Стенд для испытаний конструкций на прочность и способ его сборки и настройки

Изобретение относится к испытательной технике. Стенд для испытаний конструкций на прочность состоит из опорного основания с установленным в нем пружинным блоком вертикального обжатия, стыковочного кольца для крепления объекта испытаний, и устройства измерений инерционных перегрузок объекта испытаний. Стенд снабжен подвижной платформой, установленной на заданной высоте относительно пружинного блока, направляющими стойками, жестко связанными с опорным основанием, каретками, жестко связанными с подвижной платформой и обеспечивающими вертикальное перемещение подвижной платформы вдоль направляющих стоек, устройством фиксации подвижной платформы относительно направляющих стоек, балансировочным грузом и демпфирующим устройством, закрепленными на подвижной платформе снизу со стороны пружинного блока. Стыковочное кольцо для крепления объекта испытаний установлено на подвижную платформу сверху и снабжено устройствами регулировки его наклона и смещения в плоскости относительно подвижной платформы. Способ сборки и настройки стенда для испытаний конструкций на прочность: пружинный блок настраивают на резонансную частоту собственных колебаний объекта испытаний. Устанавливают объект испытаний на стыковочное кольцо и производят нагружение объекта испытаний испытательными нагрузками. Настройку пружинного блока на фиксированную частоту испытаний производят установкой на подвижную платформу балансировочных грузов переменной массы. При этом суммарную массу объекта испытаний, балансировочного груза, оснастки стенда устанавливают постоянной величины. На подвижную платформу устанавливают демпфирующее устройство. На стыковочное кольцо закрепляют груз-макет, масса которого равна массе объекта испытаний. На груз-макет устанавливают устройства измерений инерционных перегрузок. Производят предварительную настройку стенда путем перемещения подвижной платформы с груз-макетом на пружинный блок с разных высот. Проводят замеры инерционных перегрузок на груз-макете, определяют испытательную высоту перемещения для груз-макета. Затем вместо груз-макета на стыковочное кольцо устанавливают объект испытаний. Производят регулировку его положения путем регулировки положения стыковочного кольца относительно подвижной платформы с помощью устройств наклона и смещения. Производят перемещения подвижной платформы с объектом испытаний с высот, составляющих 15-25% от предварительно определенной испытательной высоты перемещения для груз-макета, при этом проводят замер инерционных перегрузок на объекте испытаний, уточняют значение испытательной высоты перемещения для объекта испытаний, поднимают подвижную платформу с объектом испытаний на уточненную высоту над пружинным блоком и фиксируют ее на этой высоте с помощью устройства фиксации подвижной платформы относительно направляющих стоек. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к стендам для испытаний на прочность конструкций, преимущественно малых космических аппаратов (МКА) и других летательных аппаратов, при действии квазистатических нагрузок и может быть использовано в ракетно-космической и авиационной технике при проведении наземной отработки прочности конструкций.

Анализ случаев нагружения МКА и КА показывает, что большинство из них носят импульсный характер, приближающийся к низкочастотному гармоническому воздействию с частотой колебаний 2-5 Гц, период колебаний Т=0,5-0,2 с, включая нагружение МКА (КА) на переходных режимах движения при транспортировании их различными видами транспорта, подъемно-такелажные работы с МКА (КА), полетные случаи участка выведения МКА (КА) ракетой-носителем (РН): старт, разделение ступеней (РН), сброс головного обтекателя РН, отделение МКА (КА) от РН. Поэтому условия работы конструкции в большинстве расчетных случаев можно рассматривать как квазистатическое нагружение. Квазистатическими нагрузками принято считать медленно изменяющиеся нагрузки по времени с частотой не более 5 Гц.

Традиционные методы испытаний на статическую прочность и широко применяемые на практике стенды для поэтапного нагружения конструкций сосредоточенными (дискретными) силами и моментами с помощью балочно-рычажных систем (см. "Конструкция летательных аппаратов" под редакцией С.Н.Кана, М., Оборонгиз, 1963 г. стр.167, 168, рис.6.26) в связи с компактностью силовых корпусов и миниатюрностью составных частей и элементов малых космических аппаратов (массой до 200-250 кг) делают такие стенды нагружения непригодными для испытаний конструкций МКА, т.к. в этом случае требуется изготовление большого количества специальных силовых макетов приборов, громоздких балочно-рычажных систем и нагружающих цепей (испытательной оснастки.) для обеспечения приложения сосредоточенных нагрузок к конструкции МКА. С другой стороны, упрощение схем нагружения и сокращение объемов вспомогательной оснастки приведет к неточности создания напряженно-деформированного состояния испытываемой конструкции, к возможному перегрузу или недогрузу ее отдельных элементов. Проведение испытаний конструкций на прочность с использованием данного стенда требует изготовления специальных опытных образцов МКА, оснащенных силовыми макетами, предназначенными для приложения испытательных нагрузок, а также большой объем оснастки в виде балочно-рычажных систем и силовых цепей нагружения, что приводит к значительным затратам материальных средств при проведении наземной экспериментальной отработки прочности.

Существующие стенды для ударных испытаний (см. книгу “Технология сборки и испытаний космических аппаратов” под редакцией И.Т.Беляева, И.А.Зернова, “Машиностроение”, М., 1990 г., стр.133) и установки копрового типа (см. книгу “Нестационарная аэроупругость тонкостенных конструкций” под редакцией А.В.Кармишина, “Машиностроение”, М., 1982 г., стр.132, 133, рис.8.1.а) не позволяют нагрузить объект испытаний квазистатическими нагрузками, в области низких частот не более 5 Гц, а реализуют нагружение испытываемой конструкции исключительно воздействиями ударного характера в области высоких частот, превышающих частоту 100 Гц (длительность ударного импульса менее 0,005 с).

Рассмотренные стенды для испытаний конструкций на прочность не позволяют полно и точно провести имитацию штатных условий нагружения конструкций при их наземной отработке прочности, особенно по продолжительности действия испытательных нагрузок, т.е. не позволяют провести испытания конструкций от действия квазистатических (низкочастотных) нагрузок. Например, время действия нагрузок на испытываемую конструкцию в процессе проведения испытаний на стенде приложения сосредоточенных нагрузок на 1-2 порядка больше времени силовых воздействий на конструкцию в условиях штатной эксплуатации. Это происходит из-за значительного времени приложения и балансировки нагрузок, прикладываемых к испытываемой конструкции, с помощью балочно-рычажных нагружающих систем. Кроме этого, для испытаний на статическую и динамическую прочность необходимо изготовление как минимум двух испытательных образцов конструкции: один силовой макет испытываемой конструкции для проведения статических испытаний, а другой - натурно-весовой макет для проведения динамических испытаний.

В результате анализа патентной и научно-технической литературы, в качестве прототипа заявленного стенда и способа его сборки и настройки принято техническое решение, представленное в книге “Технология сборки и испытаний космических аппаратов” под редакцией И.Т.Беляева, И.А.Зернова, “Машиностроение”, М., 1990 г., стр.137, в которой описан стенд для испытаний конструкций на прочность и способ его настройки, а именно:

- резонансная установка с пружинным приводом (блоком) для испытаний конструкций, состоящая из опорного основания, на которое установлен пружинный привод (блок) вертикального обжатия, стыковочного кольца для закрепления объекта испытаний (ОИ), установленного на пружинный привод (блок), а также устройства измерений инерционных перегрузок;

- способ настройки резонансной установки, заключающийся в том, что пружинный привод (блок) настраивают на резонансную частоту собственных колебаний ОИ, устанавливают ОИ на стыковочное кольцо и производят нагружение его испытательными нагрузками с замером инерционных перегрузок.

При испытаниях конструкций с помощью данного стенда нагружение ОИ осуществляется за счет его колебаний на пружинном блоке (приводе) с частотами, соответствующими резонансным частотам собственных колебаний ОИ.

Недостатком данного стенда для испытаний на прочность является невозможность нагружения испытываемых конструкций квазистатическими (статическими) нагрузками в низкочастотной области до 5 Гц, действующими в одном направлении по отношению к какой-либо оси ОИ. Данный стенд позволяет нагрузить ОИ знакопеременными нагрузками колебательного характера, причем в околорезонансной области максимальными нагрузками с реализацией (получением) максимальных коэффициентов усиления, т.е. провести испытания конструкций на динамическую прочность. Недостатком способа сборки и настройки установки является сложность регулировки пружинного привода под переменную массу разных ОИ и настройка (изменение жесткости) пружинного привода в соответствии с резонансными частотами собственных колебаний разных ОИ.

Целью (задачей) предлагаемого устройства стенда для испытаний конструкций и способа его сборки и настройки является нагружение испытываемых конструкций квазистатическими нагрузками (в области низких частот до 5 Гц), действующими в одном направлении.

Для достижения поставленной цели (задачи) предлагаемый стенд для испытаний на прочность снабжен подвижной (перемещаемой) платформой, установленной над пружинным блоком на заданной высоте. Подвижная платформа имеет возможность перемещения вниз с помощью кареток вдоль вертикально установленных и жестко связанных с опорным основанием направляющих стоек. Перемещаемые каретки жестко связаны с подвижной платформой, снабжены роликами и обеспечивают перемещение платформы "вверх-вниз" вдоль направляющих стоек. Устройство фиксации размещено между подвижной платформой и пружинным блоком на направляющих стойках и предназначено для установки и удержания подвижной платформы на заданной высоте над пружинным блоком. Снизу со стороны пружинного блока на подвижную платформу закреплены балансировочный груз и демпфирующее устройство.

Сверху на подвижную платформу установлено стыковочное кольцо с возможностью изменения своего положения на подвижной платформе, для чего кольцо снабжено опорными узлами с устройствами регулировки наклона и смещения в плоскости относительно платформы. На стыковочное кольцо устанавливается и закрепляется объект испытаний (ОИ).

Нагружение испытываемой конструкции, закрепленной на подвижной платформе через стыковочное кольцо, квазистатическими нагрузками при проведении испытаний происходит в процессе торможения подвижной платформы на пружинном блоке после ее перемещения (падения) с заданной высоты до соприкосновения с пружинным блоком постоянной жесткости. Величина жесткости пружинного блока выбирается из условия обеспечения нагружения ОИ низкочастотными (квазистатическими) нагрузками с частотой f не более 5 Гц. В процессе торможения на пружинном блоке ОИ нагружается полусинусоидальным (гармоническим) импульсом, максимальное (амплитудное) значение которого будет зависеть от высоты перемещения (падения) ОИ.

Из известных соотношений движения тел при свободном падении и теории колебаний массы на пружине постоянной жесткости (см., например, книгу “Колебания в инженерном деле” С.П. Тимошенко, Д.Х.Янг, У.Уивер. “Машиностроение”, М., 1985 г., глава 1, параграф 1.1, стр.16-20) амплитудное значение перегрузки, действующей на ОИ, равно:

где:

h - высота подъема объекта испытаний;

g=9,81 м/с² - ускорение свободного падения;

- циклическая частота собственных колебаний пружинного блока и тормозимого на нем груза;

k=const - жесткость пружинного блока;

mΣ - суммарная масса тормозимого на пружинном блоке груза (подвижной части стенда, балансировочного груза и ОИ);

- скорость при свободном падении тела с высоты h.

Жесткость k пружинного блока стенда задается постоянной, поэтому для получения постоянной частоты f приложенной нагрузки (вынужденных колебаний ОИ на пружинном блоке при его торможении) не более 5 Гц необходимо задать массу подвижной части стенда с ОИ также постоянной величины, что при различных массах ОИ обеспечивается установкой на подвижную платформу балансировочного груза определенной массы. Масса дополнительно устанавливаемого груза выбирается из условия, чтобы суммарная масса ОИ, балансировочного груза, и подвижной части стенда (в данном случае это масса подвижной платформы, стыковочного кольца и кареток) была постоянной величины (см. формулу ). В случае, когда масса ОИ и подвижной части стенда равна заданной постоянной величине, балансировочный груз не устанавливается. В соответствии с этим высота подъема ОИ измеряется либо от балансировочного груза, либо от нижней части платформы (при отсутствии балансировочного груза).

Основным нагружающим элементом стенда является пружинный блок постоянной жесткости, который обеспечивает нагружение ОИ квазистатическими нагрузками при испытаниях на прочность конструкций с помощью предлагаемого стенда.

Демпфирующее устройство, выполненное, например, из резины, установленное в нижней части подвижной платформы или на балансировочном грузе (при его наличии), предназначено для исключения (“фильтрации”) высокочастотных ударных нагрузок с тем, чтобы обеспечить приложение к ОИ низкочастотного полусинусоидального импульса (основной приложенной нагрузки) без искажений и наложений на него высокочастотных нагрузок ударного характера, возможных в момент соприкосновения подвижной платформы (с установленным на ней ОИ) после ее перемещения с заданной высоты. Из условия исключения этих ударных нагрузок выбирается жесткость демпфирующего устройства.

В устройстве стенда предусмотрена регулировка положения ОИ по отношению к подвижной платформе. Это необходимо, во-первых, для обеспечения приложения к ОИ нагрузок в боковых направлениях при проведении испытаний на прочность, во-вторых, для обеспечения прохождения вектора приложенной к ОИ нагрузки со стороны пружинного блока по линии, проходящей точно (в пределах допуска) через совместный центр масс ОИ, балансировочного груза и подвижной части стенда (подвижной платформы, стыковочного кольца и кареток), чтобы обеспечить нагружение ОИ в основном (вертикальном) направлении и исключить (или свести к минимуму) воздействия в неосновных (горизонтальных) направлениях в процессе нагружения ОИ, возможные при несовпадении вектора приложенной нагрузки с линией, на котором лежит совместный центр масс. Для обеспечения этих условий конструкция стенда снабжена специальными опорными устройствами, с помощью которых стыковочное кольцо закреплено на подвижной платформе. Эти устройства позволяют регулировать положение кольца на платформе, а значит и положение ОИ, неподвижно и жестко закрепленного на стыковочном кольце, по отношению к оси пружинного блока, которая является и осью жесткости симметричного пружинного блока. Во-первых, ОИ может устанавливаться на стыковочном кольце в различные положения при повороте вокруг своей продольной оси (угол установки меняется дискретно с определенным шагом). Во-вторых, в опорных узлах или в платформе выполнены пазы (по двум направлениям), в пределах которых опорные узлы могут перемещаться и тем самым изменять положение стыковочного кольца в плоскости платформы.

В-третьих, противоположные опорные узлы попарно снабжены цилиндрическими шарнирами (одна пара) и регулируемыми винтовыми стяжками, закрепленными на осях (другая пара), которые позволяют стыковочному кольцу занимать различные наклонные положения в зависимости от регулировки длины стяжек путем их "вывинчивания-завинчивания". Кроме того, регулировку положения совместного центра масс ОИ и подвижной части стенда можно осуществлять и с помощью соответствующего смещения положения балансировочного груза относительно подвижной платформы.

Жесткость подвижной платформы, стыковочного кольца и его опор на платформе также выбирается достаточно высокой, чтобы не влиять на частоту приложенной нагрузки со стороны пружинного блока к ОИ и исключить второстепенные колебания ОИ на пружинном блоке в процессе нагружения, т.е. обеспечить передачу механических воздействий на ОИ с минимальными искажениями.

Предлагаемый стенд для испытаний на прочность снабжен устройством фиксации подвижной платформы, которое установлено на направляющих стойках между подвижной платформой и пружинным блоком. Данное устройство предназначено для:

- удержания подвижной платформы с ОИ на заданной высоте перед началом испытаний;

- перемещение подвижной платформы с ОИ вдоль направляющих стоек с заданной высоты при расфиксации устройства;

- улавливание, торможение и удержание подвижной платформы с ОИ на обратном ходе пружин блока (при их разжатии) в конце нагружения ОИ. При этом торможение и удержание платформы происходит на меньшей высоте по сравнению с высотой ее сброса.

Устройство сброса и фиксации представляет собой тормозное устройство пневматического типа с системой рычагов и фиксаторов. Управление устройством может осуществляться как с помощью ручного привода, так и в автоматическом режиме.

Предлагаемое устройство стенда для испытаний конструкций на прочность собирают и настраивают перед началом испытаний с помощью проведения следующих операций.

Настройку пружинного блока на фиксированную частоту испытаний производят установкой на подвижную платформу балансировочных грузов переменной массы в зависимости от массы ОИ, но при этом суммарную массу ОИ, балансировочного груза и подвижной части стенда (подвижная платформа, стыковочное кольцо и каретки) задают постоянной величины, т.е. выполняя равенство:

где:

mΣ - суммарная постоянная масса груза, тормозимого при испытаниях на пружинном блоке;

m_OИ - масса ОИ;

m_БГ - масса балансировочного груза;

m_СТ - масса подвижной части стенда.

Таким образом, при испытаниях конструкций различной массы настройка параметров стенда по нагрузке (обеспечение фиксированной частоты колебаний пружинного блока с тормозимым на нем грузом) производится путем установки балансировочного груза соответствующей массы.

Затем на подвижную платформу (или балансировочный груз) устанавливают демпфирующее устройство, предназначенное для исключения ударных нагрузок. На стыковочное кольцо закрепляют груз-макет (ГМ), масса которого равна массе ОИ. При установке ГМ на стыковочное кольцо обеспечивают положение центра масс ГМ на линии, совпадающей с вертикальной осью пружинного блока. На ГМ устанавливают устройства измерений инерционных перегрузок и производят предварительную настройку стенда путем перемещения подвижной платформы с ГМ на пружинный блок с разных высот, проводя при этом замеры инерционных перегрузок на ГМ. При данной операции осуществляют настройку стенда по частоте, амплитуде приложенного импульса, контролируют время действия нагрузок, строят зависимость полученных перегрузок на ГМ от высоты сброса подвижной платформы с ГМ. При необходимости корректируют величину массы балансировочного груза (устанавливают или убирают отдельные части груза) для получения фиксированной частоты приложенной нагрузки от пружинного блока, возможна также корректировка высоты сброса ГМ для получения заданной величины перегрузки. Окончательно по результатам предварительных перемещений (сбросов) подвижной платформы с ГМ определяют испытательную высоту перемещения для ГМ.

Затем вместо ГМ на стыковочное кольцо устанавливают ОИ и производят регулировку его положения путем изменения положения стыковочного кольца относительно подвижной платформы с помощью устройств наклона и смещения, тем самым устанавливая ОИ в необходимое положение при испытании. После соответствующей установки ОИ производят тарировочные (пробные) перемещения подвижной платформы с ОИ с высот, составляющих 15-25% от предварительно определенной испытательной высоты для ГМ, при этом производят замер инерционных перегрузок на ОИ. По результатам замера перегрузок на ОИ уточняют (при необходимости) значение испытательной высоты перемещения для ОИ, после чего поднимают подвижную платформу с ОИ на уточненную высоту над пружинным блоком и фиксируют ее в этом положении, т.е. на этой высоте с помощью устройства фиксации подвижной платформы относительно направляющих стоек.

Затем проводят квалификационные (зачетные) испытания ОИ путем перемещения подвижной платформы с ОИ с уточненной высоты на пружинный блок и последующего торможения на нем.

Проведение операций по предварительной настройке (калибровке) стенда с помощью ГМ, а также проведение тарировочных (пробных) сбросов ОИ с высот, составляющих 15-25% от предварительно определенной испытательной высоты для ГМ, позволяют определить зачетную высоту испытаний, при перемещении с которой на пружинный блок, на ОИ будет получена заданная испытательная перегрузка.

В связи с тем, что нагружение ОИ квазистатическими нагрузками происходит в процессе его торможения на пружинном блоке, т.е. при его движении, то ОИ должен имитировать массово-инерционные и жесткостные характеристики конструкции. Поэтому в качестве испытываемого образца конструкции в условиях предложенного стенда можно использовать макет конструкции, предназначенный для отработки динамической прочности, что приведет к уменьшению затрат и экономии средств на изготовление опытного (отработочного) макета испытываемого изделия (т. к. отпадет необходимость изготовления силового макета для проведения испытаний на прочность на стенде статического нагружения с помощью балочно-рычажных систем - аналог).

Таким образом, предлагаемое устройство стенда для испытаний на прочность позволяет нагрузить испытываемую конструкцию квазистатическими нагрузками. За счет предлагаемых операций заявленный способ позволяет собрать и настроить стенд для испытаний конструкций на прочность квазистатическими нагрузками.

На фигуре 1 изображен общий вид стенда для испытаний конструкций на прочность квазистатическими нагрузками. Составные части стенда изображены в исходном положении перед началом испытаний.

На фигуре 2 изображен общий вид сбоку стенда для испытаний в исходном положении при наклонном положении ОИ на стыковочном кольце.

На фигуре 3 изображен общий вид стенда при проведении испытаний конструкций, в момент нагружения ОИ при торможении на пружинном блоке.

Стенд для испытаний конструкций на прочность квазистатическими нагрузками состоит из неподвижной и подвижной (перемещаемой) частей.

Неподвижная часть стенда состоит из опорного основания 1, пружинного блока 2, установленного и закрепленного на опорном основании 1, и направляющих стоек 3, вертикально установленных также на основании 1. Пружинный блок 2 состоит из верхней платы 4 и нижней платы 5, между которыми установлен набор пружин сжатия 6. Нижней платой 5 пружинный блок крепится к основанию 1, а верхней платой 4 взаимодействует с подвижной частью стенда при проведении прочностных испытаний. Набор пружин 6 состоит из отдельных пружин разного диаметра и жесткости, объединенных в группы и соосно установленных одна в другую (параллельное соединение пружин) таким образом, чтобы суммарная жесткость всех пружин, входящих в состав блока, была постоянна и выбрана из условия обеспечения частоты собственных колебаний пружинного блока с испытываемой конструкцией не более 5 Гц (оптимальной с точки зрения габаритов пружин блока и нагружения ОИ квазистатическими нагрузками может считаться частота 2-4 Гц).

Подвижная часть стенда с помощью, например, крана или тельфера (на фигурах условно не показаны) устанавливается над пружинным блоком 2 на заданной высоте и состоит из платформы 7, на которой сверху закреплено стыковочное кольцо 8 с возможностью регулировки своего положения на подвижной платформе 7, а снизу - балансировочный груз 9 (при необходимости) и демпфирующее устройство 10. На стыковочное кольцо 8 устанавливается и закрепляется объект испытаний (ОИ) 11, на котором размещаются в необходимых точках устройства (датчики) измерения инерционных перегрузок (на фигурах условно не показаны). Подвижная платформа 7 снабжена каретками 12 с роликами 13, позволяющими ей перемещаться вниз - вверх вдоль вертикально установленных на опорном основании 1 направляющих стоек 3. К нижней части платформы 7 со стороны пружинного блока 2 при необходимости крепится балансировочный груз 9, к нижней части которого крепится демпфирующее устройство 10. При отсутствии балансировочного груза 9 демпфер 10 крепится непосредственно к нижней части платформы 7.

Стенд для испытаний снабжен устройствами регулировки положения стыковочного кольца 8 с закрепленным на нем ОИ 11 относительно подвижной платформы 7 и устройством фиксации платформы 7 на стойках 3 на заданной высоте относительно пружинного блока 2.

При жестком неподвижном креплении ОИ 11 на стыковочном кольце 8 его необходимое положение при испытаниях может регулироваться за счет изменения наклона и смещения стыковочного кольца 8 относительно подвижной платформы 7. Например, необходимый наклон кольца 8 с закрепленным на нем ОИ 11 может меняться с помощью специальных опорных узлов. При этом одна пара узлов 14 снабжена цилиндрическими шарнирами 15 типа ось - проушина, а другая пара узлов 16 снабжена регулируемыми винтовыми стяжками 17 (см. фигуру 2). Регулировка положения стыковочного кольца 8 относительно платформы 7 в ее плоскости может осуществляться за счет одновременного смещения опорных узлов 14 и 16 в соответствующих пазах (на фигурах условно не показанных), выполненных либо в платформе, либо в самих опорных узлах. Кроме того, возможен поворот ОИ 11 относительно своей продольной оси при установке ОИ 11 на стыковочное кольцо 8. Возможность поворота ОИ 11 на стыковочном кольце 8, возможность наклона самого кольца 8 на платформе 7, а также возможность смещения кольца 8 в плоскости платформы 7, во-первых, позволяют нагрузить ОИ 11 нагрузками в различных боковых направлениях при испытаниях, во-вторых, обеспечивают прохождение вектора приложенной нагрузки от пружинного блока 2 через совместный центр масс подвижной части стенда (платформы 7, стыковочного кольца 8 и двух кареток 12), балансировочного груза 9 и ОИ 11.

Подвижная часть стенда удерживается на определенной заданной высоте над пружинным блоком 2 перед началом испытаний ОИ 11 с помощью устройства фиксации 18, установленного на направляющих стойках 3 между платформой 7 и пружинным блоком 2. Устройство фиксации 18 обеспечивает удержание подвижной платформы 7 с ОИ 11 от ее перемещения вдоль направляющих стоек 3, перемещение (сброс) подвижной платформы 7 с ОИ 11 на пружинный блок 2 при своей расфиксации, а также улавливание, торможение и удержание ее в конце нагружения ОИ 11 на обратном ходе (разжатии) пружин блока 2. Это необходимо для исключения повторного падения платформы 7 с ОИ 11 на пружинный блок 2 с нерасчетной высоты. Торможение и удержание платформы 7 с ОИ 11 осуществляется на меньшей высоте по сравнению с расчетной высотой сброса. Устройство 18 представляет собой тормозное устройство, например, с пневматическим приводом.

Стенд для испытаний конструкций собирают и настраивают следующим образом.

На основание стенда 1 устанавливают пружинный блок 2 с определенной постоянной жесткостью. На подвижную платформу 7 со стороны пружинного блока 2 закрепляют балансировочный груз 9 с определенной массой, необходимой для обеспечения низкочастотных колебаний (с частотой не более 5 Гц) ОИ 11 на пружинном блоке 2. На нижнюю часть балансировочного груза 9 закрепляют демпфирующее устройство 10. При отсутствии балансировочного груза 9, демпфер 10 устанавливают непосредственно на нижнюю часть платформы 7.

Затем производят настройку и контроль нагрузочных характеристик стенда, для чего на стыковочное кольцо 8 подвижной платформы 7 устанавливают ГМ (на фигурах условно не показан), масса которого равна массе ОИ 11. И проводят предварительные сбросы подвижной платформы 7 с ГМ с замером перегрузок на ГМ с помощью устройств (датчиков) измерения инерционных перегрузок, по результатам чего определяют испытательную высоту сброса для ГМ.

После этого вместо ГМ на стыковочное кольцо 8 устанавливают ОИ 11 в необходимое положение для испытаний, производят регулировку положения стыковочного кольца 8 на подвижной платформе 7 путем соответствующей установки опор 14 и 16 и изменения угла наклона кольца 8 на платформе 7 с помощью регулируемых винтовых стяжек 17. Затем поднимают платформу 7 с ОИ 11 на высоту, составляющую 15-25% от предварительно определенной высоты перемещения для ГМ, и проводят тарировочные (пробные) испытания с замером инерционных перегрузок на ОИ, по результатам которых уточняют (при необходимости) и окончательно определяют высоту перемещения ОИ. После чего подвижную платформу 7 с ОИ 11 поднимают вверх на уточненную высоту над пружинным блоком 2 по направляющим стойкам 3 с помощью кареток 12, устанавливают и фиксируют ее на этой высоте с помощью устройства фиксации 18. Таким образом, стенд собран, настроен и подготовлен для проведения испытаний конструкций на прочность квазистатическими нагрузками. При этом подвижная платформа стенда с ОИ установлена на заданной высоте, необходимой для зачетного нагружения ОИ.

Работа стенда при испытаниях конструкций на прочность осуществляется следующим образом.

При расфиксации устройства 18 (управление устройством 18 может осуществляться с помощью ручного привода или дистанционно в автоматическом режиме) платформа 7 с закрепленным на ней через стыковочное кольцо 8 ОИ 11 перемещается вниз (падает) с помощью кареток 12 вдоль направляющих стоек 3 до соприкосновения с пружинным блоком 2. Перемещаясь (падая) с заданной высоты h, вся подвижная часть стенда (платформа 7, стыковочное кольцо 8 и каретки 12) с балансировочным грузом 9 и ОИ 11 приобретают скорость После соприкосновения балансировочного груза 9 или нижней части платформы 7 (при отсутствии балансировочного груза) с верхней платой 4 пружинного блока 2 через демпфирующее устройство 10 происходит сжатие пружин блока 2 (см. фигуру 3) за счет сил инерции падающего груза и его торможение (а значит и торможение ОИ 11) на пружинном блоке 2. При этом происходит нагружение ОИ соответствующими перегрузками, которые определяются высотой сброса h и зависят от жесткости k набора пружин 6 пружинного блока 2. При этом демпфирующее устройство 10 сжимается и смягчает удар, исключая высокочастотные ударные нагрузки, действие которых на ОИ возможно в момент соприкосновения подвижной части стенда с пружинным блоком.

Действующая максимальная перегрузка при испытаниях определяется соотношением

В данном случае от массы m ОИ перегрузка зависеть не будет, т.к. подвижная часть стенда догружена до постоянной массы mΣ с тем, чтобы обеспечить фиксированную частоту f внешней нагрузки (не более 5 Гц), приложенной со стороны пружинного блока стенда к ОИ.

После максимального сжатия пружинного блока 2 (соответствует перегрузке n_max) начинается обратный ход (разжатие) пружин 6 блока 2 и уменьшение нагрузок от n_max до 0. При этом возможен отрыв платформы 7 с ОИ 11 от пружинного блока 2 (при этом происходит снятие нагрузки с ОИ). С помощью устройства фиксации 18 происходит улавливание, торможение и удержание подвижной части стенда на высоте h₁, меньшей заданной высоты h. После этого при необходимости может быть произведен либо подъем платформы 7 с ОИ 11 на ту же высоту и повторный сброс, либо перемещение платформы 7 с ОИ 11 вниз, перемонтаж ОИ 11 в новое положение, соответствующее другому расчетному случаю нагружения, и подъем платформы 7 с ОИ 11 на соответствующую высоту согласно программе испытаний.

Использование заявленного стенда для испытаний конструкций на прочность и способа его сборки и настройки по сравнению с прототипом и аналогами позволяет нагрузить испытываемую конструкцию квазистатическими нагрузками, более точно имитирующими эксплуатационные воздействия на конструкцию, значительно снижает объем вспомогательной оснастки, необходимой для проведения испытаний, позволяет использовать динамический макет испытываемого изделия для статических испытаний и тем самым уменьшить затраты на изготовление материальной части для проведения прочностных испытаний, а также существенно сокращает время проведения зачетных испытаний.

1. Стенд для испытаний конструкций на прочность, содержащий опорное основание с установленным в нем пружинным блоком вертикального обжатия, стыковочное кольцо для крепления объекта испытаний и устройства измерений инерционных перегрузок объекта испытаний, отличающийся тем, что стенд снабжен подвижной платформой, установленной на заданной высоте относительно пружинного блока, направляющими стойками, жестко связанными с опорным основанием, каретками, жестко связанными с подвижной платформой и обеспечивающими вертикальное перемещение подвижной платформы вдоль направляющих стоек, устройством фиксации подвижной платформы относительно направляющих стоек, балансировочным грузом и демпфирующим устройством, закрепленными на подвижной платформе снизу со стороны пружинного блока, а стыковочное кольцо для крепления объекта испытаний установлено на подвижную платформу сверху и снабжено устройствами регулировки его наклона и смещения в плоскости относительно подвижной платформы.

2. Способ сборки и настройки стенда для испытаний конструкций на прочность по п.1, заключающийся в том, что пружинный блок настраивают на резонансную частоту собственных колебаний объекта испытаний, устанавливают объект испытаний на стыковочное кольцо и производят нагружение объекта испытаний испытательными нагрузками, отличающийся тем, что настройку пружинного блока на фиксированную частоту испытаний производят установкой на подвижную платформу балансировочных грузов переменной массы, при этом суммарную массу объекта испытаний, балансировочного груза, оснастки стенда устанавливают постоянной величины, затем на подвижную платформу устанавливают демпфирующее устройство, на стыковочное кольцо закрепляют груз-макет, масса которого равна массе объекта испытаний, на груз-макет устанавливают устройства измерений инерционных перегрузок, производят предварительную настройку стенда путем перемещения подвижной платформы с груз-макетом на пружинный блок с разных высот, проводят замеры инерционных перегрузок на груз-макете, определяют испытательную высоту перемещения для груз-макета, затем вместо груз-макета на стыковочное кольцо устанавливают объект испытаний, производят регулировку его положения путем регулировки положения стыковочного кольца относительно подвижной платформы с помощью устройств наклона и смещения, производят перемещения подвижной платформы с объектом испытаний с высот, составляющих 15-25% от предварительно определенной испытательной высоты перемещения для груз-макета, при этом проводят замер инерционных перегрузок на объекте испытаний, уточняют значение испытательной высоты перемещения для объекта испытаний, поднимают подвижную платформу с объектом испытаний на уточненную высоту над пружинным блоком и фиксируют ее на этой высоте с помощью устройства фиксации подвижной платформы относительно направляющих стоек.