ИСПЫТАНИЕ  ОБЪЕКТОВ  НА  СОВМЕСТНОЕ  ВОЗДЕЙСТВИЕ  ВИБРАЦИОННЫХ  И  ЛИНЕЙНЫХ  УСКОРЕНИЙ

Безменова  Анастасия  Владимировна

магистр,  федеральное  государственное  бюджетного  образовательное  учреждение  высшего  профессионального  образования  «Нижегородский  Государственный  Технический  Университет  им.  Р.Е.  Алексеева»  Арзамасский  Политехнический  Институт  (филиал),  РФ,  г.  Арзамас

E -mail:  strela120481.bezmenova@yandex.ru

Прис  Наталья  Михайловна

канд.  техн.  наук,  федеральное  государственное  бюджетного  образовательное  учреждение  высшего  профессионального  образования  «Нижегородский  Государственный  Технический  Университет  им.  Р.Е.  Алексеева»  Арзамасский  Политехнический  Институт  (филиал),  РФ,  г  Арзамас

E -mail:  pris@apingtu.edu.ru

OBJECT  CHECK  FOR  COMBINED  EFFECT  OF  VIBRATION  AND  LINEAR  ACCELERATIONS

Anastasia  Bezmenova

master’s  degree  student,  Arzamas  Polytechnic  Institute,  branch  of  FSBEI  HVE  Nizhny  Novgorod  State  Technical  University  named  after  R.E.  Alexeyev,  Russia,  Arzamas

Natalia  Pris

candidate  of  Science,  Arzamas  Polytechnic  Institute,  branch  of  FSBEI  HVE  Nizhny  Novgorod  State  Technical  University  named  after  R.E.  Alexeyev ,  Russia,  Arzamas

АННОТАЦИЯ

В  данной  статье  рассмотрены  конструкции  вибрационных  стендов  и  представлена  новая  конструкция  стенда  для  лабораторных  испытаний  макетов  и  образцов  изделий  и  их  составных  частей  на  совместное  воздействие  линейных  и  вибрационных  ускорений. 

ABSTRACT

This  article  considers  constructions  of  vibration  stands  and  presents  a  new  stand  construction  for  laboratory  tests  of  models,  test  units  and  its  components  for  combined  effect  of  linear  and  vibration  accelerations. 

Ключевые  слова:   испытания;  эксплуатационные  и  вибрационные  нагрузки;  момент  инерции;  крутильные  колебания.

Keywords:   tests;  service  and  vibratory  loads;  moment  of  inertia;  torsional  vibrations.

Разработка  методики  испытаний  изделий  и  их  составных  частей  на  совместное  воздействие  внешних  факторов,  имитирующих  эксплуатационные  нагрузки,  является  актуальной  задачей  в  мировой  и  российской  практике.  Достаточно  часто  требуется  исследовать  макеты  и  образцы  изделий,  а  также  их  составные  части  на  совместное  воздействие  вибрационных  нагрузок  и  линейного  ускорения.  Для  обеспечения  указанных  условий  испытаний  требуется  создание  соответствующего  испытательного  оборудования.

В  настоящее  время  в  промышленности  создание  испытательных  установок,  реализующих  совместное  воздействие  вибрации  и  линейных  ускорений  на  объект  испытания,  основывается  на  компоновке,  включающей  в  свой  состав  центрифугу  и  вибрационную  установку,  которые  являются  дорогостоящим  энергоемким  оборудованием.  При  этом  необходимо  решать  задачи  сопряжения  вибратора  и  центрифуги,  передачи  колебаний  на  вращающийся  ротор  центрифуги,  иметь  вибратор  с  большой  тягой  в  связи  с  тем,  что  колебания  на  испытываемые  изделия  передаются  через  массивный  ротор  центрифуги.  При  этом  каждый  элемент  имеет  свою  сложную  и  дорогостоящую  систему  управления.

Известен  «Стенд  для  испытания  изделий  на  комбинированное  воздействие  линейных  и  вибрационных  ускорений»  (а.с.  СССР  №  1196713,  G01M7/00,  опубл.  07.12.85,  Бюл.№  45  [1]),  содержащий:  платформу  с  вертикальной  осью  вращения,  привод  платформы,  соосно  установленные  на  платформе,  привод  с  горизонтальной  осью  вращения  и  электродинамический  вибровозбудитель.  В  состав  стенда  также  входит  стол  для  установки  испытуемого  изделия,  соединенный  с  подвижной  частью  вибровозбудителя  полым  переходником,  устройство  для  удержания  вибровозбудителя  в  рабочем  зазоре  его  магнитопровода  и  средства  центрирования  подвижной  части  вибровозбудителя.

Также  имеет  место  «Стенд  для  испытания  изделий  на  комплексное  воздействие  вибрационных  и  линейных  ускорений»  (а.с.  РФ  №  1521016,  МПК6G01M7/00,  опубл.20.08.96,  Бюл.№  23  [2]),  содержащий  вибровозбудитель  и  центрифугу,  ротор  которой  установлен  на  подвижной  части  вибровозбудителя  и  служит  для  закрепления  испытуемых  изделий.

Оба  стенда  очень  сложны  в  конструкции.  В  первом  стенде  используются  дорогостоящие  вибраторы,  в  которых  применены  специальные  технические  решения,  так  как  они  работают  в  поле  больших  инерционных  сил.  Во  втором  стенде  сложность  заключается  в  том,  что  необходимо  решать  задачи  сопряжения  вибратора  и  центрифуги,  передачи  колебаний  на  вращающийся  ротор  центрифуги,  иметь  вибратор  с  большой  тягой  в  связи  с  тем,  что  колебания  на  испытываемые  изделия  передаются  через  массивный  ротор  центрифуги.

Из  известных  решений  подобной  задачи  ближайшим  аналогом  предлагаемого  стенда  является  установка  (рис.  1),  которая  защищена  патентом  РФ  №  RU  2191993,  МПК7G01M7/00,  опубл.27.02.2002,  Бюл.№  28  [3].

Данная  установка  позволяет  реализовать  новый  принцип  совместного  воздействия  вибрационных  нагрузок  и  линейного  ускорения.  В  ней  используется  стандартный  электродвигатель  постоянного  тока,  на  валу  которого  закреплен  стол  с  объектом  испытания.  Специальным  образом,  управляя  параметрами  питания  двигателя  постоянного  тока,  его  вал  одновременно  совершает  вращательное  движение  и  крутильные  колебания,  что  обеспечивает  совместное  воздействие  на  объект  испытания  вибрации  и  линейного  ускорения.  Установка  так  же  требует  достаточно  больших  затрат  электрической  энергии  для  создания  требуемых  уровней  крутильных  колебаний  (с  помощью  которых  реализуются  вибрационные  ускорения),  так  как  присутствует  большой  момент  инерции  вращающейся  системы:  вал  электродвигателя→платформа→изделие  с  оснасткой.

Разрабатываемая  установка  является  прототипом  существующего  оборудования,  позволяющего  исключить  влияние  момента  инерции  на  уровень  крутильных  колебаний  и  таким  образом  значительно  снизить  потребление  электрической  энергии.  При  этом  в  рассматриваемой  установке  сохраняются  все  достоинства  вышеуказанной  схемы,  а  именно  дешевизна  и  простота  конструкции  за  счет  применения  стандартного  электродвигателя  (см.  рис.  1).

Рисунок  1.  Стенд  А1508-П3507:  1  —  электродвигатель  постоянного  тока,  2  —  силовая  рама,  3  —  вал  электродвигателя,  4  —  платформа

Устранение  выявленных  недостатков  существующих  установок  компенсируется  при  реализации  данного  технического  решения  за  счет  использования  эксцентрика,  который  позволяет  формировать  вибрационные  ускорения,  передающиеся  на  испытуемое  изделие  по  направлению  вдоль  радиуса  вращающейся  платформы.  То  есть  в  создании  вибрационных  ускорений,  действующих  на  изделие,  нет  необходимости  формировать  крутильные  колебания  вращающейся  платформы  с  изделием  и  противовесом.

По  результатам  разработки  стенда  оформлены  материалы  заявки  на  изобретение  «Стенд  для  испытания  изделий  на  совместное  воздействие  вибрационных  и  линейных  ускорений»,  на  которую  получено  положительное  решение  в  ОПИНТИ.

При  разработке  конструкции  стенда  учитывались  следующие  условия:

·     себестоимость  изготовления;

·     легкость  обслуживания  и  взаимозаменяемость  элементов  конструкции;

·     снижение  энергозатрат;

·     обеспечение  требуемых  нагрузок,  действующих  на  объект  испытания;

·     линейные  ускорения  —  300  м/с²;

·     вибрационные  нагрузки  —  100  м/с²;

·     температура,  влажность  и  давление  —  нормальные  климатические  условия  в  соответствии  с  ГОСТ  РВ  20.57.303  (температура  воздуха  15..35  ^оС,  относительная  влажность  воздуха  45…75  %,  атмосферное  давление  645…795  мм  рт.  ст.).

Масса  объекта  испытаний  (ОИ)  до  20  кг.

Конструкция  стенда  показана  на  рис.  2.

В  ходе  разработки  конструкции  возникла  проблема  обеспечения  беззазорного  соединения  тяг  поз.  9  с  эксцентриком  поз.  4  и  подвижными  опорами  поз.  8  стенда.  Для  решения  этого  вопроса  был  выбран  вариант  с  применением  бронзовых  втулок  поз.  16,  в  которые  устанавливаются  пальцы  поз.  17  по  посадке  с  натягом.  Чтобы  снизить  трение  между  направляющей  и  подвижной  опорой  предусмотрели  крепление  на  опоре  поз.8  латунных  полуколец  поз.  15.

К  силовому  каркасу  поз.  7  через  фланцевые  соединения  крепятся  две  горизонтальные  направляющие  поз.  11.  Все  элементы  конструкции  стенда  изготавливаются  из  стандартных  труб  и  листов.  Центрирование  силового  каркаса  поз.  7  относительно  вала  стенда  поз.  1  происходит  с  помощью  двух  радиально-упорных  подшипников  поз.  18.  Передача  крутящего  момента  на  силовой  каркас  поз.  7  стенда  осуществляется  с  помощью  ведущей  и  ведомой  полумуфт  (поз.  3  и  соответственно  поз.  6),  соединенных  между  собой  сменными  упругими  элементами  поз.  5.  Ведущая  полумуфта  поз.  3  жестко  устанавливается  на  вал  поз.  1  через  шпонку  поз.  19,  а  ведомая  полумуфта  поз.  6  жестко  крепиться  на  силовой  каркас  поз.  7  стенда.  Силовой  каркас  поз.  7  со  всеми  входящими  в  него  элементами  устанавливается  на  переходную  плиту  поз.  20  с  радиально-упорным  подшипником  поз.  21.  Соединение  вала  электродвигателя  поз.  2  с  валом  стенда  поз.1  осуществляется  с  помощью  шпонки  и  фланца  (поз.  22  и  соответственно  поз.  14).

Подвижные  опоры  поз.  8  для  закрепления  объектов  испытаний  и  противовеса  выполнены  с  возможностью  продольного  перемещения  относительно  направляющих  поз.  11.  Вдоль  направляющих  поз.  11  размещены  тяги  поз.  9,  каждая  из  которых  одним  концом  шарнирно  соединена  с  соответствующей  подвижной  опорой  поз.  8,  а  другим  концом  шарнирно  соединена  с  эксцентриком  поз.  4.  Эксцентрик  поз.  4  устанавливается  на  вал  поз.1  через  шпонку  поз.  12. 

Электрический  привод  выполнен  с  возможностью  одновременной  подачи  постоянной  и  переменной  составляющих  тока  на  обмотку  якоря  электродвигателя  постоянного  тока.

Рисунок  2.  Конструкция  стенда:  1  —  вал  стенда,  2  —  электродвигатель  постоянного  тока,  3  —  ведущая  муфта,  4  —  эксцентрик,  5  —  упругие  элементы,  6  —  ведомая  муфта,  7  —  силовой  каркас,  8  —  подвижная  опора  для  крепления  изделия,  9  —  тяга,  10  —  токосъемник,  11  —  направляющая,  12  —  фланец,  13  —  латунные  полукольца,  14  —  втулка,  15  —  палец,  16  —  подшипник,  17  —  шпонка,  18  —  плита,  19  —  подшипник,  20  —  шпонка,  L   —  длина  тяги,  ε  —  эксцентриситет,  ω  —  крутильные  колебания,  υ  —  скорость  вращения  вала  двигателя,  φ  —  угол  между  осью  тяги  и  центральной  осью  направляющей

Выбор  конструкции  муфт,  подшипников  и  других  конструктивных  элементов  осуществлялся  на  основе  анализа  типовых  конструкций  согласно  справочникам  [5,  6,  7,  8]).

При  одновременной  подаче  тока  на  обмотку  якоря  электродвигателя  поз.  2,  имеющего  постоянную  и  переменную  составляющие,  вал  электродвигателя  вращается  с  постоянной  скоростью  V  и  совершает  крутильные  колебания  ω.  Вращение  вала  стенда  поз.  1  через  ведущую  полумуфту  поз.  3  и  ведомую  полумуфту  поз.  6,  соединенные  между  собой  упругими  элементами  поз.  5,  передают  вращающий  момент  на  силовой  каркас  поз.  7  и  направляющие  поз.  11,  тем  самым,  обеспечивая  реализацию  линейных  нагрузок  на  изделие  и  противовес,  закрепленных  на  подвижных  опорах  поз.  8.

Крутильные  колебания  вала  стенда  поз.  1  с  помощью  эксцентрика  поз.4  (рис.  3)  преобразуются  в  колебания  изделий,  направленные  вдоль  направляющих  поз.  11.  Эксцентрик  поз.  4  соединен  с  валом  установки  поз.  1  через  шпонку  поз.  12,  на  котором  вертикально  (на  небольшом  удалении  от  оси  вала  стенда  поз.  1)  крепится  палец  поз.  13,  обеспечивающий  эксцентриситет  ε.  К  эксцентрику  поз.  4  через  палец  поз.  13  крепятся  тяги  поз.  9,  противоположные  концы  которых  соединены  с  подвижными  опорами  поз.  8.

При  этом  величина  угла  φ,  образованного  между  продольной  осью  направляющей  поз.11  и  тягой  поз.  9,  имеющей  длину  L=0,9  м  и  эксцентриситет  ε  от  0,05  до  0,06  м,  составляет  угол  φ  от  3  до  4  градусов,  что  значительно  меньше  угла  заклинивания.  Ведущая  полумуфта  поз.  3  может  совершать  крутильные  колебания  относительно  ведомой  полумуфты  поз.  6  за  счет  деформации  упругих  элементов  поз.  5.  В  качестве  упругих  элементов  поз.  5  могут  быть  использованы  резиновые  сегменты  разной  жесткости.  Таким  образом,  крутильные  колебания  вала  стенда  поз.  1  не  передаются  на  вращающийся  силовой  каркас  поз.  7,  а  преобразуемые  эксцентриком  поз.  4  в  колебания,  непосредственно  действуют  на  подвижные  опоры  поз.  8.

Рисунок  3.  Эксцентрик:  1  —  вал,  4  —  эксцентрик,  9  —  тяга,  12  —  шпонка,  13  —  палец,  ε  —  эксцентриситет,  φ  —  угол  между  осью  тяги  и  центральной  осью  направляющей

Изменяя  величину  постоянной  составляющей  тока,  питающего  обмотку  якоря  электродвигателя  поз.  2,  и  расстояние  от  оси  вала  стенда  поз.1  до  подвижных  опор  поз.  8  (например,  изменением  длины  L  тяг  поз.  9  и  длины  направляющих  поз.  11),  можно  влиять  на  уровень  линейного  ускорения. 

Изменяя  величину  переменной  составляющей  тока,  питающего  обмотку  якоря  электродвигателя  поз.  2,  и  тип  резиновой  смеси  сменных  упругих  элементов  поз.  5,  имеющей  различные  жесткостные  характеристики,  можно  влиять  на  уровень  крутильных  колебаний.

Для  передачи  сигнала  от  задающих  и  контрольных  первичных  измерительных  преобразователей,  установленных  на  изделиях,  к  преобразовательным  устройствам  и  средствам  измерения  используется  токосъемное  устройство  поз.  10,  которое  представляет  собой  контактные  кольца,  установленные  на  валу  стенда  поз.  1,  и  неподвижные  контактные  пластины.

ВЫВОДЫ

1.  Проведен  патентный  поиск  установок,  обеспечивающих  реализацию  совместного  воздействия  вибрационных  нагрузок  и  линейного  ускорения  на  исследуемый  объект,  в  результате  которого  выбран  прототип  стенда,  а  также  получено  положительное  решение  по  материалам  заявки,  направленным  в  ОПИНТИ,  на  изобретение  «Стенд  для  испытания  изделий  на  совместное  воздействие  вибрационных  и  линейных  ускорений»  [9].

2.  Разработаны  схемы  стенда  для  испытания  изделий  на  совместное  воздействие  вибрационных  и  линейных  ускорений  на  основании  принятых  конструкторско-технических  решений. 

3.  Разрабатывается  конструкторская  документация,  которая  позволит  изготовить  оборудование  для  испытания  образцов  изделий  и  их  составных  частей  на  комплексное  воздействие  вибрационных  нагрузок  и  линейного  ускорения,  приближенных  к  эксплуатационным.

Список  литературы:

1.Бакуменко  В.И.,  Бондаренко  В.А.,  Косоруков  С.Н.  и  др.;  Краткий  справочник  конструктора  нестандартного  оборудования.  В  2-х  томах.  Под  общ.  Ред.  Бакуменко  В.И.  М.:  Машиностроение,  1997.

2.Михайлов  Ю.К.,  Иванов  Б.С.  Муфты  с  неметаллическими  упругими  элементами.  Л.:  Машиностроение,  1987.  —  145  с.

3.Орлов  П.И.  Основы  конструирования:  Справочно-методическое  пособие.  В  2-х  кн.  Кн.  2.  Под  ред.  П.Н.  Учаева.  3-е  изд.,  исправл.  М.:  Машиностроение,  1988.  —  544  с.:  ил.

4.Ряховский  О.А.,  Иванов  С.С.  Справочник  по  муфтам.  Л.:  Политехника,  1991.  —  384  с.:ил.

5.«Стенд  для  испытания  изделий  на  комбинированное  воздействие  линейных  и  вибрационных  ускорений»,  а.с.  СССР  №  1196713,  G01M7/00,  опубл.  07.12.85,  Бюл.№  45.

6.«Стенд  для  испытания  изделий  на  комплексное  воздействие  вибрационных  и  линейных  ускорений»,  а.с.  РФ  №  1521016,  МПК6G01M7/00,  опубл.20.08.96,  Бюл.  №  23.

7.«Способ  динамических  испытаний  изделий»,  а.с.  РФ  №  2191993,  МПК7G01M7/00,  опубл.27.20.2002,  Бюл.№  28.

8.«Стенд  для  испытания  изделий  на  совместное  воздействие  вибрационных  и  линейных  ускорений»,  материалы  заявки  на  изобретение,  исх.  №  15/133-А  от  26.01.2009.

9.«Техническое  задание  на  разработку  приспособления  для  испытаний  изделий  на  комплексное  воздействие  вибрационных  и  линейных  ускорений»  №  А1505.3-Пр1471.