Способ испытания объекта на ударную нагрузку

 

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: испытуемый объект подвергают ударному нагружению путем разгона поршня с объектом в стволе разгонного устройства сжатым газом, подаваемым в ствол через газовпускную систему. Для вычисления условий воспроизведения параметров ударной нагрузки определяют коэффициент расхода газовпускной системы. Для определения этого коэффициента разгоняют поршень без объекта, измеряют давление перед газовпускной системой и после нее, максимальную скорость поршня и время ее достижения. Приведено соотношение для определения коэффициента расхода, в которое входят указанные измеренные параметры, а также начальный объем между выходом газовпускной системы и поршнем, перемещение поршня при разгоне до максимальной скорости, площадь поперечного сечения поршня, площадь проходного сечения газовпускной системы и параметры рабочего газа. За счет исключения неопределенности в выборе коэффициента расхода газовпускной системы обеспечивается высокая точность воспроизведения параметров ударной нагрузки. 2 ил.

Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к способам испытания объектов на воздействие ударных нагрузок, реализуемым в пневматических ударных стендах.

Известны способы испытания объектов на воздействие ударных нагрузок, реализуемые в пневматических ударных стендах.

Так, например в стенде для ударных испытаний (патент США N 3226974, кл. 78-12), описан такой способ с применением сменных устройств в формировании ударного импульса. Использование этого способа влечет за собой весьма высокие трудозатраты при переналадке стенда, т.к. для создания каждой заданной формы импульса применяются соответствующие индивидуальные устройства формирования ударного импульса.

В изобретении (авт.св. СССР N 1430777, кл. G 01 M 7/08, 15.10.88) описано устройство, в котором реализован способ испытания объекта на ударную нагрузку, по которому поршень с испытуемым объектом устанавливают в стволе разгонного устройства и подвергают объект ударному нагружению путем сообщения ему кинетической энергии сжатым газом, который подают через газовпускную систему. Газовпускная система выполнена в виде нормально закрытого быстродействующего клапана, который размещен между камерой высокого давления и предпоршневой полостью ствола.

Динамика движения поршня с испытуемым объектом в стволе устройства описывается следующими уравнениями и соотношениями.

где W W_o + F · x




Начальные условия:





m = ρ_п·V_μ; (18)


В уравнениях и соотношениях обозначено:
Р, Р_p давление газа в предпоршневой полости и в камере высокого давления, Па;
П_p приход энергии с одним кг массы газа в предпоршневую полость, Дж;
ρ, ρ_p плотность газа в предпоршневой полости и в камере высокого давления, кг/м³;
P_c давление в окружающей среде, Па;
W_o, W начальный и текущий объемы предпоршневой полости ствола, м³;
t время, с;
Θ объем камеры высокого давления, м³;
М масса поршня с испытуемым объектом, кг;
К показатель адиабаты рабочего газа, для воздуха К 1,4;
F площадь поперечного сечения канала ствола, м²;
S_вп площадь проходного сечения впускного отверстия в предпоршневую полость ствола, м²;
m_вп коэффициент расхода газа через проходное сечение клапана и через отверстие S_вп;
координата, скорость и ускорение объекта при его движении в канале стволе, соответственно;
Х_m длина ствола, на которой разгоняется объект, м;
T_o, T_po температура газа в предпоршневой полости и в камере высокого давления при t 0К;
G_p секундный массовый расход газа из камеры высокого давления, кг/c;
R газовая постоянная, Дж/кг, К;
R_μ универсальная газовая постоянная, Дж/моль, K;
m мольная масса газа, кг/моль;
V_μ мольный объем газа, м³/моль;
r_п плотность газа при нормальных условиях, кг/м³;
Т, Т_p текущее значение температуры газа в предпоршневой полости и в камере высокого давления, соответственно.

Способ испытания объекта на ударную нагрузку, использованный в устройстве, описанном в изобретении (авт.св. N 1430777), принят в качестве прототипа заявляемого технического решения.

Недостаток способа-прототипа низкая точность воспроизведения параметров ударного импульса ускорения, что объясняется следующим образом.

Как видно из приведенной системы уравнений динамической модели устройства, параметры воспроизводимого ударного импульса ускорения (форма, пиковое значение, длительность, изменение скорости за удар) существенно зависят от величины коэффициента расхода газовпускной системы μ_вп
Коэффициент расхода μ_вп газовпускной системы зависит от многих факторов, определяемых конкретной конструкцией клапана. Рекомендации по выбору его величины применительно к рассматриваемому классу ударных стендов в научно-технической литературе отсутствуют. В ударных стендах имеют место нестационарные режимы истечения газа из камеры высокого давления ограниченного объема в предпоршневую полость ствола. Неопределенность (ошибка) в выборе коэффициента расхода приводит к снижению точности воспроизведения параметров ударного ускорения.

Таким образом, настоящее изобретение направлено на решение задачи по созданию способа испытания объекта на ударную нагрузку с исключением неопределенности в выборе коэффициента расхода газовпускной системы. Технический же результат выразится в достижении высокой точности воспроизведения параметров ударного импульса ускорения (формы, пикового значения, длительности, изменения скорости за удар и т.п.).

Сущность изобретения заключается в том, что в способе испытания объекта на ударную нагрузку, по которому поршень с испытуемым объектом устанавливают в стволе разгонного устройства и подвергают объект ударному нагружению путем разгона поршня с объектом сжатым газом, который подают через газовпускную систему, при этом условия воспроизведения параметров ударной нагрузки вычисляют с учетом коэффициента расхода газовпускной системы согласно изобретению, для определения коэффициента расхода газовпускной системы разгоняют поршень без испытуемого объекта, измеряют давление перед газовпускной системой и после нее, максимальную скорость поршня и время ее достижения, а коэффициент расхода газовпускной системы определяют по соотношению

где μ_вп коэффициент расхода газовпускной системы;
W_o начальный объем между выходом газовпускной системы и поршнем;
F площадь поперечного сечения поршня;
X_m перемещение поршня при разгоне до максимальной скорости;
К постоянная адиабаты рабочего газа (для воздуха К 1,4)
P давление газа после газовпускной системы;
t время;
t_в время, за которое воспроизводится максимальная скорость поршня;
P_в давление газа после газовпускной системы при t t_в;
V_п максимальная скорость движения поршня, воспроизводимая за время t t_в;
P_рв давление газа перед газовпускной системой при t t_в
S_вп площадь проходного сечения газовпускной системы;

R газовая постоянная;
T_ро начальная температура газа перед газовпускной системой;
Y_iв коэффициент, зависящий от режима истечения газа;


P_ро начальное давление газа перед газовпускной системой.

Cоотношение для определения коэффициента расхода газовпускной системы получено следующим образом.

Уравнение (3) с учетом соотношения (11) имеет вид:

Из соотношения (8) имеем:

Из уравнения (22) с учетом соотношения (7) получим:

Cоотношение (23) с учетом (24) перепишем в виде:

Обозначим t t_в и время, за которое поршень разгоняется до максимальной скорости V_u,


С учетом (26) запишем:

Обозначим:

С учетом (28) запишем:


С учетом (30) запишем:

где:
После подстановки (32) и (31) и преобразований с учетом (28) получим:

C учетом (10), (26)

На фиг. 1 приведен один из вариантов конструктивной схемы стенда, реализующего пример осуществления заявляемого способа испытания объекта на ударную нагрузку.

Стенд содержит основание 1, установленный на нем ствол 2, размещенный в стволе 2 поршень 3 для размещения испытуемого объекта 4, камеру высокого давления 5, сообщенную через нормально закрытый клапан 6 с полостью 7 ствола 2, и ловушку 8 поршня 3 с испытуемым объектом 4. Камера 5 соединена с источником давления (не показан) через отверстие 9. На входе полости 7 установлена дроссельная шайба 10.

Описываемый стенд работает следующим образом.

Проводят срабатывание стенда (без испытуемого объекта). При этом в поршень 3 может быть установлен массовый эквивалент объекта 4. В ствол 2 стенка устанавливают поршень 3. От источника давления через отверстие 9 сжатый газ (воздух) подается в камеру 5. Затем отверстие 9 перекрывается. В этом состоянии стенд подготовлен для проведения испытания. При срабатывании клапана 6 сжатый воздух из камеры 5 поступает в полость 7 через шайбу 10 с калиброванным проходным сечением. Под действием силы давления воздуха в полости 7 поршень 3 разгоняется в стволе 2 до определенной скорости. В момент выхода из ствола 2 поршень 3 приобретает максимальную скорость. После выхода поршня 3 из ствола 2 он затормаживается ловушкой 8, которая выполнена, например, в виде свободно размещенных в направляющих демпферов и масс (способ торможения объекта путем присоединения масс через демпфирующие элементы).

В процессе срабатывания стенда замеряют величины давлений в камере 5 (перед газовпускной системой) и в полости 7 (после газовпускной системы), а также максимальную скорость поршня 3. Газовпускная система это клапан 6 и дроссельная шайба 10.

Давление газа измеряют стандартными датчиками давления и регистрирующей аппаратурой. Максимальную скорость поршня 3 измеряют, например известным фотоэлектрическим способом.

Например, при срабатывании (при определенной массе поршня 3) получены следующие значения параметров:
W_o 0,001 м³; F 0,1074665 м² (калибр ствола 0,37 м);
Х_m 2,505 м; К 1,4; Р_в 0,179008· 10⁶ Па;
-0,241323·10⁷ Па; Р_рв 0,132708·10⁷ Па;
S_вп 0,0064 м²; V_u 57 м/c; K_o 0,6847;
R 287 Дж/кг, K, T_ро 293К, y_iв 1; Р_ро 0,30411·10⁷ Па;
t_в 0,05525 с.

После подстановки данных в соотношение (21) и вычислений получим значение коэффициента расхода газовпускной системы стенда
μ_вп= 0,424
Затем определяют условия воспроизведения параметров ударной нагрузки.

На фиг. 2 приведена амплитудно-временная зависимость ударного ускорения, воспроизводимая стендом при следующих данных (условиях формирования):
W_o 0,001 м³, Р_c 9,81 ·10⁴ Па; P_po 31 · 9,81 · 10⁴ Па;
Θ 0,049 м³; F 0,1074665 м²; m_вп 0,42; K 1,4;
М 35,5 кг; S_вп 0,0064 м²; Х_m 2,5 м; Р_o 9,81·10⁴ Па.

В поршень 3 (вместо массового эквивалента объекта) устанавливается испытуемый объект 4. Поршень 3 устанавливается в стволе 2 в исходное положение. От источника давления через отверстие 9 сжатый воздух подается в камеру 5. Давление воздуха в камере 5 доводится до величины Р_ро 31·9,81·10⁴ Па. Затем отверстие 9 перекрывается.

При срабатывании клапана 6 сжатый воздух из камеры 5 поступает в полость 7 ствола 2 через шайбу 10 с калиброванным проходным сечением (S_вп 0,0064 м²). Под действием силы давления воздуха в полости 7 поршень 3 с испытуемым объектом 4 ускоренно перемещается в канале ствола 2. При движении в стволе объект подвергается действию испытательного ударного ускорения, амплитудно-временная зависимость которого приведена на фиг. 2.

После выхода поршня из ствола 2 он затормаживается ловушкой 8 аналогично описанному выше способу.

Таким образом, коэффициент расхода газовпускной системы стенда может быть определен с требуемой точностью. По известным математическим выражениям (1) (20) с нужной точностью могут быть определены условия воспроизведения параметров ударного ускорения. В результате с требуемой точностью может быть воспроизведена ударная нагрузка, действию которой подвергают испытуемый объект.

В результате использования предложенного технического решения повышается точность воспроизведения параметров испытательного ударного ускорения.

Формула изобретения

Способ испытания объекта на ударную нагрузку, по которому поршень с испытуемым объектом устанавливают в стволе разгонного устройства и подвергают объект ударному нагружению путем разгона поршня с объектом сжатым газом, подаваемым в ствол через газовпускную систему, при этом условия воспроизведения параметров ударной нагрузки вычисляют с учетом коэффициента расхода газовпускной системы, отличающийся тем, что для определения коэффициента расхода газовпускной системы разгоняют поршень без объекта, измеряют давления перед газовпускной системой и после нее, максимальную скорость поршня и время ее достижения, а коэффициент расхода газовпускной системы определяют по соотношению:

где μ_вп коэффициент расхода газовпускной системы;
W_о начальный объем между выходом газовпускной системы и объектом;
F площадь поперечного сечения поршня;
X_m перемещение поршня при разгоне до максимальной скорости;
K постоянная адиабаты рабочего газа (для воздуха K 1,4);
P давление газа после газовпускной системы;
t время;
t_в время, за которое достигается максимальная скорость поршня;
P_в давление газа после газовпускной системы при t t_в;
V_п максимальная скорость поршня;
P_рв давление газа перед газовпускной системой при t t_в;
S_вп площадь проходного сечения газовпускной системы;

R газовая постоянная;
T_ро начальная температура газа перед газовпускной системой;
Y_тв коэффициент, зависящий от режима истечения газа;



P_ро начальное давление газа перед газовпускной системой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2