Ограничения испытаний на классический удар на электродинамических вибростендах

Испытания на классический удар широко применяются для оценки прочности изделий, имитируя резкие динамические нагрузки. Одним из инструментов для таких испытаний являются электродинамические вибростенды. Однако, электродинамические вибростенды имеют ряд ограничений, связанных с конструктивными особенностями, их динамическими характеристиками и физическими принципами работы. В этой статье рассмотрены ключевые ограничения, методика расчёта испытательных параметров и графики, демонстрирующие нагрузочную способность стендов.

Чтобы определить, возможно ли использовать конкретный вибростенд для заданных параметров ударного воздействия и для изделия известной массы, необходимо выполнить ряд расчётов и проверок. Рассмотрим пошаговый алгоритм:

• Форма ударного импульса: Например, полусинусоидальный, прямоугольный или треугольный.
• Длительность импульса (τ): Время, в течение которого длится удар (обычно в миллисекундах).
• Пиковое ускорение (a_max): Максимальное ускорение, которое должно быть достигнуто (в м/с² или g, где 1 g = 9,81 м/с²).
• Скорость изменения ускорения (рывок): Важно для некоторых типов испытаний.

• Максимальное ускорение (a_{max_st}): Указано в технических характеристиках вибростенда.
• Максимальная сила (F_max): Максимальная сила, которую может развить вибростенд (в Ньютонах).
• Максимальная нагрузка (m_max): Максимальная масса изделия, которое можно установить на платформу.
• Частотный диапазон: Убедитесь, что вибростенд поддерживает частоты, соответствующие длительности ударного импульса (f ≈ 1/τ).
• Ход платформы (максимальное перемещение): Должен быть достаточным для генерации требуемого ударного импульса.

F = m ⋅ a_max

где:

• F — сила, необходимая для создания ударного импульса (Н),
• m — общая масса изделия и арматуры вибростенда (кг),
• a_max— пиковое ускорение (м/с²).

Условие: Рассчитанная сила F должна быть меньше максимальной силы вибростенда F_max:

F < F_max

• Масса изделия m должна быть меньше максимальной нагрузки вибростенда m_max​:
  m < m_max​
• Если масса изделия слишком велика, вибростенд не сможет обеспечить требуемое ускорение.

Для ударных импульсов важно, чтобы ход платформы был достаточным для генерации требуемого ускорения. Ход платформы D можно оценить по формуле:

D = (a_max ⋅ τ²)/2π​

где:

• D — ход платформы (м),
• a_max — пиковое ускорение (м/с²),
• τ — длительность импульса (с).

Условие: Рассчитанный ход D должен быть меньше максимального хода платформы D_max:

D < D_max​

Убедитесь, что вибростенд способен работать на частотах, соответствующих длительности ударного импульса. Частота f связана с длительностью импульса τ следующим образом:

f ≈ 1/τ​

Например, для импульса длительностью 10 мс (τ = 0,01) частота составит:

f ≈ 1/0,01 = 100 Гц

Условие: Частота $f$ должна находиться в рабочем диапазоне вибростенда.

Производители электродинамических вибростендов в технических характеристиках приводят номинальную силу и уровень ускорения для режима удара, однако, эти значения указаны для ненагруженного стола. При увеличении массы загрузки, все параметры становятся значительно ниже.

Теперь рассмотрим физические принципы работы вибрационной системы, которая воспроизводит ударный импульс (в качестве примера берем классический полусинусоидальный импульс):

• ускорение сначала растет, достигает максимума, а затем падает до нуля, как половина волны синуса;
• скорость в конце импульса достигает максимума и остается постоянной;
• перемещение продолжает увеличиваться линейно после завершения импульса, так как система движется по инерции.

Поскольку вибрационная система должна вернуться в исходное положение, необходимо применить дополнительные импульсы (например, подготовительные), чтобы компенсировать движение и остановить систему.

Эти импульсы применяются до (пред-) и после (пост-) основного испытательного импульса. Их задача — плавно подготовить систему к основному воздействию и затем вернуть её в начальное состояние.

Чтобы подготовительные импульсы не влияли на результаты испытаний, их амплитуда должна быть значительно меньше, чем у основного импульса. Например, она может составлять не более 20% от амплитуды основного импульса. Это гарантирует, что подготовительные воздействия не исказят данные теста и соответствуют спецификациям испытаний.

Для корректного выбора оборудования при воспроизведении ударных импульсов, идеальным решением было бы предоставление производителями диаграммы, которая показывает, как стенд справляется с разными уровнями подготовительных импульсов. Например, на диаграмме могли бы быть показаны три варианта:

• Без подготовительных импульсов,
• С подготовительными импульсами 10% от основного,
• С подготовительными импульсами 20% от основного.

Такая диаграмма, аналогичная диаграмме нагруженности для синусоидальных сигналов, помогла бы понять, какое оборудование лучше подходит для конкретных задач и условий испытаний.

Испытания на классический удар на электродинамических вибростендах требуют точного подбора параметров. Ограничения по ускорению, массе и смещению катушки могут сделать невозможным проведение некоторых тестов. Подготовительные импульсы играют важную роль в обеспечении точности и повторяемости тестов, позволяя системе корректно вернуться в исходное состояние после ударного воздействия. Если стенд не соответствует требованиям, можно рассмотреть альтернативные методы, например, использование гидравлических ударных стендов.

Правильный анализ нагрузок и возможностей испытательного оборудования позволяет эффективно проводить испытания, избегая перегрузки стенда и получения искажённых данных.