Стенд для исследования волновых процессов

 

Данное изобретение относится к области оборудования для испытаний образцов на ударные воздействия. Преимущественная область применения - испытание ударозащитных устройств из различных материалов, а также испытание оборудования приборов на ударные воздействия. Целью изобретения является создание стенда для исследования волновых процессов в виде двух волноводов. В торцевых частях волноводов со стороны объекта испытаний выполнены резьбы, с помощью которых в волноводы установлены вкладыши. Наличие акселерометров, датчиков деформаций и фотограмметрических меток позволяет регистрировать различные параметры волн деформаций в волноводах до и после объекта испытаний. Вкладыши легко удаляются из волноводов и обеспечивают штатное крепление объекта испытаний. Техническим результатом данного изобретения является повышение достоверности регистрации параметров волны деформации, а также снижение искажений регистрируемых ускорений. 3 ил.

При эксплуатации различных технических систем ударные воздействия являются одним из видов нагружения, от которого необходимо защищать приборы и оборудование. При отработке ударной стойкости оборудования, а также при исследовании волновых процессов в конструкциях применяются различные виды ударных стендов. Например маятникового типа (Батуев Г.С. и др. Инженерные методы исследования ударных процессов стр.25). Действие этих стендов основано на разгоне молота (бойка) до определенной скорости перед соударением с платформой (наковальней), на которой установлен исследуемый объект. Существуют также различные копровые, пневматические и гидравлические стенды (Вибрации в технике т.5 под ред. Генкина М.Д., стр.476-477). Испытание на копровой машине производят сбрасыванием рамы с изделием с определенной высоты, а для испытаний на пневматической машине в полость рабочего цилиндра закачивается воздух, который с помощью поршня поднимает стол с укрепленным изделием. Затем производится переключение подачи воздуха и стол падает вниз. В общем виде в состав ударных стендов входят ударная установка, системы управления и питание, контрольная и измерительная аппаратура, а также различные приспособления. Для исследования более тонких волновых процессов используют, как правило, специальные лабораторные установки. Рассмотрим одну из них (Батуев Г.С. и др. Инженерные методы исследования ударных процессов. - М. : Машиностроение, 1977, стр. 64 - прототип). Лабораторная установка состоит из наковальни, подъемного устройства, вертикально натянутых направляющих струн, между которыми размещается стальной стержень(волновод). Закрепленный в конечном сечении стержня высокочастотный пьезоэлектрический датчик (акселерометр) служит для записи ускорений, кроме того, с помощью специального датчика регистрируется контактная сила.

Недостатками этой установки является невозможность ее использования для исследования прохождения волны через различные объекты, например амортизаторы, приборы и т.д. При исследовании таких объектов, как правило, необходимо знать параметры волны деформаций и ускорения до устройства и после него. Это позволяет, например, после анализа амплитудно-частотных характеристик воздействия до и после амортизатора оценить эффективность работы этого амортизатора. Кроме того, установка акселерометра на торце волновода приводит к значительному искажению регенерируемых ускорений, т.к. в торцевом сечении за счет отражения от свободной границы ускорение фиксируется удвоенным (скорость набегающей волны V, отраженной -V, ускорение а = (V-(-V))/Δt= 2V/Δt). Кроме того, наличие только одного датчика ускорений и силы существенно снижает достоверность регистрации параметров волны деформаций.

Предлагаемое техническое решение позволяет частично устранить описанные выше недостатки. Заявлен стенд для исследования волновых процессов, состоящий из устройства для ударного нагружения, волновода и установленного в торцевой части акселерометра, второго волновода, объекта испытаний, причем в торцевых частях волноводов со стороны объекта испытаний установлены вкладыши, изготовленные в виде стаканов. Предлагаемое решение отличается тем, что в торцевых частях волноводов со стороны объекта испытаний выполнена резьба, с помощью которой в волноводы устанавливают стаканы, причем стаканы изготовлены на ножке, причем внешняя поверхность ножек и внутренняя поверхность стаканов имеют резьбу одного диаметра и шага, которые равны диаметру и шагу резьб в волноводах, при этом внутренние диаметры стаканов и волноводов равны и внешние диаметры стаканов и волноводов равны, а материалы, из которых изготовлены стаканы и волноводы эдентичны, причем в торцевой части стаканов выполнены фланцы с установленными на них акселерометрами, а к фланцам через резьбовое или болтовое соединение подстыкован объект испытаний, при этом на волноводах и на внешних сторонах стаканов установлены датчики деформаций и фотограмметрические метки.

Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами, где на фиг. 1,2,3 показан стенд, и волноводы, 2 тензодатчики, 3 стаканы, 4 объект испытаний (на фиг. 3 амортизатор 7ВШ60/15), 5 источник ударного воздействия, 6 фотограмметрические метки, 7 акселерометры, 8 фланец, 9 резьба на внутренней поверхности стакана, 10 резьба на внешней поверхности ножки.

Рассмотрим прохождение волны деформаций через амортизатор. От источника ударного воздействия 5 передается некоторый импульс P(t) . Проходя по волноводу 1, он создает деформации, регистрируемые тензодатчиками 2. При подходе к стакану 3 импульс из-за практически полного акустического контакта, т.к. ударные жесткости (ρcF) стакана и волновода равны (здесь ρ - плотность, с - скорость звука в материале, F - площадь поперечного сечения), а материал волновода и стакана идентичен, площади равны в силу равенства внутренних и внешних диаметров волноводов и стаканов. Таким образом, волна деформаций проходит через стык между волноводом и стаканом без отражения. Размер фланца определяется в первую очередь размерами установленных на нем акселерометров (фиг. 2) или стыковочными размерами объекта испытаний (фиг.3). Погрешность измерения ускорений, вносимая толщиной фланца, приблизительно соответствует частоте с/2δ (где с - скорость звука в материале, δ - толщина фланца). Более низкие частоты регистрируются практически без искажений. При необходимости через фланец 8 стакан 3 может состыковываться с объектом испытаний (например, амортизатором) либо через резьбовое соединение (фиг.2, где амортизатор вворачивается в стакан), либо через болтовое соединение (фиг.3, когда во фланце выполняются отверстия, обеспечивающие штатное крепление амортизатора к фланцу). Возможность свободного монтажа и демонтажа стакана позволяет выполнять его любой конфигурации, обеспечивая установку объекта испытаний с соблюдением условий его штатной эксплуатации (предварительное поджатие, вид крепления и т.д.). Это особенно важно в случаях, когда возникает необходимость неоднократного демонтажа объекта испытаний. Например при исследовании демпфирующих свойств амортизаторов приходится менять демпфирующие элементы, подбирая наиболее эффективные. Наличие на корпусе стакана фотограмметрических меток и тензодатчиков позволяет определить деформации амортизатора при прохождении через него волны деформаций (тензодатчик регистрирует параметры волны деформаций, а взаимное смещение меток показывает деформации амортизатора).

Зная дополнительно параметры ударного воздействия, можно построить, например, петлю гистерезиса для конкретного амортизатора.

Пример практического использования.

Данное устройство было использовано при определении демпфирующих свойств амортизатора 7ВШ60/15. При испытаниях использовались (фиг. 1, 3) два стальных волновода (трубы) диаметром 90 мм и толщиной стенок 5 мм, длиной 4 м, вывешанные на тросах длиной 4,5 м. Длина вкладыша 120 мм, при этом ножка составляла 40 мм, толщина фланца 20 мм, высота 25 мм. Во фланцах были выполнены четыре отверстия под болт М8. На фланцах устанавливались по два акселерометра АВС 052. На волноводы и стаканы наклеивались тензодатчики КФ4 с базой 10 мм и фотограмметрические метки. Регистрация взаимных смещений меток проводилась с помощью стробоскопической камеры АФА 42. В процессе испытаний проводилась неоднократная замена вкладышей (металлорезина, сталь, бронза,текстолит). По результатам измерений и анализу амплитудно-частотных характеристик, полученных до и после аммортизатора, давалось заключение об эффективности работы амортизатора.

Формула изобретения

Стенд для исследования волновых процессов, состоящий из устройства для ударного нагружения, волновода и установленного в торцевой части акселерометра, второго волновода, объекта испытаний, причем в торцевых частях волноводов со стороны объекта испытаний установлены вкладыши, изготовленные в виде стаканов, отличающийся тем, что в торцевых частях волноводов со стороны объекта испытаний выполнена резьба, с помощью которой в волноводы устанавливают стаканы, причем стаканы изготовлены на ножке, причем внешняя поверхность ножек и внутренняя поверхность стаканов имеют резьбу одного диаметра и шага и равны диаметру и шагу резьб в волноводах, при этом внутренние диаметры стаканов и волноводов равны и внешние диаметры стаканов и волноводов равны, а материалы, из которых изготовлены стаканы и волноводы, идентичны, причем в торцевой части стаканов выполнены фланцы с установленными на них акселерометрами, а к фланцам через резьбовое или болтовое соединение подстыкован объект испытаний, при этом на волноводах и на внешних сторонах стаканов установлены датчики деформаций и фотограмметрические метки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3