меди (20,2 1040и 12,5-10 Па со- ответстенно), пренебрегают податли- востью инерционного элемента, счита «Яго абсолютно жестким.

Коэффициент податливости цилиндрической части крешерного столбика определяют из закона Гука

61

1F ES

(4)

де U1 - деформация, м ,

1 - высота столбика, м; F - сила, Н;

739302Ю

Е - модуль упругости меди; S - площадь сечения цилиндрической части крешерного ,столбика.

Коэффициент податливости цилиндрической части крешерного столбика равен

10

гfil , 1 м/м

С4 -р- ES М/Н

(5)

Масса цилиндрической части крешера, участвующая в колебательном движении, равна

t5

Mvp o,5psi .

(6)

20

Масса конической части крешер, участвующая в колебаниях, равна

« I p-S-1 0,167pSl. (7)

Коэффициент податливости конусной части крешерного столбика вытекает также из закона Гука

1Аг Л1Л1

АС ---- -т/5,

С-§Г и

ES

где /Ь - угол конусной части крешера. 30 Интегрируя по 1 полученное выражение, получают tz

кон

I dl

ej, Г i.- i« 1

frEtg f J

поскольку 1, 1„ + 06

где 1- - величина конструктивного притупления вершины крешера;

0(. - величина смятия конуса крешера инерционным элементом при ударе или при статической тарировке.

Положив | г Q, получают

р1 -г.- &

Q( Подставив полученные выражения (5)- (8) в (3) имеют

(8)

(М + М ,р +

М lenu ) (Cu + С |/он ) - --,

КОН

«2

ИЛИ

(M-K,5pSl+ 0,)x

X

Г1- + I-4: о-. :L о(10 +oi) j Q2

(9)

Как видно из уравнения, собственная частота рассматриваемой системы зависит от степени оЈ смятия конуса крешера. Чем больше смят конус, тем выше собственная частота.

Зависимость оЈ от силы смятия Р выражается уравнением

Igui nlgP - b.

Из имеющейся тарировочной таблицы крешера, выполненного согласно фиг.7, определена зависимость

lguЈ 0,693lgF-5,12, (10

где об - деформация крешера, м;

F - сила воздействия инерционного элемента.

Преобразуя уравнение (10), получают

Ci 7,6 -1(Г6(аМГ

м

(It)

Поскольку деформация L имеет нелинейную зависимость от силы F, линеаризуют ее на участке значений М от 0 до 10 10 3кг, т.е. в диапазоне широко используемых масс инерционных элементов.

В результате получают зависимость

06 3,56-КГ а0 7 М - Ка0 7 М, (Г2

Зависимость (12) дает погрешность в определении об по сравнению с точной зависимостью (11), не превышающую 15% в диапазоне масс инерционных элементов 0-1«10 гкг.

С учетом полученного выражения (12) уравнение собственной частоты (9) преобразуется

(М + 0,5pSl + 0,167pSl)jf

Г1 + 1г ls М1«1

Q(I .7мГ J 3

(13)

Решая это уравнение относительно массы инерционного элемента М, получаютг ,

u -В -НВ4 - 4АС М2А

где А QKa0 1 - )

В - 0,5pSQKa° 7 +

t pSKa° 7(0,16712Q - 0,5SE) +

5

+ ES(14-10) -0,167р81гКа° 7QKa°-7-| ,

)Г

С 0,5pSQl0l2 + ,5ES(lt-le)+

+ 0,167д1г1о + 0,l67pSZEl2x

Q -frEtg 1г кг/сг,

Ka° 7 3,56ЧО 5 а0 7, м/кг.

о

При расчете групп крешеров, ориентировочно определяют собственную частоту продольных колебаний исследуемого изделия согласно формуле (2). Группа крешеров должна состоять из трех-пяти комплектов инерционных масс и столбиков. Высоту первого базового

Q крешерного столбика, минимальную,

обладающую максимальной частотой, принимают равной 4,894-Ю 3м, т.е« стан-, дартной, а каждый предыдущий выполняется выше последующего по частоте |

5 в 1, раза. Первому столбику присваивают частоту свободных колебаний, равную заданной, и, пользуясь формулой (13), определяют массу инерционного элемента. Каждому предыдущему столбику присваивается частота, уменьшенная в 1,4 раза. Инерционные массы находятся аналогично по (13).

Применение изобретения приводит- к повышению точности и информативности подчас весьма дорогостоящих испыта5 ний, для реализации которых, при значительных ускорениях удара, применяются даже тележки с разгоном реактивными двигателями. В этих случаях результаты измерений от других сред

средств, как, например, пьезоэлектрические акселерометры, могут переда- | ваться по каналам радиотелеметрии при утрате по какой-либо причине этой информации, единственными достовер$ ными источниками данных измерений являются результаты измерений,полученные с помощью контактных предельных преобразователей. Поэтому повышение их информативности и точности яв50 ляется актуальной задачей, приводящей к экономии значительных средств.

о

Формула изобретения

,- Устройство для измерения ударных ускорений с помощью контактных предельных преобразователей, содержащее крешерные столбики, размещенные между основанием и инерционными эле0

ментами, отличающееся тем, что, С целью повышения точности и информативности измерений, высота цилиндрической части каждого предыдущего крешерного столбика превышает высоту последующего столбика на множитель 1,,8, а массы инерционных элементов определяют из соотношения

М

-В - АС

1дт

де А

QKa° Tl - ESKa° 7} В O.SpSQKa0 7 2- + +

+ pSKa° 7 (0,16712Q 0,5SE) + +Es(b - 10) -0,167USLKa ° 7

/

С - a,5pSQlQl + ,5ESx

х(1г-10(+о,1б7дъдд +

+ 0,167pS2El2() - ESQ10

15™)

Etg

a

o.r

2§i

; 5 1

кг/с ,

- 3,5б-10 эа , м/кг, S - площадь сечения крешерного

столбика,

высота притупления столби1Л и М 4

г Е

полная высота конической части столбика, м; модуль упругости материала столбика, Н/мг;

р - плотность материала столбика,

/3 - угол вершины конуса столбика , .

0

5

а

величина предполагаемого ускорения, м /с2, задаваемая собственная частота колебаний массы инерционного элемента на крешерном столбике; высота цилиндрической части крешерного столбика, м,

при этом чистота колебаний предыдущей массы инерционного элемента на крешерном столбике меньше частоты последующего на делитель 1,.

са 1 -

&

о t s fs /6 го w.j

+ УСТ

8

-4CrL

Фиг.Ч

2

.$

GeefofySi)

t,QMO

.GeKf$,,pfn.)

Ks1ftfb Wfi $

Qg До sin tO

+ УСТ

Фиг. 6

#W

Фиг. 7