Устройство для измерения ударных ускорений

 

Изобретение относится к измерительной технике. При встрече объекта испытаний с преградой возникает ускорение и инерционные элементы Ц одновременно воздействуют на крешерные 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

Ц«Л С

РЕСПУ1ЬЛИН ав (111 щр G 01 P 21/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

«йвчай

Н А ВТОРСКОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

Г}РИ ГКНТ СССР

1 (21) 4659030/10 (22) 06.03.89 (46) 07.06.92. Бюл. М . 21 (71.) Научно-исследовательский институт измерительной техники (72) И.А.Никитин, Г.М.Пушкарев и В.С.Лузгин (53) 53 1 ° 768(088.8) (56) Клюев В.В.Приборы и системы для измерений вибраций, шума и удара, т.1, И.: Машиностроение, 1978, с.186.. (54) УстРойство для изи рщи,« У«Арне

УСКОРЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике. При встрече объекта испытаний с преградой возникает ускорение и инерционные элементы 4. 4

2 одновременно воздействуют на крешерные 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 7-1,8, а массы М инер. ционных элементов определяются по All ределенной формуле, а частота колебаний предыдущей массы инерционного элемента на крешерном столбике меньше частоты последующего на делитель

t 4, 8ил.

17393

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 цилиндр с конусной вершиной, на которую 6п 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, щ 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 диа пазона измерения амплитуды ударного . импульса.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому является уст" ройство, представляющее собой несколько инерционных элементов, установленных с помощью пружин на различные, заранее определенные расстояния от конусных головок соответствующих крешеров. Предполагается, что при ударном торможении или разгоне инерционные элементы будут воздействовать 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 боль" шинство реальных ударных импульсов имеет сложную форму и их исследование данным способом не позволяет получить даже приближенную картину ударного импульса.

Например, при воздействии ударно"

ro импульса на торец цилиндрического тела в цилиндре возбуждаются собственные продольные колебания, в ре" зультате чего как цилиндр, так и

02 4 установленный 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 прямо" угольны",, треугольный, полусинусоидальный на физическое тело приводит

° к наложению на ударный импульс собственных колебаний исследуемого тела. При этом амплитуда наложенных колебаний может в несколько раз превосходить амплитуду.исходного ударного импульса. В этом случае несколько крешеров фиксируют передний фронт наложенного колебания, что совершен" но искажает картину первичного возбуждающего импульса.

Цель 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, содер" жащем крешерные столбики, размещенные между основанием и инерционными элементами, высота цилиндрической части каждого предыдущего крешерного столбика превышает высоту последующего на множитель t,7-3,8, а массы инерционных элементов определяют Ilo формуле

-e+ 4 e -660, где А = ЯКа 1 — ESKa

0,7 0,7

В 0,5PSQ à 1+1(Qla + P SKaa u

Х (О, 1б71 () — 0,5SE)g+ ES 77 а ((1 6- 1 ) - О, 167Р S1aKa

С - 0,5PSQlal + P Sl(0,566<1 -1,>+

+ 0,1670171Д+ O,i67PS К 17х

ЕБО1о к(1 -1)

O у ) ф

Ц =9Etg - 1, кг/с, Ка 3,56 ° 10 а., м/кг, S - -площадь сечения крбшерного столбика, м ;

1 — высота притупления столби ка, м „

7393,02 6 ний, на все предельные преобразователи будет воздейстововать знакопеременная нагрузка, наложенных на основной прямоугольный ударный импульс колебаний, в некоторых случаях превышающая основной импульс в 5-10 раз.

Но фиксирует эту наложенную синусоиду ускорения только тот преобразователь, собственная частота которого, после воздействия основного прямоугольного ударного импульса, приведшего к частичной деформации конусной части крешерного столбика, близка частоте продольных колебаний объекта испытаний. Преобразователи, собственная частота которых отличается на величину, большую половины полосы частот от наложенной си;Я нусоиды в спектре .частот, не фиксируют ускорения наложенной синусоиды и их деформация будет соответствовать усокрению прямоугольного импул ьса .

Zg При движении тела, например, в форме удлиненного цилиндра, в направлении его продольной оси и тормозящегося при встрече с преградой однородного состава, выполненной, ЗО например, в виде тонкостенного ящика с песком, на цилиндр начинает действовать тормозящая сила постоянной величины, поскольку тормозящая сила однородна. При этом сила на чинает действовать на цилиндр практически мгновенно, с максимальной амплитудой, и с момента встречи. с преградой до момента остановки цилиндра или прохождения цилиндром

40 преграды амплитуда ускорения будет практически неизменной. Тяким образом, воздействующее на цилиндр ускорение можно представить как прямоугольный скачок ускорения, 5 1

1 — полная высота конической части столбика, м;

Е - модуль упругости материала столбика, Па, Г - плотность материала столбика, кг/и ;

- угол вершины конуса столбика, S а - величина предполагаемого ускорения, м/с, Q - задаваемая собственная частота колебаний массы инерционного элемента на крешерном 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, 4.

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 размещено несколько предельнных преобразователей, состоящих из инерционных элементов 4, обладающих различными массами и крешерных .столбиков 5, имеющих различную высоту, Резьбовые пробки 6 фиксируют преобразователи, обеспечивают контакт инер- ционных элементов 4 со столбиками 5.

Устройство работает следующим образом;

При встрече объекта 1 испытаний с преградой возникает ускорение, и инерционные элементы 4 одновременно воздействуют на крешерные столбики 5 с силой, пропорциональной массам инерционных элементов 4, деформируя конусные части столбиков 5. Одновременwo 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 испытаПри остановке цилиндра или ïðîбивания им преграды тормозящее ускорение мгновенно изменяется от максимального значения до нуля, Таким обра зом, воздействующее на цилиндр ускорение имеет форму прямоугольного импульса с длительностью и, цель

Р ,состоит в измерении. его амплитуды а

Однако возникающий при встрече с преградой прямоугольный скачок ускорения возбуждает в цилиндре собI ственные продольные колебания прак, тически всех форм.

Частоту собственных основных продольных колебаний свободного цилинд- . ра определяют формулой

05 Ге

Гц (2) р Ф Э вЂ” длина цилиндра, м;

" модуль упругости материала цилиндра, н/м, 1

- плотность материала цилиндра, кг/м .

Собственные колебания цилиндра, равно как и тела любой другой формы, на кладываются на начал ь ный 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 циФ линдре и воспринимает удар как пря-. моуголь ный импул ьс с наложенной, синусоидой собственных колебаний цилиндра, .частоту которых считаем заданной. Инерционный элемент контактного предельного преобразователя, опирающийся на конусную вершину крешера, также обладает собственной частотой колебаний. 8 случае совпа» дения этой частоты или ее близости к заданной частоте собственных продольных колебаний цилиндра показания крешера, вследствие "раскачки" инерционного элемента на его собственной частоте, превысят амплитуду прямо,угольного импульса в 5-10 раз (фиг.4).

В данном случае колебательной системой является одномассовая система, образованная массой инерционного эле" мента, колеблющегося на крешере. При значении амплитуды наложенных колебаний, равном амплитуде прямоугольного импульса (К = 1,0), коэффициенте за тухания наложенных колебаний f3 = 1,0 и .числе периодов .наложенных колебаний на длительности . с импульса, равном л

10 {n = 10), при значении нормированной частоты Z колебаний системы инер- ционная масса - крешер, равном 20, Z определяют по формуле

7 «у» j ф где Я - собственная частота коле" о баний инерционного элемента на крешере, где 1

739302 8

Kpewep фиксирует ускорение, в

11 раз превышающее амплитуду прямоугольного импульса (фиг.6) .

Рассматривая спектр текущей ре. акции системы на прямоугольный удар», нй импульс (фиг.3), можно увидеть, что измерение подобного удара . осуществпк:от с помощью даже одного кре1р шера. При любой относительной соб, ственной частоте крешера 2, превышающей единицу, будет зафиксирована удвоенная амплитуда при любой длительности удара Й .. усложнение вносит наложенная на прямоугольный импульс синусоида.

Сравнивая спектр текущей реакции системы на прямоугольный ударный импульс (фиг.3) и спектры текущей ре20 акции системы на прямоугольный ударный импульс с наложенной синусоидой при различной относительной длитель" ности {фиг.4 и 6), можно увидеть, что основной вклад наложенной сину25 соиды в спектры заключается в пике с центральной относительной частотой Z = 2n, где n - 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 уви-. деть, что если придать нескольким

35 крешерам собственные частоты колебаний так, чтобы интервал 5Z между частотами составлял половину. ширины пика в спектре текущей ре" акции, образованного наложенной на прямоугольный импульс синусоидой, то из полученных результатов измере-|, ний можнр сделать следующие выводы: если все измерения близки одно дру" гому, 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 арифмети55 ческое значение показаний остальных крешеров соответствует удвоенному ускорению прямоугопьного импульса, ускорение от заданной наложенной синусоиды равно разности максимально9 1

ro и среднего арифметического значе" ния минимальных показаний крешерных столбиков, а частота заданной нало1 женной 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 пре" делах. 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

1 1

Я "---- или МС = --- - . (3)

4МС а где Я- собственная частота, 1/c, И - масса инерционного элемента, КГ

С - коэффициент податливости кршерного столбика, м/Н.

Инерционный элемент контактного преобразователя выполняется из шлифованой закаленной стали, а крешерные столбики (фиг.7) - из специального сорта "крешерной" меди. Ввиду разницы в модулях упругости стали и меди (20,2 10 и 12, 5 ° 10 Па сортветстенно), пренебрегают податлиЙзстью инерционного элемента, считая

Юо абсолютно жестким.

Коэффициент податливости цилиндрмческой части крешерного столбика определяют из закона Гука де Ь 1 — деформа ция, м;

1 - высота столбика, м;

F - сила, И;

739302 10

E - модуль уп

S — л ругости меди; и ощадь сечения цилиндрической части крешерного столбика.

Коэффициент податливости цилиндрической части крешерного столбика равен

С„= — -- = — Е.„- / ®

Масса цилиндрической части крешера, участвующая в колебательном движении, равна (6) М„= 0,5Р Sl

Масса конической части крешера, участвующая в колебаниях, равна

Икон P S 1 O,167IÝS

Коэффициент податливости конусной части крешерного столбика вытекает

25 также из закона Гука

1 Ь l Ь1

С = и ЬС= — — = — — ——

ES ES л 12 <Р п Еl tg—

2 где P - угол. конусной части крешера.

- {0 Интегрируя по 1 полученное выра. жение, получают

4 (д1

С

g3 и Etg — 1

1г. - 1

1, 1, юЕ 8

1 1о+ {4 где 1 — величина конструктивного

0 притупления вершины крешера, О(. -.величина смятия конуса крешера инерционным элементом при ударе или при статической тарировке.

Положив {{ Etg — 1 = {,{, получают («8

Я

1. 2. — lо о

С = — — — — --—-. .° (8} кои= (1 + }

Подставив полученные выражения (5)(8) в (3) имеют (М+ Икр+ Икон)(СИ+ С".) = -2

1 ,)г . или (И+0,5PSl+ 0,167PSl} r

173Ì02

1g< = nlgP - Ь, -в + ,2А

1l 1 1а- 1o+0 1 (9)

")ES О(1, +oC) у

Как видно иэ уравнения, собственная частота рассматриваемой системы зависит от степени g смятия кону" са крешера. Чем больше смят конус, тем выше собственная частота.

3aвисимость O(, от силы смятия Р выражается уравнением

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

1gg= 0,693lgF -5,12, . (1Ц где (х - деформация крешера, м

F - сила воздействия инерционного элемента.

Преобразуя уравнение (10), получают.

g = 7,6 1О (аИ), м (») Поскольку деформация имеет нелинейную зависимость от силы F, ли" неаризуют ее на участке значений И от 0 до 10 710 3 кг, т.е. в диапазоне широко используемых масс инерционных элементов.

В результате получают зависимость о,т И К ЮИ

Зависимость (12) дает погрешность в определении 04 по сравнению с точной зависимостью (11), не превышающую .153 в диапазоне масс инерционных элементов 0-1.-10 кг.

С учетом полученного выражения (12) уравнение собс венной частоты (9) преобразуется. (М + 0,5PSl. + 0,167 )81) Ф (13}

1 1.-1 -Ka Ì ф +

ЕБ Я(10 + Као.тм) Яа

Решая это уравнение. относительно массы инерционного элемента И, получают

+ ES Г(1й 1о) — 0,167))SlzKa —

QKa оЛ q у2 )

С = 0,5PSQ1 1 + PS)(0,5ЕВ(1 -1 )+

+ 0,1670111Д+ 0,167PS Sla к

)((1 - 1 ) — — — °

ЕЗо1, 7

Я )

/ Е. 11

Q "AEtg - 1 кг/с

Ka 3,56 10 а, м/кг. кк

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 крешерного столбика, минимальную, обладающую максимальной частотой, принимают равной 4,89 "10 м, т.е6 стан-,. дартной, а каждый предыдущий выпол" няется выше последующего по частоте

2 в 1,7-1,8 раза. Первому столбику присваивают частоту свободных колебаний, равную заданной, и, .пользуясь формулои (13), определяют массу инерци" онного элемента . Каждому предыдущему

З столбику присваивается частота, .Уменьшенная в 1,4 раза. Инерционные .массы находятся аналогично по (13).

Применение изобретения приводит. к повышению точности и информативностиподчас весьма дорогостоящих испыта3$ ний, для реализации которых, при значительных ускорениях удара, приме" няются даже тележки с разгоном реактивными двигателями. В этих случаях результаты измерений от других сред

4О средств,. как, например, пьезоэлектрические акселерометры, могут передаваться по каналам радиотелеметрии при., утрате по какой-либо причине этой информации, единственными достовер4э ными источниками данных измерений являются результаты измерений, полученные с помощью контактных предельных преобразователей. Поэтому повышение их информативности и точности яв © ляется актуальной задачей, приводя- . щей к зкономии значительных средств. формула изобретения где А QKa 1 — Е$Ка, 0,1 0,7

В 0,5pSQKa 1 +1101 +

0,7 2

К PSKa (0,1671SQ - 0,5ВЕ)7+

Устройство для измерения ударных ускорений с помощью контактных предельных преобразователей, содержащее крешерные столбики, размещенные между основанием и инерционными элеf3

173930>

14 ментами, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и информативности измерений, высота цилиндрической части каждого предыдущего крешерного столбика превышает .высоту последующего столбика на множитель 1,7-1,8,, а массы инерционных элементов определяют из соотношения

-В +

М

2А

OiZ О,7, где А gKa 1 — ESKa

В - O,SpSq a 7i + iraqi +

+ ) SKa (0, f67lgg - О,5SE))+

+Е$((1 - lo) -О, f67/Spa — с - а,ь вщт + (sx(o,5кя

М (l -1д (+0,167Ц1 1д)+

+ 0,167()$ Е1 (1 -1о)

Я

Е$ч1о

° ° ЯЪ

Q l Etg 1, кг/с

> zg г

К .т, = 3,56 ° 10 ао,7 м/кг, S - площадь сечения крешерного столбика, м ;

1 — высота притупления столби6 ка, м, 1 — полная высота конической а

Ф

10 части столбика, м, E - модуль упругости материала столбика, Н/м, р

- плотность материала столби ка, xr/ì, 15 . - угол вершины конуса столбика, . а - величина предполагаемого ускорения, м /с, Я - задаваемая собственная

Ю частота. колебаний массы инерционного. элемента на крешерном столбике, 1 — высота цилиндрической части крешерного столбика, 25 м, при этом чистота колебаний прелыдущей массы инерционного элемента на крешерном столбике меньше частоты последующего на делитель 1,4.

1739302

12 дф

1739302 Фиг.8

1739302

-0,9

Сост*витеь Г. Пушкарев в

Техред А.Кравчук Корректор C Шекиар

Реда ктор A. Коэориэ

:Заказ 2000 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101