Стенд для усталостных испытаний образцов лопастей воздушного винта летательного аппарата

 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к стендам для динамических испытаний образцов, например лопастей воздушного винта летательного аппарата. Стенд содержит шарнирные узлы для крепления образца на станине с возможностью его изгибно-крутильных колебаний в заданной плоскости, силовозбудитель нагружения образца растягивающей нагрузкой, установленный последовательно с образцом с помощью системы тросов и блоков, и вибратор. Стенд снабжен двумя упругими элементами разной жесткости. Упругий элемент меньшей жесткости установлен последовательно с образцом в цепи нагружения его растягивающей нагрузкой, а упругий элемент большей жесткости установлен с возможностью подсоединения к цепи нагружения параллельно упругому элементу меньшей жесткости. Соотношение величин жесткостей упругих элементов находится в диапазоне 0,01-0,001. Упругий элемент меньшей жесткости выполнен в виде пакета амортшнуров, а упругий элемент большей жесткости выполнен в виде трубы-торсиона с рычагом, соединенным с блоком тросовой системы с помощью тяги с тандером. Труба-торсион снабжена средствами для регулирования его жесткости в диапазоне не менее чем 1:10. Технический результат - повышение достоверности проведения испытаний натурных образцов. 1 з.п. ф-лы 5 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к стендам для динамических испытаний образцов, например натурных образцов лопастей винта вертолета при комбинированных нагрузках.

Известно устройство стенда для динамических испытаний элементов воздушного винта летательного аппарата (патент РФ N 2137108, G 01 M 7/00, 1998 г. ), которое содержит шарнирные узлы крепления образца на станине с возможностью изгибно-крутильных колебаний образца в заданной плоскости, причем один из шарнирных узлов с помощью рычага связан с торсионом, закрепленным на станине перпендикулярно плоскости изгиба образца, гидроцилиндр для нагружения образца растягивающей нагрузкой и вибровозбудитель.

Наиболее близким аналогом является стенд для динамических испытаний элементов воздушного винта летательного аппарата (см. авт.свид. СССР N 1758488, кл. G 01 N 3/32, публ. 1990 г. или патент РФ N 2102713, кл. G 01 M 7/06, публ. 1998 г.), который содержит шарнирные узлы для крепления образца на станине с возможностью его изгибно-крутильных колебаний, цепь нагружения образца растягивающей нагрузкой, включающая гидроцилиндр и систему стальных тросов и блоков, установленные последовательно с образцом, а также устройство для приложения к образцу крутящего момента и вибровозбудитель переменных нагрузок.

Недостатком существующих конструкций стенда является нелинейность свойств колебательной системы "образец-стенд", обусловленная продольной деформацией образца при изгибе, направленной в сторону сближения его концов. Вследствие значительной динамической жесткости закрепления концов образца при колебаниях появляется дополнительная растягивающая образец сила, значение которой пропорционально коэффициенту динамической жесткости на растяжение и перемещению концов. Дополнительное растяжение может составлять 30% и более от номинального значения, что осложняет испытания и интерпретацию результатов.

На стендах, где значительна связанность изгиба образца с его растяжением, амплитудно-частотная характеристика образца оказывается близка к характеристике системы с нелинейностью "жесткого типа". По этой причине в испытаниях проявляются все особенности, свойственные нелинейным колебательным системам, например, ограничение на значение амплитуды вынужденных колебаний из-за "срыва" состояния резонанса, нарушение режима автоматического регулирования системы возбуждения в случае превышения предельного режима.

Задачей предлагаемого технического решения является создание конструкции стенда для усталостных испытаний лопастей, обеспечивающей практически линейные свойства колебательной системы "образец-система растяжения образца" и возможность проведения испытаний без ограничений на значение амплитуды вынужденных колебаний, что актуально для проектирования и эксплуатации лопастей, изготовленных из материалов с высокой усталостной прочностью, например из композиционных материалов.

Другими важными задачами, стоящими при создании предлагаемой конструкции, являлось устранение фактора дополнительного растяжения образца, вызванного изгибными колебаниями, а также простота настройки режима работы стенда.

Конечной задачей является создание конструкции стенда, позволяющей проводить испытания натурных образцов лопастей нового поколения с достаточной достоверностью для повышения безопасности летательного аппарата.

Поставленные задачи решены благодаря тому, что стенд для усталостных испытаний образцов лопастей воздушного винта летательного аппарата, содержащий шарнирные узлы для крепления образца на станине с возможностью его изгибно-крутильных колебаний в заданной плоскости, силовозбудитель нагружения образца растягивающей нагрузкой, установленный последовательно с образцом с помощью системы тросов и блоков, и вибратор, снабжен двумя упругими элементами разной жесткости, упругий элемент меньшей жесткости установлен последовательно с образцом в цепи нагружения его растягивающей нагрузкой, а упругий элемент большей жесткости установлен с возможностью подсоединения к цепи нагружения параллельно упругому элементу меньшей жесткости, причем соотношение величин жестокостей упругих элементов находится в диапазоне 0,01-0,001.

Упругий элемент меньшей жесткости выполнен в виде пакета амортшнуров, а упругий элемент большей жесткости выполнен в виде трубы-торсиона с рычагом, соединенным с блоком тросовой системы с помощью тяги с тандером, при этом труба-торсион снабжена средствами для регулирования его жесткости.

Конструкция стенда позволяет после нагружения образца статической нагрузкой ввести в цепь нагружения, обладающую малой линейной жесткостью на растяжение, дополнительный колебательный контур, предназначенный для минимизации значения динамической жесткости вдоль продольной оси образца.

Регулировкой жесткости упругих элементов настраивают частоту продольных колебаний системы "образец-система растяжения образца" на резонанс с частотой, равной или близкой ко 2-й гармонике вынужденных колебаний образца, обеспечивая минимизацию значения динамической жесткости. При этом стенд приобретает свойства линейной колебательной системы, что делает возможным проводить усталостные испытания образцов без ограничения на значение амплитуды вынужденных изгибных колебаний.

Вследствие малого значения динамической жесткости системы закрепления концов образцов вдоль его продольной оси исключается фактор дополнительного растяжения образца, вызванного его изгибными колебаниями.

Стенд для усталостных испытаний образцов лопастей воздушного винта летательного аппарата представлен на схемах, где изображены: на фиг. 1 - общий вид стенда, на фиг. 2 - вид на узел установки торсиона на стенде, на фиг. 3 - вид на торсион с рычагом, на фиг. 4 - кинематическая схема стенда, на фиг. 5 - схема колебаний образца.

Образец 1 закреплен на станине 2 с помощью шарнирных узлов 3 и системы тросов 4 и блоков 5, 6, шкивы которых посажены на опорные подшипники (фиг. 1). Шкив блока 6 установлен на плече двуплечего рычага 8, закрепленного на станине 2 на оси 9. Другое плечо рычага 8 соединено через упругий элемент, выполненный в виде пакета амортшнуров 10, с гидроцилиндром 11, предназначенным для нагружения образца 1 растягивающей нагрузкой. Сила натяжения образца контролируется с помощью тензоскалки 13. Между пакетом амортшнуров 10 и плечом рычага 8 установлена добавочная масса 14.

Вибратор направленного действия 15, задающий вынужденные изгибно-крутильные колебания образца 1, установлен на узле блока 5 тросовой системы.

Станина 2 имеет (фиг. 1, 2) установочную планку 16 с рядом отверстий 17 для крепления с помощью болтов 18 торцевого фланца 19 трубы-торсиона 20. Жесткость трубы-торсиона 20 должна быть в 100-1000 раз больше по сравнению с жесткостью пакета амортшнуров 10. Выполнение соотношения величин жесткостей упругих элементов в заявленном диапазоне 0,01-0,001 позволяет обеспечить требуемый режим работы стенда при различных характеристиках испытываемого образца лопасти.

Труба-торсион 20 снабжена рычагом 21, установленным на нем с помощью шлицевого соединения (фиг. 3, 4). Рычаг 21 имеет ряд отверстий 22, соответствующих шагу отверстий 17 в установочной планке 16, для регулирования его плеча, что позволяет регулировать жесткость трубы-торсиона 20 при настройке стенда в диапазоне 1:10. К рычагу 21 крепится тяга 23, соединяющая рычаг 21 с осью опорного подшипника шкива блока 6. Тяга 23 снабжена тандером 24 для подключения трубы-торсиона 20 в цепь нагружения образца 1 параллельно пакету амортшнуров 10 (фиг. 4).

Устройство работает следующим образом.

Образец 1, закрепленный с помощью шарнирных узлов 3, растягивается гидроцилиндром 11 до заданного значения силы растяжения образца. Сила натяжения образца, контролируемая тензоскалкой 13, уравновешивается упругостью пакета амортшнуров 10.

При растянутом с помощью пакета амортшнуров 10 образце 1 к узлу крепления блока 6 тросовой системы на двуплечем рычаге 8 подключают рычаг 21 трубы-торсиона 20 с помощью тяги 23. С помощью тандера 24 создают преднатяг трубы-торсиона 20, составляющий 2-3% от заданного значения силы растяжения образца.

Подбираются значения жесткости торсиона 20 и значение М добавочной массы 14 такими, чтобы обеспечить частоту резонанса упругой системы растяжения образца с частотой, равной или близкой к частоте 2-ой гармоники вынужденных колебаний образца.

Настройка колебательного контура осуществляется путем выбора оптимальной жесткости изменением точки закрепления тяги 23 к рычагу 21 и соответствующим перемещением планки 16, а также установкой, при необходимости, добавочной массы 14.

Вынужденные колебания образца задаются вибратором направленного действия 15, воздействующего силой P на образец (фиг. 4, 5). Сила вибратора возбуждает колебания системы "образец, упругие и подвижные элементы стенда". Крутящий момент задается вибратором направленного действия 15, равнодействующая сила которого создает вертикальную силу в точке, не принадлежащей центру изгиба. Схема упругой линии при вынужденных колебаниях образца представлена на фиг. 5.

Форма совместных изгибно-крутильных колебаний образца и звеньев системы такова, что обеспечивает нагружение образца заданными значениями нормальных и касательных напряжений. Стенд позволяет проводить испытания лопастей из композиционных материалов и создавать напряженное состояние в образце, при котором возникают разрушения элементов конструкции от усталости в расчетных сечениях.

Формула изобретения

1. Стенд для усталостных испытаний образцов лопастей воздушного винта летательного аппарата, содержащий шарнирные узлы для крепления образца на станине с возможностью его изгибно-крутильных колебаний в заданной плоскости, силовозбудитель нагружения образца растягивающей нагрузкой, установленный последовательно с образцом с помощью тросов и блоков, и вибратор, отличающийся тем, что он снабжен двумя упругими элементами разной жесткости, упругий элемент меньшей жесткости установлен последовательно с образцом в цепи нагружения его растягивающей нагрузкой, а упругий элемент большей жесткости установлен с возможностью подсоединения к цепи нагружения параллельно упругому элементу меньшей жесткости, причем соотношение величин жесткостей упругих элементов находится в диапазоне 0,01 - 0,001.

2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент меньшей жесткости выполнен в виде пакета амортшнуров, а упругий элемент большей жесткости выполнен в виде трубы-торсиона с рычагом, соединенным с блоком тросовой системы с помощью тяги с тандером, при этом труба-торсион снабжена средствами для регулирования его жесткости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5