Способ виброиспытаний объекта на электродинамическом вибростенде
Владельцы патента RU 2784480:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Изобретение относится к области испытаний объектов на динамические воздействия. Способ виброиспытаний объекта (ОИ) на электродинамическом вибростенде включает синтезирование исходного временного сигнала виброударного нагружения, которое проводят путем суммирования гармоник из заданного испытательного диапазона, последующее воспроизведение синтезированного исходного временного сигнала в качестве опорного временного профиля производят с автоматическим управлением обратной связью системой «усилитель-вибростенд», при этом сбор временных данных в выбранных контрольных точках ОИ осуществляют интерактивно с последующим вычислением оператором передаточных функций, характеризующих влияние системы «усилитель-вибростенд-переходное приспособление-ОИ» для выбранной точки, синтезированием скорректированного временного сигнала, при воспроизведении которого как опорного временного профиля на вибростенде в выбранной контрольной точке ОИ реализуют виброударную нагрузку с параметрами, отвечающими требованиям исходных данных. Обеспечивается воспроизведение с использованием алгоритма управления виброударными испытаниями для любой выбранной контрольной точки ОИ знакопеременной затухающей нагрузки с заданными характеристиками амплитуды во времени со спектральными параметрами в частотной области на вибрационном электродинамическом стенде без создания дополнительных специализированных технических приспособлений, направленных на имитирование виброударных нагрузок. 5 ил.
Изобретение относится к области испытаний изделий (ОИ) на динамические воздействия, в части стойкости при испытаниях на воздействие знакопеременной нагрузки с параметрами нарастания и затухания во временной области, при этом с выполнением характеристик в частотной области:
- Максимальное значение ускорения виброударного процесса (Amax);
- Длительность фронта нарастания сигнала, время до достижения Amax (tнар);
- Длительность фронта спада сигнала (tспад);
- Показатели кривизны фронта нарастания и спада (х и у);
- Длительность виброударного процесса (t);
- Частотное наполнение сигнала 
(например, спектральное распределение дисперсии (энергии) по частотным диапазонам).
Известен «СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ НА ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЕ УДАРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИБОРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ» (Патент RU №2262679, МПК G01M 7/08, G01N 3/313(2000.01), опубликованный 20.10.2005, Бюл. №29). Способ включает ударное нагружение объекта испытания, создаваемое с помощью пиротехнических устройств с заранее заданным ударным спектром ускорений, который перекрывает требуемый ударный спектр ускорений. Затем определяют расстояние от пиротехнического устройства до объекта испытаний, на котором зарегистрированный ударный спектр ускорений не меньше требуемого. После этого определяют количество точек приложения ударных воздействий. Создают ударное воздействие в определенных выше точках. Сравнивают полученные ударные спектры ускорений во всех точках контроля с требуемым ударным спектром ускорений и при необходимости корректируют количество и места установки пиротехнических устройств. Процедуру продолжают до обеспечения требуемого ударного спектра ускорений во всех точках контроля.
Известен «СПОСОБ ВИБРОИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ» (Патент RU №2729980, МПК G01M 7/00(2006.01), опубликованный 13.08.2020, Бюл. №23). Группа изобретений может быть использована для повышения достоверности испытаний технических изделий на воздействие широкополосной случайной вибрации (ШСВ) при многоточечном управлении на однокомпонентных электродинамических вибростендах. В данных способе и устройстве для его реализации каждую пару из четного количества контрольных точек располагают в одной измерительной плоскости с рабочей осью вибростенда по разные стороны от этой оси. При этом используют не менее двух пар контрольных точек, расположенных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с линией пересечения, совпадающей с рабочей осью вибростенда. Мгновенные текущие значения виброускорений каждой пары вибропреобразователей в двух контрольных точках в одной измерительной плоскости суммируют с использованием задатчиков весовых коэффициентов и сумматоров мгновенных текущих значений. В результате от двух пар контрольных точек получают две зависимости мгновенных текущих значений виброускорений от времени, в которых исключены систематические ошибки, вызванные паразитными угловыми колебаниями подвижной части вибростенда с закрепленным на ней в переходном приспособлении испытуемым изделием. Указанные зависимости как функции времени поступают на входы контроллера системы управления виброиспытаниями, на выходе которого получают сигнал обратной связи. Данный способ выбран в качестве прототипа.
Недостатки указанных способов испытаний заключаются в невозможности управления входным воздействием малой длительности (менее 0,1 с) в частотной области, что обусловлено для способа-прототипа автоматизированным процессом управления виброиспытаниями на случайное воздействие по алгоритму, состоящему из двух циклов.
Во внутреннем цикле проводится сбор по каналу управления мгновенных временных сигналов (длительность определяется через отношение количества точек/линий мгновенного временного сигнала к частоте его дискретизации/повторяемости), выполняется Фурье-преобразование (Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. - М. Мир, 1983), рассчитываются спектральные плотности мощности (СПМ) с последующим их усреднением по каждому каналу управления. Затем рассчитывается значение "СПМ управления по контрольному каналу", которое усредняется, учитывая взвешенную сумму текущего значения и значения, вычисленного в предыдущем цикле. Для этого значения СГТМ до расчета передаточной функции проверяются условия соответствия опорному профилю. Затем вычисляется новый (скорректированный) уровень сигнала возбуждения, и это значение передается в систему усилитель-вибростенд. Непрерывность процесса нагружения обеспечивается за счет последовательно измененных (при помощи сигнала обратной связи, учитывающего через передаточную функцию влияние системы «усилитель-вибросгенд-переходное приспособление-ОИ») мгновенных временных сигналов с незначительной задержкой наложенных друг на друга. Этот процесс повторяется многократно до истечения всего времени проведения испытаний, при этом для обеспечения сходимости с опорным спектром СПМ системе управления необходимо выполнять слишком мною усреднений, что может привести к увеличению времени опроса между двумя последовательными обновлениями (корректировкой) сигнала и, как следствие, к ошибке управления. Для уменьшения риска возникновения ошибки необходимо уменьшить частоту дискретизации, что приведет к увеличению длительности мгновенного временного сигнала, или уменьшить количество точек/линий, описывающих мгновенный временной сигнал, что повлияет на качество результата преобразования в частотную область.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в воспроизведении виброударных испытаний объекта, закрепленного в переходном приспособлении на подвижной части электродинамического вибростенда на воздействие знакопеременной затухающей виброударной нагрузки с заданными параметрами в виде неравномерного спектрального распределения дисперсии (энергии) в заданном частотном диапазоне, малой длительности (менее 0,1 с) случайного процесса, отвечающими требованиям исходных данных для ОИ.
Технический результат, который будет получен в результате использования заявляемого способа, состоит в воспроизведении с использованием алгоритма управления внброударным испытаниями для любой выбранной контрольной точки ОИ знакопеременной затухающей нагрузки с заданными характеристиками амплитуды во времени со спектральными параметрами в частотной области на вибрационном электродинамическом стенде без создания дополнительных специализированных технических приспособлений, направленных на имитирование виброударных нагрузок.
Технический результат достигается за счет того, что в заявляемом способе виброиспытаний объекта на электродинамическом вибростенде, включающем синтезирование исходного временного сигнала виброударного нагружения, его воспроизведение на стенде с закрепленным на его подвижной части в переходном приспособлении ОИ, измерение в выбранной контрольной точке реакции ОИ от воспроизведенного исходного временного сигнала, формирование скорректированного сигнала нагружения при помощи сигнала обратной связи, учитывающего через передаточную функцию влияние системы «усилитель-вибростенд-переходное приспособление-ОИ» на реакцию, полученную в выбранной контрольной точке, используемого при автоматическом управлении воспроизведением вибрации, в отличие от прототипа синтезирование исходного временного сигнала виброударного нагружения проводят путем суммирования гармоник из заданного испытательного диапазона для спектрального распределения дисперсии с соблюдением условия не превышения величины рассеивания 5σ для нормального распределения, где σ - среднее квадратическое отклонение амплитудных значений с наложенными ограничениями в виде фронтов нарастания N(t) и спада S(t), формируемых по выражениям
где
tнач - значение времени начала действия фронта нарастания,
tкон - значение времени завершения фронта спада;
tнар - длительность фронта нарастания сигнала;
tспад - длительность фронта спада сигнала;
t - длительность виброударного процесса;
х и у - показатели функций фронтов нарастания и спада соответственно,
а также случайного разброса фаз по нормальному закону распределения и не повторяемости их на соседних частотах, последующее воспроизведение синтезированного исходного временною сигнала в качестве опорного временного профиля производят с ароматическим управлением обратной связью системой «усилитель-вибростенд», при этом интерактивно производят сбор временных данных в выбранных контрольных точках ОИ с последующим вычислением оператором передаточных функций, характеризующих влияние системы «усилитель-вибростенд-переходное приспособление-ОИ» для выбранной точки и дальнейшим синтезированием скорректированного временного сигнала, при воспроизведении которого как опорного временного профиля на вибростенде в выбранной контрольной точке ОИ реализуют виброударную нагрузку с параметрами, отвечающими требованиям исходных данных.
В результате использования всей совокупности признаков заявляемого изобретения обеспечивается воспроизведение на ОИ знакопеременной затухающей виброударной нагрузки с заданными характеристиками амплитуды во времени и со спектральными параметрами в частотной области с учетом фронтов нарастания и спада во времени, на вибрационном оборудовании без создания дополнительных специализированных технических приспособлений, направленных на имитирование виброударных нагрузок, значительно сокращается число вычислительных автоматических операций за счет их выполнения системой управления в интерактивном режиме проведения процесса нагружения, что улучшает качество воспроизводимой нагрузки.
Изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 приведена дискретная зависимость фаз от частоты с шагом дискретизации, равным единице для каждой составляющей. На фиг. 2 приведен результат суммирования гармоник со случайными распределениями фаз (случайный сигнал). Полученный случайный сигнал соответствует не всем требованиям виброударного процесса по исходным данным и подходит только при проведении виброиспытаний с управлением по случайному сигналу в качестве мгновенного временного сигнала. На фиг. 3 и фиг. 4 приведены примеры синтезированного случайного сигнала (серый цвет), фронтов нарастания N(t) и спада S(t) (пунктирные линии) и результаты суммирования гармоник с учетом наложенных ограничений (черный цвет). На фиг. 5 приведены заданное распределение дисперсии (энергии) (далее опорный профиль дисперсии) и результат преобразования Фурье сформированного исходного временного сигнала с учетом наложенных ограничений в частотной области.
Заявляемый способ виброиспытаний объекта на электродинамическом вибростенде осуществляется следующим образом.
Синтезируют исходный временной сигнал виброударного нагружения VU(t,f) с параметрами (
Amax, tнар, tспад, t, х и у), отвечающими заданным требованиям по формуле
где
Ai - амплитуда, размах колебаний i-той гармоники, ωi - угловая частота i-той гармоники, выраженная через зависимость от частоты ωi=2πƒi;, ϕi - начальная фаза i-той гармоники, t - длительности виброударного сигнала, количество суммируемых частот определяется как разница между максимальной ƒk и минимальной ƒn частотами заданного испытательного диапазона с учетом наложения ограничений в виде фронтов нарастания N(t) и спада S(i) по амплитудным значениям во временной области, характер кривизны фронтов определяют показателями функций
где tнач - значение времени начала действия фронта нарастания, tнар - длительность фронта нарастания сигнала, tспад - длительность фронта спада сигнала, tкон - значение времени завершения фронта спада, х и у - показатели функций фронтов нарастания и спада соответственно. Изменения фронтов, описывающих форму виброударного процесса, могут иметь линейный, параболический, гиперболический или иной характер, определяемый показателями выражения кривизны линий фронтов.
Амплитудные значения Ai суммируемых гармоник каждого поддиапазона частот определяются по известной зависимости 
где Di - значение дисперсии (энергии) i-го поддиапазона, в соответствии с условием не превышения величины рассеивания 5σ для нормальною распределения, где σ - среднее квадратическое отклонение амплитудных значений.
Для проверки с исходными данными параметров синтезированного временного сигнала, представленных как во временной области в виде длительностей (tнар, tспад и t) и уровней ускорений (Amax, Ai), так и в частотной области в виде распределения дисперсии (энергии) 
необходимо провести преобразование Фурье синтезированного временного сигнала в частотную область. Далее реализуют нагружение ОИ, закрепленного в переходном приспособлении на подвижной части электродинамического вибрационного стенда, с воспроизведением синтезированного временного сигнала в качестве опорного временного профиля производят с автоматическим управлением обратной связью системы «усилитель-вибростенд».
Контроль воспроизведения синтезированного временного сигнала осуществляют автоматически системой управления при помощи встроенного датчика напряжения, измеряющего реакцию с учетом обратной связи системы «усилитель-вибростенд». Параллельно для подтверждения соответствия воспроизводимой нагрузки на ОИ параметрам исходных данных проводят измерения установленным в выбранной контрольной точке ОИ в направлении рабочей оси вибростенда пьезоэлектрическим виброизмерительным преобразователем. Сбор временных данных в выбранных контрольных точках ОИ осуществляют интерактивно. Измеренные виброускорення как функции времени, содержат информацию характеризующую, систему «усилитель-вибростенд-переходное приспособление-ОИ». Для определения передаточной функции через отношение реакции системы «усилитель-вибростенд-переходное приспособление-ОИ» в выбранной точке ОИ к входной нагрузке (Вибрация в технике: Справочник. В 6-ти т. / Ред. Сов: В 41 В.Н. Челомей (пред.). - М. Машиностроение, 1981. - Том 5. Измерения и испытания. - Под ред. М.Д. Генкина.) оператор проводит вычисления распределения дисперсии через преобразования Фурье размеренного временного сигнала в выбранной точке ОИ с последующим получением передаточной функции системы «усилитель-впбростенд-переходное приспособление-ОИ». После определения передаточной функции проводится синтезирование скорректированного временного сигнала и реализация его как скорректированного опорного временного профиля по напряжению, при этом в выбранной контрольной точке ОИ будет реализована виброударная нагрузка с параметрами, отвечающим требованиям исходных данных.
Таким образом, обеспечивается воспроизведение на ОИ знакопеременной затухающей виброударной нагрузки с заданными характеристиками амплитуды во времени и со спектральными параметрами в частотной области с учетом фронтов нарастания и спада во времени, на вибрационном оборудовании без создания дополнительных специализированных технических приспособлений, направленных на имитирование виброударных нагрузок.
Способ виброиспытаний объекта (ОИ) на электродинамическом вибростенде, включающий синтезирование исходного временного сигнала нагружения, его воспроизведение на стенде с закрепленным на его подвижной части в переходном приспособлении ОИ, измерение воспроизводимой нагрузки в выбранной контрольной точке на ОИ, формирование скорректированного сигнала нагружения при помощи сигнала обратной связи, учитывающего через передаточную функцию влияние системы «усилитель-вибростенд-переходное приспоспобление-ОИ» на реакцию, полученную в выбранной контрольной точке, используемого при автоматическом управлении воспроизведением вибрации, отличающийся тем, что синтезирование исходного временного сигнала виброударного нагружения проводят путем суммирования гармоник из заданного испытательного диапазона для спектрального распределения дисперсии с соблюдением условия непревышения величины рассеивания 5σ для нормального распределения, где σ - среднее квадратическое отклонение амплитудных значений с наложенными ограничениями в виде фронтов нарастания N(t) и спада S(t), формируемых по выражениям
tнач - значение времени начала действия фронта нарастания,
tкон - значение времени завершения фронта спада;
tнар - длительность фронта нарастания сигнала;
tспад - длительность фронта спада сигнала;
t - длительность виброударного процесса;
х и у - показатели функций фронтов нарастания и спада соответственно, а также случайного разброса фаз по нормальному закону распределения и неповторяемости их на соседних частотах, последующее воспроизведение синтезированного исходного временного сигнала в качестве опорного временного профиля производят с автоматическим управлением обратной связью системой «усилитель-вибростенд», при этом сбор временных данных в выбранных контрольных точках ОИ осуществляют интерактивно с последующим вычислением оператором передаточных функций, характеризующих влияние системы «усилитель-вибростенд-переходное приспособление-ОИ» для выбранной точки, синтезированием скорректированного временного сигнала, при воспроизведении которого как опорного временного профиля на вибростенде в выбранной контрольной точке ОИ реализуют виброударную нагрузку с параметрами, отвечающими требованиям исходных данных.
