Выбор оборудования для вибрационных испытаний

Эти характеристики подразделяются на три большие группы, с которых и начинается выбор:

• частотный диапазон тестирования и пиковые величины перемещения (само перемещение точки тела в заданной системе координат, скорость как первая производная перемещения и ускорение как вторая производная). Эти параметры определяют характеристики тестирования с учетом типа теста (например, воздействие качающимся синусоидальным сигналом, случайные ударные воздействия, классический однократный удар и т.д.);
• масса и габаритные размеры вибростола, его функциональные возможности, способ крепления тестируемого изделия. Все эти характеристики должны быть соотнесены с характеристиками изделий, для которых установка приобретается, – их массой, габаритными размерами, расположением центра тяжести и т.д.;
• иногда могут потребоваться удлинительные или монтажные насадки, вес и размеры которых необходимо учитывать заранее. При этом вибростенд должен обеспечить во всем диапазоне тестирования перемещение так называемой общей движущейся массы, а не только массы испытуемого изделия.

На втором этапе пора обратиться к требованиям стандартов. В нашей стране при выборе вибростенда необходимо руководствоваться положениями ГОСТ Р ИСО 10813-1-2011 «Вибрация. Руководство по выбору вибростендов. Часть 1. Оборудование для испытаний на воздействие вибрации», гармонизированного с ISO 10813-1:2004 «Vibration generating machines – Guidance for selection – Part 1: Equipment for environmental testing». Стандарты, плохие они или хорошие, надо соблюдать, однако отметим, что первая часть ГОСТ Р ИСО 10813 была выпущена около 10 лет назад и в ней не учтен ряд важных факторов, которые обязательно нужно учесть при выборе вибростенда. Эти факторы отмечены во второй части стандарта, выпущенной относительно недавно – в 2019 году: ISO 10813-2:2019 «Vibration-generating machines – Guidance for selection – Part 2: Equipment for dynamic structural testing». Данное название можно перевести следующим образом: «Вибростенды. Руководство по выбору. Часть 2. Оборудование для определения динамических свойств конструкций». И хотя в настоящее время только ведется работа над официальным переводом второй части на русский язык и гармонизированного ГОСТ еще не выпустили, российские потребители уже сегодня могут руководствоваться требованиями этого международного стандарта.

Итак, назовем факторы, которые часть 2 стандарта ISO 10813 выделяет как обязательные для выбора вибростенда в целях вибрационного испытания новой продукции или испытания серийного изделия для новой области применения. Необходимо принимать во внимание:

• цель испытаний (например, определение вибропрочности и/или виброустойчивости в заданных условиях окружающей среды, в режиме обычных или ускоренных испытаний, определение динамических характеристик конструкции и др.);
• требования к испытаниям;
• условия проведения испытаний (допустим, с возбуждением одного или нескольких типов вибрации; также могут проводиться испытания только вибрацией или в сочетании с другими воздействиями. В качестве примера можно упомянуть одновременные испытания на воздействие вибрации и климатических факторов);
• особенности испытуемого объекта.

Остановимся подробней на двух пунктах из этого списка.

Обычно испытания проводятся на вибрационном стенде с одним или несколькими шейкерами, после включения которых регистрируется отклик образца на заданное вибрационное воздействие. Современные вибростенды электродинамического типа позволяют получить воздействие более высокой частоты по сравнению с серводинамическими (электрогидравлическими) шейкерами. Чаще всего используются два типа вибрационного воздействия: синусоидальная и случайная вибрация. Первый вариант отлично выявляет резонансные частоты при относительно простом перемещении шейкера. Второй – предполагает изменение формы колебательного сигнала. Поскольку в случайной вибрации одновременно присутствуют все генерируемые частоты, такое воздействие оценивается спектральной плотностью вместо частоты синусоидального сигнала. Это ближе к условиям эксплуатации в реальном мире, особенно при моделировании транспортировки по неровным дорогам или вибрации от внутренних компонентов транспортных средств.

Цель любых вибрационных испытаний – определить способность изделия сохранять свои свойства и целостность под воздействием вибрации. Однако их можно разделить на два типа: испытания на вибропрочность и испытания на виброустойчивость. Основная задача испытаний первого типа – проверить, насколько жесткую вибрацию изделие способно выдержать и после какой вибрации оно вернется к нормальной работе. Еще одна задача испытаний на вибропрочность – спрогнозировать срок службы изделия с учетом заданных нагрузок, поэтому такие испытания часто заканчиваются механическим повреждением тестируемого образца. Задача виброиспытаний второго типа – на виброустойчивость – проверить способность изделия под воздействием вибрации нормально выполнять свои функции, сохраняя значения всех параметров в установленных пределах. Степень жесткости вибрации в данном случае ниже, чем в испытаниях первого типа, тестируемое изделие не повреждается, лишь фиксируются все случаи отказов и сбоев, если они происходят.

Определившись с габаритными размерами и массой вибростенда, а также типом испытаний, можно обратиться к большому ряду вибростендов, представленных на рынке, с тем, чтобы выбрать вибростенд по его рабочим характеристикам.

Повторим: вибростенд – центральное звено, исполнительный орган вибрационной установки, который воспроизводит вибрацию определенного типа и передает ее на тестируемый объект. Именно его свойствами определяются основные характеристики всей вибрационной установки в целом. К настоящему времени разработано немало различных типов вибростендов, различающихся конструкцией и принципом действия: электродинамические, гидравлические, механические, электромагнитные, пьезоэлектрические, магнитострикционные, резонансные и др.

Сегодня для испытаний на вибропрочность и виброустойчивость чаще всего используют электродинамические вибростенды, хотя стандарт 2011 года ГОСТ Р ИСО 10813-1-2011 рекомендует также гидравлические и механические вибростенды. Характеристики электродинамических вибростендов приведены в стандарте ISO 5344:2004 «Electrodynamic vibration generating systems – Performance characteristics» (название на русском языке: «Системы электродинамические для воспроизведения вибрации. Рабочие характеристики»). К типовым характеристикам вибростенда по этому стандарту относятся:

• номинальная вынуждающая сила в ньютонах, обычно для синусоидальной вибрации, случайной вибрации и классического удара (по амплитуде импульса);
• допустимая статическая нагрузка (максимальная масса статической нагрузки в кг);
• диапазон частот (номинальный в Гц);
• пределы воспроизведения перемещения, скорости и ускорения: амплитуда номинального перемещения в мм; номинальная скорость;номинальное ускорение, амплитуда; максимальное ускорение, амплитуда в импульсе;
• коэффициент гармонических искажений;
• коэффициент поперечных составляющих;
• неравномерность распределения вибрации по столу вибростенда;
• резонансные частоты вибростенда (Гц): частота основного резонанса, частота резонанса подвески стола, частота резонанса виброизоляции вибростенда.

Кроме того, вибростенды характеризуются типовыми параметрами, свойственными любой электроустановке, то есть габаритными размерами, параметрам сети электропитания, максимальной потребляемой мощностью и т.д. Эти факторы тоже необходимо учитывать, выбирая вибростенд для своих задач.