В статье рассмотрены основные задачи и особенности испытаний на воздействие ударных нагрузок. Приведены характеристики испытательных стендов однократного и многократного удара компании ETS Solutions.
ООО НПП «Универсал Прибор», г. Санкт-Петербург
Из истории открытия законов удара
Первым теорию удара начал разрабатывать Галилей, основоположник динамики. Прежде всего он решил определить, «какое влияние на результат удара оказывают, с одной стороны, вес молота, а с другой – бо`льшая или меньшая скорость его движения, и найти, если возможно, способ измерения и выражения того и другого вида энергии». Поскольку Галилей исповедовал экспериментальные методы в физике, он начал с проведения опытов. Сколько опытов было проведено, неизвестно, но описание одного сохранилось. Его результат удивил ученого. Опыт состоял в следующем: на одном конце (плече) коромысла весов был подвешен противовес, на другом – два сосуда. Первый сосуд был наполнен водой, второй был пуст и подвешен под первым на расстоянии двух локтей. В верхнем сосуде находилось отверстие, которое можно было открыть и закрыть. Галилей предположил, что при вытекании воды сила удара заставит плечо коромысла опуститься, а величину этой силы можно будет измерить, добавив груз на другом плече. Однако «как только отверстие было открыто и вода начала вытекать, весы наклонились, но в сторону противовеса; когда же вытекающая вода достигла дна нижнего сосуда, дальнейшее опускание противовеса прекратилось, и он начал равномерно подниматься, пока не достиг прежнего положения и весы не пришли снова в равновесие, не отклонившись и на волос в другую сторону». Этот результат, неожиданный для науки начала XVII века, сегодня нам кажется закономерным. Но первый из описанных опытов о силе удара положил начало нескончаемому ряду экспериментов и тестов, связанных с ударными нагрузками, в том числе применяющих для создания удара свободное падение.
Испытание на устойчивость к воздействию ударных нагрузок, как и многие другие тестовые исследования, – важнейшая часть жизненного цикла любого изделия. Особенно высокие требования предъявляются к оборудованию военного назначения, которое должно демонстрировать максимальную устойчивость и надежность. Многие факторы окружающей среды способны оказывать негативное воздействие на изделие, сокращая срок его службы и приводя к отказам: температура, влажность и давление, вибрационные нагрузки, ультрафиолет и многое другое. И механические воздействия (вибрация, удары, центробежные силы), наряду с климатическими, являются наиболее опасными.
Ударом в механике называют механическое воздействие материальных тел, приводящее к конечному изменению скоростей их точек за бесконечно малый промежуток времени. Механические удары подразделяют на одиночные, многократные и комплексные. Если одиночные и многократные удары могут воздействовать на объект в одном направлении (продольном, поперечном или промежуточном), то комплексные удары оказывают воздействие в двух или трех взаимно перпендикулярных плоскостях одновременно. Кроме того, ударные нагрузки могут быть периодическими и непериодическими. В реальных условиях чаще всего встречается сложный одиночный удар, который представляет собой сочетание простого ударного импульса с наложенными колебаниями.
Ударные нагрузки возникают из-за резкого изменения ускорения, скорости или направления перемещения. Основные характеристики ударного процесса:
- изменение во времени ударного ускорения a(τ), скорости V(τ) и перемещения X(τ) / длительность действия ударного ускорения τ – интервал времени от момента появления до момента исчезновения ударного ускорения, удовлетворяющий условию: а > ап, где ап – пиковое ударное ускорение;
- длительность фронта ударного ускорения τф – интервал времени от момента появления ударного ускорения до момента, соответствующего его пиковому значению;
- коэффициент наложенных колебаний ударного ускорения – отношение полной суммы абсолютных значений приращений между смежными и экстремальными значениями ударного ускорения к его удвоенному пиковому значению;
- импульс ударного ускорения – интеграл от ударного ускорения за время, равное длительности его действия.
Испытательные ударные стенды однократного и многократного удара
При ударных испытаниях воспроизводятся все перечисленные характеристики ударного процесса. Ударные испытания позволяют определить степень надежности выпускаемых изделий и их устойчивость к ударным нагрузкам. Кроме готовой продукции, испытаниям на удар подвергаются образцы или их компоненты. Получаемая благодаря испытаниям информация помогает конструкторам назначить предел прочности образца, учитывая эксплуатационные условия внешней среды (рис. 1). Через ударные стенды обязательно должны пройти сложные электронные сборки, мехатронные или электротехнические образцы, разработанные для высокоточных и высокотехнологичных отраслей промышленности: оружейной, авиационной, кораблестроительной, аэрокосмической, микроэлектронной, автомобильной и др.
Рис. 1. Программа испытаний на воздействие ударных нагрузок
Принцип работы ударных стендов
Все ударные стенды подразделяются на два основных типа: испытуемое изделие может подвергаться на них либо одиночному (однократному) удару, либо многократным ударам, количество которых способно изменяться в огромном диапазоне – от десятков до миллионов. Перед испытаниями и после них проверяют функциональные параметры изделия, контролируя таким образом его заявленные характеристики. Задача ударного стенда – максимально точно имитировать удары, которые может испытывать изделие в характерной для него эксплуатационной среде. И ударные установки компании ETS Solutions, поставляемые на российский рынок петербургским предприятием «Универсал Прибор», полностью отвечают этому требованию.
Программа испытаний настраивается оператором ударного стенда (рис. 2). Можно изменять количество ударов, их амплитуду, продолжительность и форму, причем в режиме реального времени. Также поддерживается отслеживание тренда отклонения параметров мониторинга. Данные о проведении испытаний записываются в архив, формируются отчеты.
Рис. 2. Рабочее место оператора испытательного стенда
Стенды однократного удара серии MS производства ETS Solutions
Испытательный стенд однократного удара по-другому называют вертикальным стендом свободного падения, потому что ударное воздействие на изделие создается путем его падения – свободного или ускоренного. Испытательный стол с закрепленным на нем изделием падает на специальную платформу. Удар от падения имеет большую амплитуду: до 10 000 g и более. Длительность удара может варьироваться в широком диапазоне: от 0,1 до 200 мс и более. Форма и длительность импульса формируются с помощью специальных прокладок, которые можно видеть на рис. 3.
Рис. 3. Испытательный стенд однократного удара серии MS производства ETS Solutions; внизу – прокладки, позволяющие генерировать импульсы определенной формы: полусинус, трапеция, пилообразный
Использование падения сказывается на габаритах установки: она должна быть достаточно высокой для того, чтобы обеспечить необходимый разгон. Как правило, высота стенда составляет от 2 до 4 м, но может быть еще больше. Разумеется, в лаборатории для такой установки требуется помещение соответствующей высоты. А вот дополнительный фундамент делать не приходится. Установки испытательного стенда однократного удара серии MS от компании ETS Solutions (рис. 3) обладают специальным сейсмофундаментом и пневмоопорами, которые подавляют ударные колебания. Однако пол в лаборатории должен обладать хорошей прочностью, чтобы выдерживать большие нагрузки.
Стенды многократного удара серии VAS производства ETS Solutions
В отличие от стендов одиночного удара стенды многократного удара формируют более слабые, но многократно повторяющиеся воздействия, число которых, как уже указывалось, может составлять несколько миллионов. Стенды многократного удара серии VAS от компании ETS Solutions (рис. 4) выдерживают частоту следования ударов до 60 в минуту и выше с заданной амплитудой и длительностью. При этом амплитуда и длительность удара меньше, чем на стендах одиночного удара. Ударное воздействие формируется с помощью кулачковых механизмов либо с применением пневматики или гидравлики. Габариты стендов многократного удара тоже меньше, чем у стендов одиночного удара, что позволяет свободно размещать их в любом удобном месте испытательной лаборатории.
Рис. 4. Стенды многократного удара серии VAS производства ETS Solutions
Поскольку количество необходимых ударов для отработки может достигать огромных значений, работа стенда полностью автоматизирована. Система управления контролирует проведение испытаний, останавливает их после выполнения необходимого количества циклов, считывает и архивирует показатели параметров, формирует отчеты и, наконец, может передавать данные на верхние уровни корпоративных информационных систем.
Заключение
Стенды одиночного и многократного удара, выпускаемые компанией ETS Solutions, известным производителем вибростендов, расширительных столов и другого оборудования для механических испытаний, обладают следующими преимуществами:
- обеспечивают диапазон амплитуды и длительности ударов;
- способны воспроизводить заданный ударный спектр;
- поддерживают задание формы сигнала: полусинус, треугольник, пилообразный сигнал, прямоугольный сигнал и др.;
- обеспечивают постоянство параметров на протяжении всего процесса испытаний;
- оснащены автоматизированной системой управления;
- имеют интуитивно понятный интерфейс;
- просты в эксплуатации;
- имеют относительно компактные габариты;
- обеспечивают простоту и легкость сервисного обслуживания.
В статье мы постарались познакомить читателя с ударными стендами и кратко описать их основную функциональность. На самом деле, спектр возможностей применения такого оборудования очень широк. Оно позволяет решать сложные инженерные задачи и сделать этот мир прочнее.
Опубликовано_в журнале ИСУП № 1(109)_2024
В. В. Нерсесов, руководитель отдела
испытательного оборудования,
ООО НПП «Универсал Прибор»,
г. Санкт-Петербург,
тел.: +7 (812) 334?5566,
e-mail: pribor@pribor.ru,
сайт: pribor.ru