Стенд для испытаний объектов на знакопеременные ударные нагрузки

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к стендам для испытаний объектов однократными знакопеременными ударными импульсами перегрузки. Стенд содержит основание с направляющими, ствол для разгона ударника, тормозное устройство и перемещаемую между ними по направляющим платформу для размещения с противоположных ее сторон соосно стволу двух цилиндрических резервуаров с жидкостью и объекта испытаний в контейнере. Первый профилированный наконечник закреплен на переднем торце ударника соосно ему с возможностью ввода во входное отверстие, закрытое мембраной, первого резервуара с жидкостью. Тормозное устройство выполнено в виде второго профилированного наконечника, закрепленного на основании напротив ствола соосно ему с возможностью ввода во входное отверстие, закрытое мембраной, второго резервуара с жидкостью. Расположение платформы между наконечниками, профили которых рассчитаны исходя из формы и параметров знакопеременного импульса перегрузки, а также установка на выходе ствола, по крайней мере, одного крешера для торможения наконечника после формирования им положительной фазы импульса перегрузки и нормально закрытого обратного клапана в придонной зоне первого резервуара с жидкостью, обеспечивают независимое друг от друга формирование положительной и отрицательной фаз знакопеременного импульса перегрузки для испытания изделия. Технический результат заключается в обеспечении исследований испытываемого изделия однократным знакопеременным импульсом перегрузки с наперед заданной формой и параметрами, в том числе и с имитацией нахождения его в затопленном состоянии на заданной глубине в жидкости. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к стендам для испытаний объектов однократными знакопеременными ударными импульсами нагрузки (перегрузки).

Известен стенд для натурных испытаний изделий на знакопеременные ударные перегрузки, содержащий эстакаду, молот с одной гидропружиной, рабочую платформу для крепления испытуемого изделия, подвижную в направлении удара, тормозное устройство и буферную массу с другой гидропружиной, установленную между рабочей платформой и тормозным устройством. Буферная масса выполнена с возможностью регулирования жесткости, снабжена сменными грузами и может перемещаться в направлении удара (см. а.с. СССР №315075, МПК G01M 7/00, опубл. 21.IX.1971. Бюл. №28).

Недостатком этого стенда является то, что формирование знакопеременного импульса перегрузки осуществляется гидропружинами в совокупности с контактирующими элементами молота, рабочей платформы и буферной массы, в которых неизбежны и даже необходимы пластические деформации для обеспечения требуемых длительностей положительной и отрицательной фаз импульса. На этом стенде нельзя обеспечить наперед заданный произвольный закон изменения перегрузки во времени. Кроме того, стенд как механическая система с зазорами, с подвижными и контактирующими элементами без отсечки влияния элементов, создающих первую положительную фазу импульса перегрузки, на формирование второй отрицательной фазы импульса перегрузки, не имеет возможности обеспечить непрерывный, без задержек во времени, переход положительной фазы импульса в отрицательную фазу. Предварительная тарировка стенда для этого является трудоемкой и неэффективной, поскольку стабильность и точность воспроизведения импульсов перегрузки от опыта к опыту на стенде с описанным формированием импульса перегрузки заведомо невелика.

Кроме того, не исключаются повторные соударения рабочей платформы с молотом за счет упругой составляющей силового взаимодействия рабочей платформы с гидропружинами молота и буферной массы. Это возможно, т.к. нет ограничителей для перемещения молота и рабочей платформы. Молот в конце первой положительной фазы импульса перегрузки, отскочив от рабочей платформы, может заехать на эстакаду. После повторного съезда с эстакады, приобретя начальную скорость, молот будет готов для последующего взаимодействия с рабочей платформой. При этом скорость рабочей платформы может быть уже не нулевой, как это было во время первого взаимодействия с молотом, поскольку рабочая платформа после взаимодействия с буферной массой может перемещаться навстречу скатывающемуся с эстакады молоту с некоторой скоростью.

Наиболее близким аналогом заявляемого стенда, выбранным в качестве прототипа, является стенд для испытаний изделий на знакопеременные нагрузки, содержащий основание с направляющими, установленную в направляющих подвижную платформу для крепления испытуемого изделия, расположенные с противоположных сторон платформы и взаимодействующие с ней ударник и подвижную буферную массу, закрепленный на буферной массе со стороны платформы первый упругий элемент (пружину), который с целью воспроизведения много цикловой нагрузки скреплен с платформой, тормозное устройство буферной массы, устройство для разгона ударника в виде ствола, связанного с источником сжатого газа, второй упругий элемент, закрепленный на платформе со стороны ствола (см. а.с. СССР №690352, МПК² G01M 7/00, опубл. 05.10.1979. Бюл. №37).

Недостатками этого стенда является невозможность создания однократного знакопеременного импульса перегрузки и использование в качестве формирователя импульсов перегрузки упругих пружин и дополнительной буферной массы, с помощью которых нельзя заранее задать требуемую форму и параметры импульса и с заданной стабильностью и точностью воспроизвести от опыта к опыту. Кроме того, на этом стенде по той же причине, что и на предыдущем стенде, не может быть обеспечен непрерывный, без задержек во времени, переход положительной фазы импульса в отрицательную фазу.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в разработке стенда, позволяющего проводить исследования работоспособности объектов, которые в процессе эксплуатации подвергаются однократному знакопеременному импульсу перегрузки с наперед заданными формой и параметрами и могут при этом находиться под гидростатическим давлением столба жидкости при свободном погружении объекта на заданную глубину.

Технический результат, который может быть получен в результате использования заявляемого стенда, состоит в обеспечении исследований испытываемого объекта однократным знакопеременным импульсом перегрузки с наперед заданной формой и параметрами, в том числе и с имитацией нахождения его в затопленном состоянии на заданной глубине в жидкости, причем процесс создания положительной и отрицательной фаз знакопеременного импульса перегрузки, воздействующих на объект испытаний (ОИ), происходит без взаимного влияния между ними, чем обеспечивается максимальное соответствие форме и параметрам задаваемого импульса перегрузки.

Указанный технический результат достигается с помощью стенда для испытаний ОИ на знакопеременные ударные нагрузки, содержащего основание с направляющими, ствол для разгона ударника, платформу для размещения объекта испытаний, перемещаемую по направляющим в направлении удара, тормозное устройство, отличающегося от прототипа тем, что дополнительно снабжен первым и вторым цилиндрическими резервуарами с жидкостью, установленными с двух сторон на платформе соосно стволу, первый профилированный наконечник закреплен на переднем торце ударника соосно ему с возможностью ввода во входное отверстие, закрытое мембраной, первого резервуара с жидкостью, тормозное устройство выполнено в виде второго профилированного наконечника, закрепленного на основании напротив ствола соосно ему с возможностью ввода во входное отверстие, закрытое мембраной, второго резервуара с жидкостью.

Ствол может быть снабжен отверстиями для стравливания газа после достижения ударником заданной скорости. На выходе ствола может быть установлен, по крайней мере, один крешер, предназначенный для упора в него ударника после формирования положительной фазы импульса.

На наружную торцовую поверхность входных отверстий первого и второго резервуаров соосно резервуарам может быть установлено по кольцу, поперечное сечение которых выполнено в виде прямоугольной трапеции и ориентировано так, что большее основание кольца примыкает к наружной торцевой поверхности входного отверстия соответствующего резервуара, а диаметр входного отверстия, образованного острой кромкой кольца, меньше диаметра внутренней боковой поверхности соответствующего резервуара, причем площадь кольцевого зазора между соответствующим наконечником и острой кромкой кольца меньше площади кольцевого зазора между внутренней боковой поверхностью соответствующего резервуара и соответствующим наконечником.

В первом резервуаре может быть установлен нормально закрытый обратный клапан, выполненный с возможностью срабатывания при возникновении разрежения внутри жидкости первого резервуара.

Платформа стенда может быть выполнена с возможностью размещения ОИ в контейнере с жидкостью в затопленном состоянии и с возможностью регулировки давления заполняющей контейнер жидкости.

Стенд может быть снабжен демпфером из пористого материала, размещенным в стволе сзади за ударником по ходу его движения.

Радиусы поперечного сечения первого r₁(z₁) и второго r₂(z₂) профилированных наконечников соответственно на расстоянии z₁ и z₁ от их носка могут быть выбраны из условия:

где r_i - радиус входного отверстия первого (i=1) или второго (i=2) резервуара;

ψ_i(z_i) - безразмерная функция профиля соответствующего наконечника, определяется из соответствующего выражения:

или

в которых

m_УН; m_ПЭ - соответственно суммарные массы ударника и наконечника или платформы с размещенными на ней элементами (резервуарами, объектом испытаний и контейнером для него);

ρ₁, ρ₂ - плотность жидкости соответственно в первом и втором резервуаре;

- площадь входного отверстия соответственно в первом и втором резервуаре;

a_УН(z₁), a_ПЭ(z₂) - соответственно ускорения центров масс ударника с первым наконечником и платформы с размещенными на ней элементами в зависимости от проникания носка наконечников в первый или второй резервуар соответственно на величину z₁ и z₂;

V_УН(z₁); V_ПЭ(z₂) - соответственно скорость центров масс ударника с первым наконечником и платформы с размещенными на ней элементами в зависимости от проникания носка наконечников в первый или второй резервуар соответственно на величину z₁ и z₂.

Снабжение стенда первым и вторым цилиндрическими резервуарами с жидкостью, установленными с двух сторон платформы, первым профилированным наконечником, закрепленным на переднем торце ударника соосно ему с возможностью ввода во входное отверстие, закрытое мембраной, первого резервуара с жидкостью, выполнение тормозного устройства в виде второго профилированного наконечника, закрепленного на основании напротив ствола соосно ему с возможностью ввода во входное отверстие, закрытое мембраной, второго резервуара с жидкостью, обеспечивают нагружение объекта испытаний знакопеременным импульсом перегрузки с заданными формой и параметрами без взаимного влияния положительной и отрицательной фаз импульса, что повышает точность задаваемых параметров импульса.

Размещение в стволе сзади за ударником по ходу его движения демпфера из пористого материала позволяет сгладить резкие пики давления при разгоне ударника в стволе, что облегчит контроль разгона ударника и повысит точность задаваемых параметров импульса перегрузки.

Выполнение в стволе отверстий позволяет после достижения ударником заданной скорости для реализации положительной фазы импульса перегрузки стравливать газ из ствола, чтобы дальнейшее движение ударника осуществлялось по инерции, приближая тем самым условия нагружения к заданным.

Выполнение контейнера с возможностью размещения ОИ в затопленном состоянии в контейнере с жидкостью с регулировкой давления в ней позволяет имитировать воздействие как ударной нагрузки, так и гидростатического давления на ОИ на заданной глубине в жидкости.

Выполнение радиусов поперечного сечения первого и второго профилированных наконечников на расстоянии z₁ и z₂ от носка соответствующего наконечника из условия (1) позволяет задавать различные формы и параметры знакопеременных импульсов перегрузки.

Установка на выходе ствола, по крайней мере, одного крешера, предназначенного для упора в него ударника после формирования положительной фазы импульса, позволяет произвести остановку ударника, устраняя тем самым его искажающее силовое влияние на формирование отрицательной фазы импульса.

Установка на наружную торцевую поверхность входных отверстий первого и второго резервуаров соосно резервуарам по кольцу с заданными параметрами их поперечного сечения позволяет формировать положительную и отрицательную фазы импульса перегрузки с несколькими локальными экстремумами, что дает возможность использовать стенд для испытаний ОИ, подвергающихся монотонно изменяющемуся знакопеременному импульсу перегрузки с наложенными колебаниями.

Установка обратного клапана в первом резервуаре, срабатывающего при возникновении разрежения в жидкости при выходе первого профилированного наконечника из первого резервуара вследствие остановки ударника крешером, обеспечит разрыв механической связи первого профилированного наконечника с первым резервуаром и беспрепятственное перемещение платформы с ОИ при формировании отрицательной фазы импульса перегрузки.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен в разрезе заявляемый стенд для испытаний объектов на знакопеременные ударные нагрузки.

На фиг.2 изображено положение элементов стенда в конце формирования положительной фазы знакопеременного импульса перегрузки, в момент касания ударником крешера.

На фиг.3 изображена схема работы стенда при формировании положительной фазы импульса n⁺(t) перед внедрением первого наконечника в первый резервуар (пунктиром) и в процессе внедрения.

На фиг.4 изображены графики изменения скоростей V*_УН(t); и V_ПЭ(t) соответственно ударника и первого наконечника (суммарной массой (m_УН) и платформы с размещенными на ней резервуарами, объектом испытания и контейнером для него (суммарной массой m_ПЭ) при формировании положительной фазы импульса n⁺(t), а также их относительная скорость .

На фиг.5 изображена схема установки нормально закрытого обратного клапана в первом резервуаре в исходном положении (пунктиром) и после срабатывания.

На фиг.6 изображена схема работы стенда при формировании отрицательной фазы импульса n^-(t) в процессе внедрения второго профилированного наконечника во второй резервуар.

На фиг.7 изображены форма заданного знакопеременного импульса перегрузки, поле допусков для реализации при испытании по ГОСТ 28213-89 и его возможная реализация на предлагаемом стенде.

Стенд для испытаний объектов на знакопеременные нагрузки (см. фиг.1) содержит основание 1 с направляющими 15, на котором соосно между собой на определенном расстоянии друг от друга закреплены второй профилированный наконечник 2 и цилиндрический ствол 3 для разгона ударника 6. В промежутке между стволом 3 и вторым профилированным наконечником 2 свободно, строго вдоль линии, соединяющей их центры, перемещается с использованием скользящей пары 16 или пары качения 22 по направляющим 15 платформа 8, на которой установлен контейнер 9 с ОИ 10 и первым и вторым резервуарами с жидкостью 11 и 12 соответственно. Тормозное устройство выполнено в виде второго профилированного наконечника 2, закрепленного на основании 1 напротив ствола 3 соосно ему.

Внутри ствола 5 для разгона ударника 6 может находиться камера высокого давления 4 с размещенным в ней зарядом 5 из пороха либо из взрывчатого вещества или камера высокого давления 4 может быть соединена через клапан с воздушным аккумулятором давления (ВАД, на фиг.1 не показаны) и находится свободно перемещаемый вдоль него ударник 6. Ударник 6 может быть отделен от камеры высокого давления 4 демпфером 7 из пористого материала для сглаживания резких пиков давления газа от задействованного заряда 5 или при подаче воздуха из ВАД′а. На переднем торце ударника 6 соосно ему закреплен первый профилированный наконечник 19, мидель которого меньше диаметра ударника 6 настолько, чтобы на образованный таким образом уступ мог опираться закрепленный на выходе ствола, на внутренней стороне открытой части ствола 3, по крайней мере, один крешер 18, обеспечивающий остановку ударника 6 после формирования положительной фазы импульса n⁺(t). На платформе 8, со стороны, обращенной к стволу 3, и соосно ему установлен первый резервуар 11 с жидкостью и с нормально закрытым обратным клапаном 23, а с другой стороны, обращенной ко второму профилированному наконечнику 2, и соосно ему установлен второй резервуар 12 с жидкостью.

Чтобы исключить искажающее влияние на формируемую первым профилированным наконечником 19 положительную фазу импульса перегрузки усилия от внедрения второго профилированного наконечника 2 во второй резервуар 12, входное отверстие во втором резервуаре 12 в начальный момент должно располагаться на расстоянии Δ от носка второго профилированного наконечника 2, определяемом из выражения:

где g=9,806 м/с² - гравитационное ускорение. Это расстояние, на которое переместится платформа 8 при воздействии на нее положительной фазы импульса перегрузки n⁺(t).

Входные отверстия в резервуарах 11 и 12, заполненных жидкостью, закрыты мембранами 14 и 13 соответственно и расположены с возможностью последовательного ввода в них соответственно первого 19 и второго 2 наконечников.

В центральной части корпуса ствола 3 может располагаться ряд отверстий 17 таким образом, чтобы после достижения ударником 6 заданной скорости для реализации положительной фазы импульса перегрузки n⁺(t) газ из камеры высокого давления 4 стравливался, и дальнейшее движение ударника 6 осуществлялось бы по инерции, что приближает условия нагружения к заданным условиям.

ОИ 10 в контейнере 9 может закрепляться традиционно с помощью различных переходных элементов определенной жесткости или для исключения влияния на нагружение ОИ элементов крепления находиться в контейнере 9 в затопленном состоянии путем погружения в жидкость с обеспечением заданной плавучести q:

,

где G - вес ОИ, Р_выт - сила, выталкивающая ОИ из жидкости. Варьируя плавучестью q, можно влиять и на амплитуду воздействующей на ОИ перегрузки n^*(t):

n^*(t)=q·n(t),

где n(t) - перегрузка, действующая на контейнер с ОИ, заполненный жидкостью.

При размещении ОИ 10 в контейнере 9 в затопленном состоянии в жидкости может создаваться необходимое давление, например, с помощью газового пузыря в контейнере, для имитации воздействия гидростатического давления на ОИ, находящегося на определенной глубине в жидкости.

Первый и второй профилированные наконечники 19 и 2 при последовательном внедрении в противоположных направлениях соответственно в первый и второй резервуары 11 и 12 оказывают наперед заданное знакопеременное силовое воздействие на ОИ 10, размещенный в контейнере 9 на платформе 8. Профили первого и второго наконечников 19 и 2 выполняются в соответствии с приведенным выше выражением (1). При этом профиль первого наконечника 19 должен быть выполнен с учетом влияния на формируемый импульс перегрузки перемещения первого резервуара 11, находящегося на незакрепленной платформе 8.

Установка на наружные торцевые поверхности входных отверстий первого резервуара 11 и второго резервуара 12 (см. фиг.1 и 2) соответственно первого кольца 20 и второго кольца 21, поперечное сечение которых выполнено в виде прямоугольной трапеции и ориентировано так, что большее основание кольца примыкает к наружной торцевой поверхности входного отверстия соответствующего резервуара, площади кольцевых зазоров между острыми кромками этих колец и профилированными наконечниками 19 и 2 будут меньше площадей кольцевых зазоров между соответствующими внутренними боковыми поверхностями резервуаров и наконечниками, обеспечивает формирование положительной и отрицательной фаз импульса перегрузки с несколькими локальными экстремумами, что может быть использовано для автономных испытаний внутреннего элемента ОИ, подвергающегося монотонно изменяющемуся знакопеременному импульсу перегрузки с наложенными колебаниями.

Нормально закрытый обратный клапан 23 (см. фиг.5) установлен в придонной зоне первого резервуара 11 с тем, чтобы при внедрении первого профилированного наконечника 19 в первый резервуар 11 возможные завихрения жидкости внутри резервуара не могли привести к преждевременному срабатыванию клапана.

Работает стенд следующим образом.

После открытия клапана ВАД′а или от задействования заряда 5 в камере 4 возникает высокое давление газа, который через демпфер 7 или непосредственно воздействует на ударник 6 и разгоняет его в стволе 3 до заданной скорости. После достижения ударником 6 заданной скорости в стволе 3 за счет освобождения корпусом ударника отверстий 17 в стволе 3 из камеры высокого давления 4 газ стравливается. Ударник 6 по инерции перемещается вдоль ствола 3 и первый профилированный наконечник 19 с заданной скоростью V_УН0, разорвав мембрану 14, внедряется в первый резервуар 11, который находился в покое на платформе 8. За счет инерционных сил при прохождении жидкости через кольцевой зазор между первым профилированным наконечником 19 и входным отверстием в первом резервуаре 11 формируется положительная фаза n⁺(t) знакопеременного импульса перегрузки. Под воздействием этого импульса ударник 6 тормозится, а платформа 8 с размещенным на ней ОИ 10, ускоряется в силу третьего закона Ньютона: (см. фиг.3) и приобретает скорость V_ПЭ0, равную скорости V_УНК ударника 6 в конце формирования положительной фазы импульса перегрузки (V_ПЭ0=V_УНК). Сопротивлением движению платформы 8 по направляющим 15 с использованием скользящей пары 16 или пары качения 22 при этом можно пренебречь.

Ударник 6 после полного внедрения первого профилированного наконечника 19 в первый резервуар 11 приходит в соприкосновение с крешером 18 и тормозится. При этом выходу первого профилированного наконечника 19, жестко связанного с ударником 6, из первого резервуара 11, продолжающему по инерции движение вместе с платформой 8 со скоростью V_ПЭ0, препятствует возникающее разрежение в жидкости первого резервуара 11, которое приводит к искажению формируемого импульса. Под воздействием этого разрежения срабатывает обратный клапан 23 (см. фиг.5), через который происходит сообщение полости первого резервуара 11 с жидкостью с атмосферой и механическая связь между первым профилированным наконечником 19 и первым резервуаром 11, установленным на платформе 8, разрывается.

Переместившийся вместе с платформой 8 к этому моменту времени на расстояние Δ второй резервуар 12 с начальной скоростью V_ПЭ0=V_УНК, натыкается на второй профилированный наконечник 2. Второй профилированный наконечник 2 разрывает мембрану 13 на втором резервуаре 12, входит в него и формирует на платформе 8 и нагружаемом ОИ 10 отрицательную фазу n^-(t) знакопеременного импульса перегрузки.

Приведем пример выполнения стенда для нагружения сборки в составе ОИ 10 в контейнере 9, двух резервуаров 11 и 12 с жидкостью и платформы 8 суммарной массой m_ПЭ=20000 кг знакопеременным импульсом перегрузки n(t), представленным выражением (4) и в графическом виде на фиг.7. Это последовательность двух полу синусоидальных импульсов с различными параметрами:

где t - текущее время;

., τ⁺=5 мс - соответственно максимальная величина перегрузки и длительность положительной фазы импульса;

., τ^-=5.55…мс - соответственно максимальная величина перегрузки и длительность отрицательной фазы импульса.

Параметры положительной n⁺(t) и отрицательной фаз n^-(t) знакопеременного импульса перегрузки n(t} должны быть согласованы между собой исходя из равенства по модулю величин импульсов фаз. Фазы знакопеременного импульса перегрузки n(t) приняты полусинусоидального вида потому, что они относятся к стандартным формам импульсов, для которых согласно ГОСТ 28213-89 определяются поля допусков при воспроизведении в реальных условиях испытаний. Кроме того, расчеты с ними можно провести в аналитическом виде.

Процесс создания положительной n⁺(t) и отрицательной n^-(t) фаз знакопеременного импульса перегрузки, воздействующих на сборку с ОИ 10, рассмотрим независимо друг от друга, поскольку конструктивно обеспечено отсутствие между ними взаимовлияния, и поэтому импульс, формируемый стендом, в максимальной степени будет приближен к предварительно заданному импульсу.

Положительная фаза n⁺(t) знакопеременного импульса перегрузки на ОИ 10 создается при взаимодействии двух масс m_УН и m_ПЭ. За одну из них (m_УН=1000 кг) принята суммарная масса ударника 6 с первым профилированным наконечником 19, движущаяся с начальной скоростью V_УН0, а за другую (m_ПЭ=20000 кг) - покоящаяся (V_ПЭ0=0) суммарная масса платформы 8 с размещенными на ней контейнером 9, ОИ 10 и двух резервуаров 11 и 12 с жидкостью. Взаимодействие масс схематически представлено на фиг.3.

Необходимое для исключения взаимовлияния положительной фазы импульса на отрицательную и, наоборот, начальное расстояние Δ между входным отверстием во втором резервуаре 12 и вторым профилированным наконечником 2 определим путем двойного интегрирования положительной фазы импульса перегрузки n⁺(t) за время его действия τ⁺=5 мс:

.

Исходя из принятого соотношения масс и равенства импульсов перегрузки, действующих на эти взаимодействующие массы, получим, что при торможении массы m_УН на нее должен действовать импульс перегрузки n_УН(t), определяемый из следующего выражения:

.

Чтобы такой импульс перегрузки был реализован при торможении массы m_УН, она должна обладать начальной скоростью , которую определим путем интегрирования импульса перегрузки n_УН(t):

.

Под воздействием импульса n_УН(t) масса m_УН тормозится, ее скорость при этом будет изменяться по закону

,

а масса m_ПЭ под воздействием того же импульса будет разгоняться и приобретать скорость

.

Относительная скорость взаимного смещения масс m_УН и m_ПЭ при этом будет происходить по закону:

и она обращается в нуль в момент времени, равный

.

По величине это меньше заданной длительности τ⁺=5 мс положительной фазы импульса n⁺(t) (см. фиг.4), и к моменту времени масса m_ПЭ (сборка с ОИ) не приобретет требуемую для реализации отрицательной фазы импульса n^-(t) скорость V_ПЭ0. Поэтому определенная выше начальная скорость должна быть увеличена на величину V_ПЭ0=V_ПЭ(τ⁺), т.е. начальная скорость V_УН0 ударника 6 с первым профилированным наконечником 19 должна быть равна .

Тогда для полученной таким образом начальной скорости V_УН0 ударника 6 и для заданного импульса перегрузки n⁺(t) профиль первого наконечника 19, который обеспечит и получение заданного импульса, и остаточную скорость его, равную скорости платформы 8, необходимую для реализации отрицательной фазы импульса, должен быть рассчитан согласно приведенному выше выражению (1) в следующем виде:

где r₁(z₁) - радиус первого профилированного наконечника 19 в сечении на расстоянии z₁ от его носка;

r₁ - радиус входного отверстия первого резервуара 11;

ψ₁(z₁) - безразмерная функция профиля первого наконечника, определяемая из выражения

в котором

- площадь входного отверстия первого резервуара 11;

a_УН(z₁) - ускорение центра масс ударника 6 и первого профилированного наконечника 19 в зависимости от проникания носка первого профилированного наконечника 19 в первый резервуар 11 на величину z₁;

V_УН(z₁) - скорость центра масс ударника 6 и первого профилированного наконечника 19 в зависимости от проникания носка первого профилированного наконечника 19 в первый резервуар 11 на величину z₁.

Необходимые для расчета зависимости a_УН(z₁) и V_УН{z₁) легко определяются, поскольку известны импульсы перегрузки n_УН(t) и n_ПЭ(t) соответственно на массах m_УН и m_ПЭ.

Непосредственно после формирования положительной фазы импульса n⁺(t) происходит выборка зазора Δ и разогнанный до скорости V_ПЭ0 второй резервуар 12 натыкается на второй профилированный наконечник 2 и начинается формирование второй отрицательной фазы n^-(t) знакопеременного импульса перегрузки. Схема взаимодействия инерционного элемента m_ПЭ с жестко закрепленным на основании 1 вторым профилированным наконечником 2 при этом представлена на фиг.6.

На фиг.6 (помимо обозначений элементов конструкции, которые соответствуют обозначениям элементов на фиг.1) обозначено:

r₂ - внутренний радиус входного отверстия второго резервуара 12;

r₂(z₂) - радиус поперечного сечения второго профилированного наконечника 2 на расстоянии z₂ от его носка;

V_ПЭ - скорость нагружаемой сборки при воздействии отрицательной фазы импульса n^-(t).

Профиль второго профилированного наконечника 2 для создания на массе m_ПЭ отрицательной фазы n^-{t) знакопеременного импульса перегрузки определяется по приведенным выше зависимостям (5) и (6) с заменой подстрочных индексов соответственно УН на ПЭ и 1 на 2. Кроме того, при необходимости, можно учесть уменьшение массы m_ПЭ на величину массы вытесненной жидкости из первого резервуара 11 при формировании положительной фазы импульса перегрузки n⁺{t).

Полученный знакопеременный импульс перегрузки n(t) на предлагаемом стенде с указанием поля допусков для его реализации согласно ГОСТ 28213-89 приведен на фиг.7.

Незначительные отклонения от требуемой формы концов положительной и отрицательной фаз импульса, не выходящие за поле допусков по ГОСТ 28213-89, связаны с реализацией конструктивных особенностей профилированных наконечников (уменьшение их миделя в хвостовых частях с целью устранения технологических сложностей по обеспечению требуемой профилировки при изготовлении, а также установки конуса в их носовых частях для исключения плоского удара о поверхность жидкости в резервуарах).

Для принятых параметров знакопеременного импульса с максимальной величиной перегрузки в 100 ед., действующего на объект испытания 10 (см. фиг.1) в составе сборки общей массой 20000 кг и внутренних радиусов резервуаров 11 и 12 r₁=r₂=300 мм ствол 3 может иметь длину 2…3 м при диаметре ≈1 м, а элементы (ОИ 10, резервуары 11 и 12 и контейнер 9), установленные на подвижной платформе 8, в зависимости от габаритов ОИ 10 могут иметь длину 1,5…8 м и общая длина стенда может составить величину примерно 10 м. В камере высокого давления 4 и в резервуарах с жидкостью 11 и 12 могут создаваться давления примерно 4МПа. Такое давление при толщине стенки примерно 50 мм сможет выдержать с двойным запасом такой материал, как 30ХГСА.

Таким образом, предлагаемый стенд реализуем на практике, тем более при меньших габаритах и массе объекта испытаний. На нем могут быть реализованы знакопеременные импульсы перегрузки произвольной формы общей длительностью до нескольких десятков миллисекунд и с максимальным уровнем перегрузки до нескольких сотен единиц.

1. Стенд для испытаний объектов на знакопеременные ударные нагрузки, содержащий основание с направляющими, ствол для разгона ударника, платформу для размещения объекта испытаний, перемещаемую по направляющим в направлении удара, тормозное устройство, отличающийся тем, что дополнительно снабжен первым и вторым цилиндрическими резервуарами с жидкостью, установленными с двух сторон на платформе соосно стволу, первый профилированный наконечник закреплен на переднем торце ударника соосно ему с возможностью ввода во входное отверстие, закрытое мембраной, первого резервуара с жидкостью, тормозное устройство выполнено в виде второго профилированного наконечника, закрепленного на основании напротив ствола соосно ему с возможностью ввода во входное отверстие, закрытое мембраной, второго резервуара с жидкостью.

2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что ствол снабжен отверстиями для стравливания газа после достижения ударником заданной скорости.

3. Стенд по п.1, отличающийся тем, что на выходе ствола установлен, по крайней мере один крешер, предназначенный для упора в него ударника после формирования положительной фазы импульса.

4. Стенд п.1, отличающийся тем, что платформа выполнена с возможностью размещения объекта испытаний в затопленном состоянии в контейнере с жидкостью.

5. Стенд по п.4, отличающийся тем, что контейнер выполнен с возможностью регулировки давления заполняющей его жидкости.

6. Стенд по п.1, отличающийся тем, что в стволе сзади за ударником по ходу его движения размещен демпфер из пористого материала.

7. Стенд по п.1, отличающийся тем, что радиусы поперечного сечения первого r₁(z₁) и второго r₂(z₂) профилированных наконечников на расстоянии z₁ и z₂ от носка соответствующего наконечника выбраны из условия:

где r_i - радиус входного отверстия первого (i=1) или второго (i=2) резервуара;
ψ_i(z_i) - безразмерная функция профиля соответствующего наконечника, определяется из соответствующего выражения:
или
в которых
m_yн; m_пэ - соответственно суммарные массы ударника и наконечника или платформы с размещенными на ней элементами (резервуарами, объектом испытаний и контейнером для него);
ρ₁, ρ₂ - плотность жидкости соответственно в первом и втором резервуаре;
, - площадь входного отверстия соответственно в первом и втором резервуаре;
а_ун(z₁), а_пэ(z₂) - соответственно ускорения центров масс ударника с первым наконечником и платформы с размещенными на ней элементами в зависимости от проникания носка наконечников в первый или второй резервуар соответственно на величину z₁ и z₂;
V_yн(z₁); V_пэ(z₂) - соответственно скорость центров масс ударника с первым наконечником и платформы с размещенными на ней элементами в зависимости от проникания носка наконечников в первый или второй резервуар соответственно на величину z₁ и z₂.

8. Стенд по п.1, отличающийся тем, что в первом резервуаре установлен нормально закрытый обратный клапан, выполненный с возможностью срабатываний при возникновении разрежения внутри находящейся в нем жидкости.

9. Стенд по п.1, отличающийся тем, что на наружную торцовую поверхность входных отверстий первого и второго резервуаров соосно резервуарам установлено по кольцу, поперечное сечение которых выполнено в виде прямоугольной трапеции и ориентировано так, что большее основание кольца примыкает к наружной торцовой поверхности входного отверстия соответствующего резервуара, а диаметр входного отверстия, образованного острой кромкой кольца, меньше диаметра внутренней боковой поверхности соответствующего резервуара, причем площадь кольцевого зазора между соответствующим наконечником и острой кромкой кольца меньше площади кольцевого зазора между внутренней боковой поверхностью резервуара и соответствующим наконечником.