г
ОГЛАВЛЕНИЕ
Основные сокращения и обозначения................................... 6
Введение............................................................ 9
Г лава 1. Основные научные и технические проблемы разработки и совершенствования стендового оборудования для наземных вибрационных испытаний ДА и других сложных технических систем.......... 16
1.1.Выявленные особенности динамических испытаний ЛА и их систем .......;......................................... 17
1.2.Анализ условий функционирования ВСУ в составе стендовых систем для испытаний ЛА. Основные требования к расчету
и проектированию ВСУ......................................... 24
1.2.1.Системы для вывешивания или опирания изделий (разгрузочные устройства)..................................... 29
1.2.2.0граничители перемещений, гидростатические направляющие.............................................. 40
1.2.3.Виброзащитные системы .............................. 45
1.2.4.Источники вибровозбуждения ......................... 51
1.2.5.Дополнительные стендовые устройства ................ 54
1.3.Методы исследования динамики ВСУ......................... 55
1.4.Применение реологических моделей релаксационного демпфирования для описания динамических процессов
в рабочих средах и сложных технических системах........... 60
1.4.1 .Параметры, описывающие СРД......................... 68
1.4.2.Описание характеристик СРД через безразмерные параметры ............................................. 70
1.5.Итоги анализа результатов исследований оборудойанйя для испытаний ЛА и КА. Постановка задач исследования .... 74
Глава 2. Разработка и исследование усовершенствованны^ .расчетных
моделей ВСУ........................................................ 78
2.1. Расчетные линейные модели многокамерных опор стендовых систем............................................... 79
2.1.1.Анализ влияния дополнительных элементов в схемах опорных узлов на динамические характеристики........... 85
з
2.1.2.Управляемое демпфирование в линейных релаксационных моделях ............................................. 93
2.1.3.Влияние законов управления на динамику активного многокамерного опорного устройства.............. 97
2.2. Выявление свойств нелинейных моделей систем релаксационного демпфирования........................................... 105
2.2.1 .Нелинейности в опорных стендовых устройствах .... 105
2.2.2.Учет релаксационного демпфирования при исследовании нелинейных моделей опорных узлов стендовых систем ...................................................... 112
2.2.3.Исследование динамических характеристик СРД 122
с нелинейностями в цепи управления........................
2.2.4.Исследование динамики стендовой опорной системы 127
при учете различных типов нелинейностей...................
Глава 3. Исследование элементов ВСУ с позиций теории релаксаци- 132
онного демпфирования.................................................
3.1 .Влияние динамических процессов в дросселирующих эле- 132
ментах на состояние опорной системы............................
3.2.Исследование влияния свойств рабочей среды на характери- 137
стики опорных узлов ........................................... 140
3.3 .Гидро- и газостатические устройства....................... 140
3.3.1 .Упорные гидростатические направляющие.............. 145
3.3.2.3амкнутые гидростатические направляющие.............
З.З.З.Исследование характеристик упорных газостатиче- 148
ских устройств............................................ 154
3.4.Динамическая жесткость замкнутых и проточных объемов ...
3.5.Передаточные функции некоторых регуляторов расхода для 160
активных опорных систем........................................
3.5.1.Сопло с дроссельной заслонкой и золотниковый ре- 160
гулятор расхода........................................... 164
3.5.2.Мембранный регулятор................................ 167
3.5.3.Регулятор расхода из МР............................. 168
3.5.4.ПГСО как регулятор расхода..........................
4
3.5.5.Выбор оптимального регулятора....................... 171
3.б.Злементы гидропривода (силовые гидроцилиндры, ГГА) 174
3.7.Переходные характеристики в СРД.......................... 178
3.8.Характеристики ВСУ при действии случайных вибрационных нагрузок.......................................... 183
3.8.1.Реакция опорной стендовой системы на внешние случайные динамические воздействия........................ 183
3.8.2.Реакция активной газостатической системы на случайные возмущения......................................... 192
Глава 4. Исследование системы вибратор-опорные узлы-изделие 196
4.1 .Математическая модель стендовой системы................. 196
4.2.Граничные условия при описании стендовой системы 200
4.3.Взаимодействие объекта испытаний и источника вибровозбуждения ................................................. 203
4.4.Критерии подобия стендовых устройств....................... 208
Глава 5. Устойчивость и автоколебательные режимы в стендовых устройствах.......................................................... 226
5.1.Устойчивость в линейных моделях ВСУ. Критерии устойчивости .................................................... 226
5.1.1.Влияние различных факторов по регулированию характеристик ВСУ на устойчивость................ 231
5.1.2.Влияние инерционности течения смазки в дросселирующих элементах на устойчивость узлов ВСУ..........
5.1.3.Исследование устойчивости сложных конструктивных схем опорных узлов.................................... 237
5.1.4.Достаточный критерий устойчивости для опорных систем сложных конструкций................................ 243
5.2.Автоколебания в нелинейной модели ВСУ..................... 245
Глава 6. Методология проектирования ВСУ.............................. 255
6.1 .Принципы расчета и проектирования......................... 255
6.1.1 .Принципы проектирования РУ......................... 260
6.1.2.Принципы проектирования гидростатических направляющих и способы их обеспечения..................... 262
6.1.3.Принципы проектирования систем позиционирования
5
и виброзащиты объектов испытаний.......................... 264
6.2.Методики расчета и алгоритмы проектирования ВСУ 265
6.2.1 .Расчет и проектирование РУ......................... 265
6.2.2.Гидростатические направляющие....................... 270
6.2.3.Алгоритм расчета и проектирования ВСУ............... 277
6.3.Способы и средства совершенствования динамических характеристик ВСУ.......................................... 280
6.4.Автоматизированная система контроля параметров и управления в стендовых системах............................... 291
6.5.Метод оценки параметров технических систем по результатам частотных испытаний.................................. 302
6.6.Способы регулирования характеристик опорных узлов при особых условиях эксплуатации............................. 307
6.6.1 .Способы регулирования жесткостных характеристик опорных узлов............................................. 307
6.6.2.Способ реализации управляющих воздействий
в стендовой виброизолирующей системе...................... 315
6.6.3.Способ стабилизации упругой подвески РУ........... 319
Глава 7. Реализация основных результатов исследований в стендовых испытательных системах............................................... 324
7.1 .Разгрузочные устройства вибрационных стендов.............. 324
7.2.Гидро- и газостатические направляющие...................... 336
7.3.Виброзащитные системы ................................... 345
7.4.Вибровозбудител и.......................................... 356
7.5.Возможные пути дальнейшего исследования ВСУ................ 366
Заключение........................................................... 367
Список использованных источников..................................... 372
Основные сокращения и обозначения АПВГ - автоколебательный поршневой газостатический вибратор; АЧХ - амплитудночастотная характеристика;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
ВЗС - виброзащитная система;
ВИ - вибрационные испытания;
ВСУ - вспомогательные стендовые устройства;
ВУ - вибрационная установка;
ВЭДС - вибрационный электродинамический стенд;
ГСВ - гидростатический вибратор;
ГСН - гидростатические направляющие;
ГСО - гидростатическая опора;
ГСП - гидро- (газо) статический подшипник;
ГУ - гидро- (газо) статическое устройство;
ДЛА - двигатели летательных аппаратов;
ЖРД - жидкостный ракетный двигатель;
КА - космический аппарат;
ЛА - летательный аппарат;
ПГСО - поршневая гидро- (газо) статическая опора;
ГЕРКО - пневматическая резинокордная оболочка;
ПС - подвижная система стенда;
PH - ракета-носитель;
РУ - разгрузочное устройство;
СГАУ -Самарский государственный аэрокосмический университет; СРД - система релаксационного демпфирования;
СУ - стендовое устройство;
У ДО - упругодемпферная опора;
ФЧХ - фазочастотная характеристика;
ЭВМ - электронно-вычислительная машина;
ЭГВ - электрогидравлический вибратор;
ЭРД - элемент релаксационного демпфирования.
7
Перечень условных обозначений и символов
♦
/л - коэффициент динамической вязкости, Па-с; ju, R- коэффициент передачи;
Rr - газовая постоянная, Дж/(кг-К); т - масса, кг;
/- частота колебаний, Гц; t° - температура;
со - круговая частота вращения, 1/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; h - величина торцевого зазора, м;
соо; 7] -со - — - собственная и безразмерная частоты колебаний;
со0
д- величина радиального зазора, мм; р - плотность рабочей среды; t - время, с;
х( - координата положения (текущая, основания, массы, промежуточной массы);
т=ох~ безразмерное время;
(р - фаза колебаний;
W(N) - несущая способность смазочного слоя, Н;
сь bi} Со - жесткость и коэффициент вязкого трения i-й релаксационной связи, статическая жесткость;
Сдин, Супр, D - динамическая жесткость и ее упругая и демпфирующая составляющие;
^; Z)=— - безразмерные значения упругой и демпфирующей С0 С0
составляющей динамической жесткости; д .; FK = —JL; VK=FK-LK - диаметр, площадь и объем рабочей камеры;
_ х
х относительный ход массы;
8
lAdFwUl-yJgRT
A =----------------------------------- - параметр гидро- и газодинамической упругости,
Kdnö3pa
характеризующий соотношения входного и выходного гидравлических сопротивлений;
Qan- частота и амплитуда автоколебаний; п, к- показатели политропы и адиабаты; а - коэффициент расхода;
р, р = - давление абсолютное и относительное;
Рвх
Рь Qi - массовый и объемный расходы;
cij bj — С: — - коэффициенты чувствительности расходов к
дх dpk dpg
изменению координаты положения массы, давления в рабочей и дополнительной камерах;
Тт,ть Tm+i,n+i - временные комплексы (т=1 ... /; п=1 ...j; п>т)\
7J) = со0Т - безразмерные временные комплексы;
S=i(o; \ = 4^Л;
р(со); ф}) - амплитудно- и фазочастотные характеристики;
J0(4ikQr); К0( J~ik0r) - функции Бесселя.
Индексы
вх; к; а - соответствуют рабочим процессам на входе, в камере и на выходе; др; щ; д - определяют параметры входного дросселя, выходного и демпферной камеры;
max; min; опт; кр - определяют наибольшие, наименьшие, оптимальные и критические значения; о - номинальное (фиксированное) значение параметра; эф- определяет параметры нелинейных моделей; ср - среднее значение;
р - отражает связь с давлением; обозначает характеристики опор с регуляторами расхода; х - отражает связь с перемещением;
5, А - символы приращений; с - соответствуют частотам «среза»
оо - обозначает параметры при частотах, стремящихся к бесконечности.
ВВЕДЕНИЕ
9
Техническими системами высшей категории сложности как в проектировании, изготовлении, так и в стендовой отработке являются летательные и космические аппараты. Традиции применения передовых технических решений при создании и доводке ЛА и КА определяют лидирующую роль этой отрасли в техническом прогрессе.
Повышение технико-экономических показателей ЛА, их систем и других сложных технических объектов требует совершенствования методов и средств стендовых динамических испытаний. Испытания являются одним из основных источников надежной информации о прочностных характеристиках конструкций, необходимой при проектировании и доводке образцов ракетно-космической техники.
Из-за многообразия условий проведения стендовых испытаний, высоких требований к наземной отработке летательных аппаратов разработчиками такой техники создаются многочисленные стендовые устройства и приспособления для установки, закрепления объекта испытаний, передачи на него динамических воздействий.
Трудности, связанные с проведением испытаний ЛА больших масс и габаритов, заключаются в ограниченных возможностях производительности существующего испытательного оборудования, в большом объеме проводимых испытаний и их трудоемкости, в нарушении стабильности режимов нагружения испытываемого объекта, в наличии динамических взаимодействий между элементами стендовой системы, включающей объект испытаний, источник возбуждения, стендовые устройства. Все это отражается на уровне достоверности и информативности результатов экспериментальных исследований. Так, увеличение производительности стендового оборудования за счет повышения скорости изменения прикладываемых к испытуемому объекту динамических воздействий приводит к снижению точности воспроизведения заданных программой испытаний нагрузок; повышение точности нагружения за счет увеличения коэффициентов усиления в контуре управления вибратора приводит к нарушению стабильности задаваемых динамических нагрузок из-за возникновения автоколебаний.
ю
В ходе испытаний могут также изменяться условия, определяющие выбор показателя желаемого качества работы испытательного оборудования: жесткость, демпфирование и другие характеристики испытываемой конструкции, влияющие на характер настройки регулятора нагрузок, на обеспечение устойчивого режима; загрузка источника энергии (например, маслонасосной установки, питающей гидравлические силовозбудители и опорные узлы); параметры элементов системы управления нагружением; внешние возмущающие воздействия (например, при испытаниях по независимым программам различных агрегатов в системе одной конструкции) и др.
В случаях, когда факторы, влияющие на динамику процесса управления нагружением, меняются во времени по известному закону, можно заранее рассчитать, как следует изменять параметры стендовых устройств и системы управления, чтобы качество работы системы в целом оставалось приемлемым, и использовать программные настройки. Так, при усталостных испытаниях циклическим нагружением целесообразна программная перестройка регулятора источника возбуждения и характеристик опорных узлов, обеспечивающая высокую точность отработки заданных нагрузок в области их предельных значений. Такая перестройка может осуществляться в системах с регулируемыми параметрами, например, путем переключения по командам программного устройства на соответствующих этапах программы корректирующих (дифференцирующих и интегрирующих) цепочек с фиксированной настройкой, изменяющих необходимым образом характеристики регулятора в активной опорной системе.
Составление программы изменения параметров ВСУ затрудняется из-за незнания реального закона изменения всех или некоторых параметров испытываемого объекта и системы нагружения, возможного случайного характера изменений внешних возмущающих воздействий и сигналов задания (например, при испытаниях случайными нагрузками с параметрами, соответствующими условиям реальной эксплуатации изделий).
В этих случаях рекомендуется использовать автоматизированные системы управления, в которых по заданному показателю качества работы стендовой системы производится настройка параметров отдельных узлов ВСУ на основе измерения и оценке состояния испытываемого объекта.
11
Вибрационная установка для испытаний ЛА и их систем состоит из вибростенда, вспомогательных устройств для установки на стенде, вывешивания или опирания изделия (разгрузочные устройства и опоры), устройств', обеспечения направленности виброперемещений и устранения нежелательных внешних воздействий. Такая установка является сложной пневмогид-равлической и электромеханической системой, в которой имеются динамические взаимодействия между элементами. Результатом таких взаимодействий является отклонение рабочих параметров стендовых устройств от их номинальных значений.
Повышение эффективности стендовых вибрационных испытаний связано с сокращением временных и организационных затрат на их проведение, с увеличением информативности и достоверности получаемых результатов. Это требует совершенствования технического оснащения ВИ, например, путем создания класса вспомогательных стендовых устройств, разработки универсальных методик расчета динамических характеристик, построения усовершенствованных моделей стендовой системы и ее элементов с учетом различных факторов, определяющих граничные условия.
Возможности разгрузочных, стабилизирующих, направляющих устройств, автоколебательных источников возбуждения, работающих в составе стендовой системы, изучены недостаточно полно. Это связано со сложностью их структуры и динамического состояния, когда устройства подвержены воздействию изменяющихся условий функционирования и внешних нагрузок. Поэтому возникает необходимость в системном подходе к исследованию и проектированию ВСУ с учетом условий эксплуатации их в составе стендовой системы «опорные узлы-вибратор-изделие», в решении задач по разработке методов расчета динамических характеристик различных схем ВСУ, в создании базы данных по типам устройств и их элементов, в разработке перспективных конструкций.
При проведении динамических испытаний «упругих» изделий наивысшая возможная точность измерений их параметров может быть получена только тогда, когда на характеристики конструкции нет значимого влияния возбудителя и механизмов его крепления, и, наоборот, когда перемещения конструкции не влияют на возбуждающие силы.
*2
Значимость проблем объясняется существенным износом используемого испытательного оборудования и отсутствием универсальных средств наземной отработки современных ЛА при действии на объект большого числа внешних факторов.
Одним из путей создания эффективных ВСУ является использование упругодемпфирующих свойств жидкостей и газов, протекающих под давлением в специально спроектированных магистралях. Динамические процессы в таких устройствах определяются физическими свойствами используемого рабочего тела, параметрами гидро- (газо)динамического тракта, направлением и характером действующих нагрузок, динамическим взаимодействием составляющих элементов, их вибрационным состоянием.
В сложной технической системе трудно надежно определить ее динамические характеристики, поведение отдельных элементов в процессе эксплуатации без достоверных расчетных моделей. При этом может быть использовано представление стендовых устройств и их элементов с позиций теории релаксационного демпфирования. Основные положения этой теории заключаются в следующем:
-технические объекты описываются упруго-вязкими моделями, параметры которых соответствуют физически реализуемым характеристикам составляющих их узлов и элементов;
-структура стендовой системы формируется как совокупность передаточных функций отдельных узлов;
-изменения упругодемпфирующих характеристик СРД определяются величиной соотношения параметрических комплексов расчетных моделей.
Цель диссертации состоит в совершенствовании стендового оборудования для наземных вибрационных испытаний ЛА и других сложных технических систем путем создания методов расчета и принципов проектирования разгрузочных, стабилизирующих, направляющих устройств, источников колебаний, а также разработка методологии проектирования перспективных конструкций такого типа на основе выявления, теоретического и экспериментального обоснования особенностей протекающих в них процессов.
Научная новизна. В диссертации предложен и реализован единый подход к разработке вспомогательных устройств для испытательных вибрационных стендов, основанный на использовании теории релаксационного
ІЗ
демпфирования и концепции динамического взаимодействия объектов испытаний, стендовых устройств и их элементов.
1. Созданы математические модели ВСУ, учитывающие динамические процессы в отдельных элементах и предназначенные для разработки методик расчета статических и динамических характеристик различных узлов стендового оборудования с учетом наложенных граничных условий в процессе проведения вибрационных испытаний сложных технических систем. Получены аналитические зависимости, позволяющие определить предельные возможности разгрузочных и стабилизирующих опор в зависимости от характеристик рабочей среды, режимов течения жидкости и газа в рабочих магистралях, параметров системы управления и исполнительных элементов в активных схемах. Разработаны методики расчета вероятностных характеристик колебаний ВСУ активного и пассивного типов на установившихся и переходных режимах.
2. Выявлена взаимосвязь динамических характеристик, устойчивости и автоколебаний и конструктивных параметров узлов ВСУ и на этой базе созданы методы расчета и проектирования исследуемых устройств. Определена взаимосвязь достоверности вибрационных испытаний ЛА с характеристиками стендового оборудования путем учета дополнительных погрешностей, обусловленных выбором расчетных моделей ВСУ, динамическим взаимодействием узлов стендовой системы.
3. Разработаны принципы проектирования и способы их реализации при создания эффективных ВСУ (разгрузочных, стабилизирующих и направляющих устройств, автоколебательных вибраторов), обладающих высокими эксплуатационными свойствами по монтажу, качеству настройки параметров, достоверности воспроизведения условий испытаний и предназначенные для совершенствования процесса динамических испытаний.
4. Разработаны и исследованы расчетные модели стендовой системы «вибратор-опорные узлы-изделие» и выявлены условия, при которых необходимо учитывать взаимное динамическое влияние элементов системы. Предложен критерий учета взаимного влияния массы изделия на характеристики опорных узлов и вибратора. Обоснована необходимость учета демпфирующих характеристик в элементах стендовой системы.
/4
5. Развиты представления о динамических качествах систем релаксационного демпфирования, описывающих гидро- и газостатические устройства, и на этой основе созданы способы изменения динамических характеристик ВСУ.
6. Разработаны способы, методы, алгоритмические и программные средства для автоматизированного выбора параметров и проектировочного расчета ВСУ.
Общий методологический подход в исследованиях ВСУ базируется на системном анализе и математическом моделировании процессов в элементах стендовых устройств, взаимодействия объектов испытаний и ВСУ при различных граничных условиях. Для решения задач использованы методы теории колебаний, теории автоматического регулирования и управления, пнев-мо- и гидромеханики, с представлением зависимостей в безразмерном (критериальном) виде.
Достоверность принятых допущений и полученных результатов подтверждена экспериментами на стендах и при испытаниях натурных изделий, а также сравнением с экспериментальными данными других исследователей. Экспериментальные исследования проводились на стендовом оборудовании отраслевых научно-исследовательских лабораторий №1, №15, научно-исследовательской группы «Надежность деталей машин» СГАУ, а также в натурных условиях ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара), КБ «Южное» (г. Днепропетровск).
Результаты работы использованы как при создании оборудования для испытаний ракетно-космической техники, так и в других отраслях промышленного производства: в авиадвигателестроении, энергомашиностроении.
Созданные в результате работы пакеты технической документации, методики и алгоритмы расчета характеристик, рекомендации по проектированию конструкций разгрузочных, виброзащитных, направляющих, стабилизирующих устройств для динамических стендов внедрены на ряде предприятий ракетно-космической отрасли, авиа- и энергомашиностроения: НПК РКЦ "ЦСКБ-Прогресс" (г.Самара), КБ "Южное" (г. Днепропетровск), НПО "Труд" (г.Самара), Сызранский турбостроительный завод. Созданное оборудование использовалось для проведения научных исследований пневмо-гидростатических систем, а также в учебном процессе.
15
Автор выражает искреннюю благодарность Заслуженным деятелям науки и техники России, докторам технических наук, профессорам Чегодаеву Д.Е. и Белоусову А.И. за помощь, внимание к работе и полез-
ные советы, высказанные на всех стадиях ее выполнения.
16
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СТЕНДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ НАЗЕМНЫХ ВИБРАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ЛА И ДРУГИХ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Основной принцип наземных вибрационных испытаний КА заключается в моделировании динамического нагружения объекта с предельным технически достигаемым уровнем достоверности, т.е. в максимальном соответствии условий стендовых испытаний условиям эксплуатации.
Из анализа методов экспериментальной отработки ЛА следует, что стендовые динамические испытания являются основной частью большинства классов, типов и групп испытаний [139]. Это обусловлено тем, что при проведении испытаний исследуются вибропрочность, долговечность, выносливость, напряженно-деформированное состояние, несущая способность, реальные спектры нагрузок и собственных частот и др., то есть решается комплекс проблем, определяющих работоспособность и эффективность использования разрабатываемого изделия.
Стендовые установки для динамических испытаний представляют собой сложные технические комплексы устройств и механизмов, разрабатываемые специализированными предприятиями под конкретные классы изделий. В большинстве случаев испытаний ЛА и КА больших масс и габаритов используется различное вспомогательное стендовое оборудование. Включенные в общий испытательный комплекс, ВСУ оказывают прямое влияние не только на надежность работы оборудования, но и на достоверность результатов испытаний, на эффективность всей системы экспериментальной наземной отработки ЛА и других сложных технических систем.
Возможности узлов ВСУ, работающих в составе стендовой системы, изучены недостаточно полно, что связано со сложностью их структуры и динамического состояния, когда все элементы подвержены воздействию изменяющихся условий функционирования и внешних нагрузок, характерных для различных видов и типов вибрационных испытаний. Имеется практическая потребность в создании методов и средств расчета и проектирования ВСУ с учетом условий эксплуатации их в составе стендовой системы вибровозбу-дитель-оснастка-изделие, решении задач по исследованию динамических ха-
17
рактеристик различных конструктивных схем, создании базы данных по типам устройств и их элементов, разработке перспективных конструкций.
Несмотря на широкое использование ВСУ в практике испытаний, результаты исследований их динамики недостаточно освещены в литературе.
В последующих разделах диссертации представлены материалы по разработке и созданию стендовых устройств различного назначения на базе использования системного подхода как методологической основы исследований испытательных комплексов.
1.1. Выявленные особенности вибрационных испытаний ЛА и их систем
Летательные аппараты на всех этапах полета, а также в процессе наземной эксплуатации подвержены динамическим воздействиям, которые носят поверхностный характер, т.е. возникают и передаются по поверхности частей конструкции, а также через контакт поверхностей сопряженных элементов конструкции. По закону изменения во времени воздействия разделяются на стационарные, нестационарные, детерминированные (текущие значения рассматриваемого силового фактора определяются по его начальному значению) и случайные. Сравнительно редко в реальных условиях наблюдается гармоническая вибрация.
В процессе наземной эксплуатации на ЛА действуют вибрационные нагрузки при транспортировании, стоянке в стартовой системе (например, колебания типа бафтинг, возникающие в случае, когда PH находится в турбулентном следе потока, возмущенного колоннами обслуживания и кабель-мачтами).
При старте и на этапе активного полета основным источником вибрации являются двигатели PH, имеют место аэроупругие колебания, колебания компонентов топлива в баках, а также акустическое воздействие с уровнем звукового давления от 40 до 180 Дб, возникающие в замкнутых отсеках ЛА.
Опасные вибрационные процессы в конструкциях находятся в диапазоне частот 20...2500 Гц с уровнями виброперегрузок до 100 единиц g.
Колебания в замкнутых системах «корпус - жидкость в баках - автомат стабилизации», которые могут приводить к усилению колебаний конструкции, а также к неустойчивому движению ЛА, как правило, находятся на час-
18
тотах до 10 Гц; «корпус - топливные магистрали - ДУ» в диапазоне частот 20...30 Гц.
В процессе динамических испытаний должны быть воспроизведены уровни динамических воздействий с точностью, определяемой видом испытаний. Это возможно при учете граничных условий, соответствующих условиям эксплуатации, а также при передаче на изделие требуемого вибрационного воздействия с заданной точностью.
Решение отмеченных проблем сопряжено с большими трудностями, связанными со сложностью испытательной системы.
На достоверность результатов испытаний влияют:
1) внешние возмущающие воздействия (ослабленные сейсмические колебания грунта; вибрации других сопряженных сооружений; производственные шумы;
2) резонансные колебания конструкций, входящих в состав системы;
3) взаимное и обратное влияние элементов системы.
На экспериментальных базах предприятий, как привило, имеется ограниченное количество мощных вибрационных установок для воспроизведения в лабораторных условиях вибронагружения пространственного характера. Поэтому обычно реализуется последовательное приложение кинематических нагрузок к объекту испытаний по трем взаимно-перпендикулярным направлениям. Одно из направлений должно совпадать с продольной осью изделия. Это является главной особенностью вибрационных испытаний изделий РКТ.
Такое возбуждение имеет ряд принципиальных недостатков:
- высокая вероятность необоснованных поломок как испытательного оборудования (переходников для установки и закрепления изделия, вибростендов и т.д.), так и некоторых силовых элементов испытываемой сборки вследствие недостаточной балансировки системы вибровозбудитель-оснастка-изделие;
- необходимость использования в процессе виброиспытаний вибростендов со значительными запасами мощности.
При реализации названного подхода необходимы строгие ограничения массы присоединенной оснастки и величин боковых и угловых воздействий как на подвижную часть вибростенда, так и на изделие.
/9
В ряде случаев при однокомпонентном вибронагружении отсеков оболочечной конструкции ЛА и КА, имеющих сложное распределение жесткости, наблюдается появление пространственной вибрации [125]. Уровень ее в боковых направлениях соизмерим с уровнями заданного возбуждения. Это, с одной стороны, может служить основанием для отказа от нагружения в основных направлениях, а с другой, - привести к аварийной ситуации.
Точность вибрационной установки характеризуется погрешностями воспроизведения ускорения в заданном направлении в контрольной точке и поддержания данной физической величины; коэффициентами гармоник (при испытаниях на воздействие синусоидальной вибрации), неравномерности распределения ускорения по столу вибростенда и поперечных составляющих, а также точностью учета демпфирующих характеристик узлов стенда. Основные требования к точности воспроизведения вибрации ЛА выполняются благодаря совершенствованию конструкции ВУ и аппаратуры замера вибрации, а также за счет правильного выбора схем испытательного нагружения и использования эффективных схем ВСУ, например, разгрузочных устройств или однокомпонентных направляющих.
Другой особенностью вибрационных испытаний КА в 80-90 гг. XX века был значительный рост массы, моментов инерции и динамической на-груженности испытуемых изделий при ограниченных возможностях экспериментальной базы. Использование же метода аналогов [80] во многих случаях не отражает реальной картины нагружения изделий, особенно при разработке принципиально новых конструкций аппаратов. Ограниченность методов и средств наземной отработки приводит к необоснованному завышению коэффициентов запаса прочности, утяжелению КА и ухудшению его тактико-технических характеристик. Этот фактор предъявляет повышенные требования не только к мощности источников вибровозбуждения, но и ко всей системе вывешивания и крепления объекта, используемой для устранения статической компоненты нагрузки на подвижную часть вибратора, по созданию граничных условий и достижения заданных нагрузок, эквивалентных эксплуатационным.
В работах [36, 52, 59, 80, 146] изложены некоторые результаты исследований и рекомендации по разработке стендовых комплексов натурных виброиспытаний.
20
При испытаниях крупногабаритных Л А и их двигателей закон движения подвижной системы динамического стенда по форме неадекватен электрическому сигналу возбуждения, передаваемому на звуковую катушку вибратора (например, электродинамического типа). Испытываемый объект имеет густой спектр собственных частот и обладает определенной степенью нелинейности. Поэтому при возбуждении силой, изменяемой по синусоидальному закону, на конструкции КА кроме частоты возбуждения наблюдаются частоты гармоник с достаточно высокой интенсивностью. Поскольку механический импеданс ПС вибратора намного ниже импеданса изделия (в основном за счет меньшей массы), программируемое для этой системы синусоидальное движение искажается и становится полигармоническим.
Относительно малая масса подвижной системы вибратора приводит также к искажению задаваемого ей однонаправленного плоскопараллельного движения, вследствие чего амплитуды возбуждения в точках крепления изделия существенно различны.
Выполнение задаваемого программой вибровозбуждения существенно зависит от совместной характеристики вибратора и испытываемого изделия, поскольку импеданс у изделия значительно изменяет уровень виброперегрузки, задаваемой на столе вибратора, т.е. для вибратора изделие является сильной резонансной нагрузкой.
На АЧХ системы вибратор-изделие (рис. 1.1) [52], полученной при постоянной силе возбуждения, наблюдаются пики и провалы виброперегоузок, соответствующие резонансным частотам изделия. Для поддержания уровня виброперегрузки во всем частотном диапазоне, регулирующее устройство системы управления должно обеспечивать коррекцию как пиков, так и провалов. При поддержании уровня виброперегрузок на частотах провалов регулятор повышает ток в звуковой катушке до высоких значений, в результате чего резко возрастают колебания изделия. При достаточном запасе мощности по усилению это приведет к поломке вибратора.
Из передаточной функции вибратора с резонансной нагрузкой следует, что глубина провала и высота пика пропорциональны отношению массы испытываемого объекта ко всей движущейся массе, умноженному на добротность системы при данном резонансе.
21
^>g
40
30
20
Ю
0
40 100 200 400 600 2000 /, Гц
Рис. 1.1. Типичная совместная АЧХ системы вибратор-изделие
0* *—'-----------------^ ^
Частота возбуждения
Рис.1.2. Частотная зависимость импеданса электродинамического вибратора
logW, 0,0 Ш
-25|
-50
1
\
V '
Л/J \
V
logW, 0,01 dB
-25
-501
Ал
logW, 0,01 dB
О 10 20 30 / Гц 0 10 20 30 / Гц 0 10 20 30 / Гц
а б в
Рис. 1.3. АЧХ испытательной платформы: а- при вертикальных колебаниях; б- при горизонтальных испытаниях при отсутствии (1) и наличии (2) газовых направляющих; в- без учета демпфирования (1) и с учетом демпфирования^)
□ 1 □2
СО ИК ВСУ мсо эо ОС
Рис. 1.4. Относительная трудоемкость подготовки и проведения вибрационных испытаний PKT (1) и номенклатура основных систем испытательного комплекса (2)
£2
Влияние частоты на амплитуду колебаний, возбуждаемых электродинамическим вибратором, обусловлено зависимостью импеданса (полного сопротивления X) от частоты. Типичный характер этой зависимости (при питании вибратора током с постоянной амплитудой, не зависящей от частоты), показан на рис. 1.2 [125]. На графике выделяются несколько областей. Частотная зависимость импеданса в области I определяется основным тоном механических колебаний системы вибровозбудитель-оснастка-испытываемый объект. Независимость импеданса от частоты в этой области может быть достигнута введением корректирующих обратных цепей, имеющих обратную частотную характеристику.
В области II импеданс практически не зависит от частоты. В области III импеданс увеличивается по мере роста частоты за счет влияния индуктивности катушки возбуждения. Корректировка частотной зависимости в этой области и расширение рабочего диапазона частот вибратора достигается введением дополнительной катушки, имеющей электромагнитную связь с основной рабочей катушкой.
В области IV сказываются резонансные частоты отдельных узлов вибратора: корпуса, подвижной катушки, системы разгрузки и др. Расширение рабочего диапазона частот вибратора в этой области связано с решением конструкторских задач по совершенствованию испытательной оснастки, вспомогательных стендовых устройств и увеличением мощности вибратора.
В работе [147] были проведены исследования воздействия внешних возмущений со стороны фундамента, находящихся в диапазоне частот 0...50 Гц с величиной виброускорений 10 ’*...10 '3 При этом были выявлены и проанализированы следующие источники резонансов.
1. Противовес, устанавливаемый в нижней части вибратора. Резонанс возникал на частотах 31 Гц и 34 Гц при горизонтальных испытаниях в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При уменьшении массы противовеса достигается смещение резонанса в область более высоких частот с уменьшением амплитуды виброперегрузки на резонансе.
2. Станина вибратора. Резонанс на частоте 22,4 Гц в соединении «посадочная поверхность основания - основание - станина». Влияние демпфирования поперек станины было проверено путем демпфирования с помощью мягких сортов древесины. В результате резонанс был смещен в область бо-
£3
лее низких частот с одновременным снижением амплитуды виброперегрузки практически во всем исследуемом диапазоне частот.
Исследования проводились для следующих четырех условий с использованием азимутального газостатического упорного подшипника:
1) подшипник зафиксирован, т.е. отсутствуют относительные смещения подвижного и неподвижного колец, воздух не подается;
2) подача воздуха под давлением р=-0,64 МПа;
3) подача воздуха, под давлением, минимально необходимым для работы вибростенда;
4) подача воздуха под максимальным рабочим давлением (0,74 МПа).
На рис. 1.3 представлены АЧХ вибростенда для условий 1 и 2. Резонансные частоты стенда не изменилась, однако амплитуда виброперегрузки снизилась.
С целью оценки взаимного влияния отдельных элементов системы можно использовать результаты натурных испытаний, приведенные в работе [147], где, в частности, были получены АЧХ в двух точках, одна из которых находилась на неподвижной части вибратора, другая под ней на станине вибратора. Между станиной и неподвижной частью вибратора были установлены четыре пневмоопоры, с рабочим давлением 0,4 МПа. В результате исследований (рис. 1.3,б,в) отмечены отличия амплитуд виброускорений на резонансных режимах, смещение резонансных частот, а также наличие дополнительных резонансов и антирезонансов на АЧХ, полученной на станине вибратора. Масса испытываемого объекта составляла 7 Т, объект был установлен на упругих опорах.
Описанные результаты свидетельствуют о необходимости более детальных исследований влияния отдельных элементов системы и возмущающих воздействий на динамические характеристики стендовой системы.
Основными способами корректировки АЧХ стендовой системы при выполнении программы испытаний являются:
- увеличение массы подвижной системы вибратора, что при тех же уровнях создаваемых перегрузок означает рост толкающего усилия вибростенда;
- уточнение принципиального подхода к разработке и созданию оборудова-
ния для виброиспытаний крупных изделий, например, с использованием особых (например, резонирующих) свойств узлов подвески изделий;
гц
- использование активных систем управления, обеспечивающих направленное изменение жесткостных характеристик стендовых устройств с сохранением заданных граничных условий.
Объем испытаний предопределен возможностями экспериментальной базы, стоимостью и сроками отработки изделия до сдачи в серийное производство. При ограниченном объеме наземной отработки возрастает роль планирования испытаний. Большое значение приобретает выбор оптимального запаса работоспособности конструкции, обеспечивающего, с одной стороны, выполнение требований к надежности КЛА, а с другой, - снижение его массовых характеристик. В связи с этим повышаются требования к характеристикам точности экспериментов и надежности испытательного оборудования. Отказ В У в процессе испытаний может привести не только к поломке дорогостоящей экспериментальной установки, но и к затруднениям дальнейшей оценки вибронагруженности и ресурсных характеристик испытуемого изделия.
Таким образом, совершенствование оборудования для вибрационных испытаний ЛА направлено на создание мощных вибростендов, применение экономичных методов воспроизведения вибрации, использование более жестких с низким коэффициентом трения направляющих подвижной части ВУ, создание систем вывешивания изделий, обеспечивающих требования программы испытаний, работоспособность стенда и ограниченное влияние на его динамическое состояние.
1.2. Анализ условий функционирования ВСУ в составе стендовых систем.
Основные требования к расчету и проектированию ВСУ
Укрупненные классы устройств, входящих в состав стендовых вибрационных установок, показаны на рис. 1.4. Среди них можно выделить следующие:
-стендовое оборудование (СО) - возбудители колебаний с обслуживающими системами, гидроцилиндры;
£5“
-контрольно-измерительный комплекс (КИК) - аппаратура для регулирования и поддержания в процессе испытаний требуемых характеристик вибровоздействия, измерения, регистрации и обработки параметров; -вспомогательные стендовые устройства (ВСУ) - состав показан на рис.1.5; -монтажно-стыковочное оборудование (МСО) - силовые балки, стапель, силовой потолок и др.;
-энергетическое оборудование (ЭО) - маслонасосная станция, электроподстанция, пневмосистемы;
-обеспечивающие системы (ОС) - системы наддува и заправки баков, звукоизоляции, охлаждения, транспортировки.
Из опыта эксплуатации стендовых систем следует, что как по трудоемкости подготовки и проведения виброиспытаний, так и по составу технических средств, ВСУ занимают основное положение. Так, номенклатура изделий ВСУ достигает 25% общего количества применяемых на стендах технических средств. Это оборудование обеспечивает вывешивание, требуемое закрепление изделия, передачу на него динамического воздействия от вибратора, приведение параметров обратного воздействия ЛА на вибростенд к величинам, допустимым для его нормальной эксплуатации (рис. 1.5).
Как показано в предыдущем разделе, узлы ВСУ существенно влияют на инерционные, жесткостные и демпфирующие характеристики системы вибратор-изделие за счет изменения граничных условий, дополнительных связей, нагрузок и моментов инерции. Это отражается на достоверности результатов испытаний.
Создание вспомогательного стендового оборудования требует решения многих задач технического и организационного характера для согласованного функционирования всех систем на этапах от вывешивания (точной установки) изделий до анализа получаемых экспериментальных данных. Среди этих задач выделим те, которые являются специфическими для современной космической техники и связаны с повышением достоверности результатов испытаний за счет совершенствования оборудования установки изделий на стендах, систем вибровозбуждения, виброзащиты и сбора экспериментальных данных.
ВСУ проектируется и изготавливается в следующих случаях:
Рис. 1.5. Основные составляющие ВСУ для вибрационных испытаний
Рис. 1.6. Схемы установки крупногабаритных изделий на стенде: вертикальная (а), горизонтальная (б): 1- фундамент; 2- вибратор; 3- переходник; 4- объект испытаний; 5- тросовая подвеска; 6- силовое кольцо; 7- амортизационные шнуры; 8- гидропневматические устройства натяжения; 9- силовой потолок; 10- боковые растяжки
27
- испытываемый объект является громоздким, массивным и вес его не может
быть удержан подвеской подвижной части вибростенда;
- динамический (опрокидывающий и крутящий) момент не может быть скомпенсирован силовой системой вибратора;
- толкающее усилие вибратора недостаточно для возбуждения колебаний в
определенном частотном и амплитудном диапазонах объекта заданной массы;
- испытания проводятся по трем осям виброперегрузки;
- испытания проводятся по одной оси виброперегрузки с большой амплитудой и ограничением или устранением перемещений по другим осям;
- испытания проводятся при заданном уровне установки изделия относительно стапеля и стола вибростенда;
- система подвески изделия не должна влиять на его динамические характе-
ристики;
- условиями испытаний предусматривается устранение внешних динамических воздействий на объект.
Основным количественным показателем надежности испытательного оборудования является вероятность Р03 безотказного функционирования при выполнении ожидаемой задачи [66]
Роэ- Кг Р (О,
где Р(0 - вероятность безотказной работы; Кг - коэффициент готовности.
В свою очередь
Кг=Т/(То+Т«),
где Т0 - наработка на отказ; Тв - среднее время восстановления.
Из этих формул следует, что повышение вероятности безотказного функционирования оборудования при выполнении ожидаемой задачи необходимо осуществлять за счет увеличения наработки на отказ, вероятности безотказной работы путем исключения конструкционных, технологических и эксплуатационных причин, вызывающих отказы, а также за счет уменьшения среднего времени восстановления.
Практически все вибрационные испытательные установки в связи с возможностью проведения ремонтных работ являются восстанавливаемыми и ремонтируемыми. Виды отказов зависят от состава вибрационных установок.
28
Аппаратура, осуществляющая управление вибростендами и замер вибрации на объекте испытаний, является более надежной, чем механические и гидравлические системы. Отказы ее элементов встречаются крайне редко и относятся к внезапным. Обычно это перегорание сигнальных ламп или выход из строя отдельных быстро заменяемых радиоэлектронных элементов. На результаты испытаний такие отказы из-за наличия в большинстве установок блоков аварийного выключения практически не влияют.
Наиболее дефектным узлом электрогидравлических вибростендов является сервоклапан. Обычно это двух- или трехступенчатый золотниковый распределитель. Так, у первых выпусков вибростендов ЭГВ 10/200П вследствие плохого фильтрования (до 50 мкм) масла наработка до отказа сервоклапана (залипание золотника) составляла от 50 до 60 часов эксплуатации. Такие отказы связаны с износом рабочих поверхностей. Они практически устраняются путем установки фильтров более тонкой (до 5 мкм) очистки. При этом наработка до отказа увеличивается более чем в десять раз.
У электродинамических стендов менее надежными считаются выходные транзисторы усилителей мощности и подвижные катушки. Усилители мощности выходят из строя вследствие продолжительной работы в области предельных режимов. Обмотка подвижной катушки прогорает при нарушении необходимого воздушного зазора между статором при перекосе ее оси в результате несовершенства направляющих и возникновения в процессе испытаний поперечных вибраций, превышающих допустимые уровни; Такие отказы определяют жесткие требования к испытательной оснастке.
Если конструкция вибростенда не обеспечивает нормальных условий его работы, необходимо использовать специальные устройства, которые должны [70]:
- исключать перемещения подвижной части вибростенда в направлениях, от-
личных от направления ее движения и превосходящие допустимые уровни по технической документации на стенд;
- исключать нагружение подвижной части вибростенда инерционной нагруз-
кой выше допустимого уровня;
- накладывать минимум дополнительных связей в узлах крепления изделий;
29
- оказывать минимальное влияние на рабочие характеристики ВУ (минимальные силы трения в подвижных частях и соединениях, симметрия наложенных связей);
- обеспечивать минимальное время на монтаж объекта испытаний;
- иметь закрепляемые на объекте испытаний направляющие элементы, обладающие достаточной жесткостью при минимальной массе.
Надежность испытательного оборудования и оснастки должна быть выше надежности других систем ВУ, что можно достичь большими запасами прочности, закладываемыми при проектировании, и использованием отработанных элементов стендовых конструкций.
Среди узлов и систем ВСУ выделим несколько основных групп, анализ которых изложен в последующих разделах.
1.2.1. Системы для вывешивания или опирания изделий (разгрузочные устройства)
Основное назначение разгрузочных устройств заключается в реализации так называемой "свободной" схемы подвески изделий и в разгрузке подвижной системы вибратора от веса испытываемого объекта.
Конструкции КА и ЛА в силу специфики условий эксплуатации относятся к типу безопорных и их подвеску необходимо реализовать по схеме, которая позволяет воспроизводить с определенной степенью точности граничные условия, соответствующие свободному полёту. Такая подвеска осуществляется одним из следующих способов:
- на стальных тросах;
- на шнуровых резиновых амортизаторах;
- на стальных тросах с включением пневмоамортизаторов и силовозбудите-лей;
- на пневмогидравлических подвесках.
Правильная установка изделия на стенде с помощью системы вывешивания является одной их важнейших монтажных операций подготовки к испытаниям.
Подвеска изделия может быть вертикальной или горизонтальной (рис. 1.6). Вертикальная подвеска используется чаще, поскольку при горизон-
3(9
тальном размещении длинномерных изделий в их корпусах возникают значительные изгибные деформации, искажающие картину одноосного нагружения.
Общее требование, предъявляемое к системам подвески, заключается в приведении к приемлемому минимуму влияния на динамические характеристики конструкции дополнительных упругих, диссипативных и инерционных сил, возникающих при колебаниях [80, 111]. Это требование обычно выполняется путем подбора подвесной системы с низкими собственными частотами.
Для уменьшения влияния подвески на динамические свойства испытываемых объектов должно выполняться условие
/о - 0,5/т1п, (1.1)
где /0 - собственная частота колебаний системы изделие-подвеска на суммарной жесткости РУ, системы крепления и подвески подвижной части вибратора; - низшая частота собственных упругих колебаний ЛА в свободном состоянии или низшая граница исследуемого частотного диапазона при испытаниях.
Создание систем подвески, не влияющих на динамические характеристики конструкции, представляет сложную задачу, поэтому целесообразно либо допустить некоторое влияние подвески на динамику изделия, либо исключить это влияние расчетным путем. С этой целью в исходной математической модели нужно учесть дополнительные степени свободы, соответствующие подвеске, и определить экспериментально недостающие параметры усложненной модели. Возможна также компенсация нежелательных эффектов от подвески с помощью введения контуров обратных связей.
Условием использования разгрузки подвижной системы вибратора является превышение массы испытываемого изделия некоторого предельного значения. Для электродинамического вибратора эта величина равна
М„=—-ть, (1.2)
п
где Мп - масса испытываемого изделия с приспособлением, кг; ть - масса подвижных частей вибростенда, кг; п - заданная амплитуда вибрационного ускорения, м/с2\ У7 - максимальная толкающая сила вибратора, Н.
31
В рекомендациях, используемых на предприятиях авиационно-космической отрасли, указывается условие ограничения влияния подвески в виде упругих нитей на продольные колебания объекта испытаний
где /„- резонансная частота изделия на упругой подвеске; ДО- жесткость
к1
испытываемой конструкции в продольном направлении; С = отношение
ДО1
жесткости упругой подвески к жесткости конструкции; / - длина упругих нитей.
Выполнение условий (1.1)...(1.3) необходимо при изготовлении подвесок применять материалы с большим коэффициентом демпфирования для гашения собственных колебаний, например, резиновые амортизационные шнуры (рис. 1.7). Диаметр и количество шнуров подбирается в зависимости от веса изделия. Как правило, подвеска при нагрузке должна удлиняться на 30-35% от первоначальной длины.
Такого типа подвески используются для испытаний объектов массой до 10... 15т. В качестве амортизаторов применяются резиновые шнуры диаметром 8...20 мм, изготовленные в соответствии с ГОСТ-1788-72.
При вывешивании изделий с массой свыше 15 т применяются пневмоамортизаторы (пневмоцилиндры), в одну цепь с которыми включаются гидравлические силовые цилиндры, необходимые для осуществления качественной регулировки натяжения тросов подвески (рис. 1.6).
При проектировании систем вывешивания указанного типа необходимо учитывать, что их использование не приводит к увеличению толкающей силы.
Для снижения боковых возмущающих усилий точки крепления упругих элементов располагаются симметрично относительно центра тяжести изделия, приспособления и стола вибростенда. Отклонение расчетного положения центра тяжести изделия от рабочей оси вибростенда не должно превышать ±1 мм.
Недостатками тросовых систем вывешивания изделий является их громоздкость, трудоемкость натяжения тросов для выставления плоскости стыковки испытательной оснастки со стороны вибростенда, возможность
(1.3)
Рис. 1.7. Амортизационная подвеска: 1,2- гайка, болт регулировочного механизма; 3- серьга; 4-пластина; 5- трос; 6- зажим; 7-амортизационный шнур; 8- шарнирная тяга 3
Рис. 1.8. Зависимость собственной частоты ПРКО от нагрузки (а) и АЧХ подвески (б) при: с1к=400 мм (1); 300 мм (2)
/
]
^ .=1 ^ /
т ■к- і
/ г
Рис. 1.9. Схема ЭГВ с разгрузкой ПС: 1- гидроцилиндр; 2- ГСН; 3-ПС; 4- вибростол; 5- сервоклапан; 6- дополнительный объем
Рис. 1.10. Схема опорной части вибростенда: 1- основание; 2- прокладки резиновые; 3- пластины упругие; 4- ПС; 5- корпус
Рис. 1.11. Схема ВЭДС «Ling» модели V980: 1-ПРКО; 2-вибростол; 3- сегмент; 4- прокладка
33
влияния упругих колебаний тросов на точность испытаний. Облегчает монтаж применение для натяжения тросов силовых гидроцилиндров.
Названные недостатки тросовых систем могут быть устранены при реализации схем опирания изделия на основе применения пневмосильфонов, пневматических резинокордных оболочек, гидропневматических, гидро- и газостатических опор. Наиболее простыми в эксплуатации являются ПРКО. Их собственные частоты лежат в пределах от 2 до 3 Гц и не меняются при значительных изменениях массы испытываемого изделия (рис. 1.8) [70].
Система вывешивания и крепления подвижных частей вибростендов служит для компенсации веса испытуемого ЛА, испытательной оснастки и самой подвижной части, а также для создания однонаправленности вибровозбуждения.
В ЭГВ подвес поршня гидроцилиндра применяют в случаях испытаний изделий, вес которых значительно превышает толкающее усилие вибростенда. Фирма «Шенк» использует в качестве РУ пневмоцилиндр, устанавливаемый в основании стенда и соединенный с дополнительной камерой (рис. 1.9).
Подвес подвижной катушки ВЭДС должен обеспечивать ее перемещение в направлении воздействия с амплитудой до 12,5 мм и не искажать спектр рабочих колебаний ПС стенда. В ряде вибростендов подвижную катушку закрепляют на упругих подвесках, выполненных в виде фасонных плоских пружин [2]. С целью исключения резонансов пружин наибольшее применение получили сочетания металлических пружин с демпфирующими материалами, например, у вибростендов фирмы «ЕНоп-ишоп» (Австрия) (рис. 1.10).
Применение пневматических подвесок позволяет значительно снизить первый резонанс ПС вибростенда и расширить его рабочий диапазон в области низких частот. Преимущества этой подвески проявляются на частотах ниже 20 Гц при виброускорениях, меньших 9,8 м/с2. В этих условиях усилитель мощности имеет малую величину отношения управляющего сигнала к фоновому шуму, поэтому стенд работает с сильными искажениями и с трудом поддается регулированию.
Конструктивно пневматические подвески очень разнообразны. Это камеры повышенного давления, пневматические опоры, резинокордные обо-
34
Рис. 1.12. Стендовая система для испытаний ДЛА: 1- двигатель; 2-платформа; 3- основание; 4- масляная пленка; 5, 7- вибратор; 6- переходник; 8- гидротормоз; 9,10- магистрали питания
Рис. 1.13. Схема стенда с гидростатической подвеской для испытаний ракетных двигателей: 1- двигатель; 2- гидростатические опоры; 3- резонатор; 4- датчик положения двигателя; 5- магистраль питания
ъг
дочки и др. [120]. Применение фирмой «Линг» (Англия) ПРКО для разгрузки якоря и виброизоляции стенда (рис. 1.11) значительно снижает требования к фундаменту. Так, вибростенд модели У980 можно устанавливать в обычных производственных помещениях без специальной подготовки силового пола и фундамента здания.
Для случаев горизонтального нагружения ЛА, их двигателей наилучшие результаты позволяют получать разгрузочные устройства - скользящие плиты (столы) [56]. В этих устройствах подвижная плита разделена с опорной поверхностью пленкой смазки, подаваемой под давлением через систему отверстий в опорном гранитном блоке (рис. 1.12). Монтажные отверстия фланца вибратора совпадают с отверстием в торце плиты, что обеспечивает ее движение параллельно поверхности гранитного блока и предотвращает побочные колебания испытываемого объекта.
Для вибрационных испытаний тяжелых ЛА и двигателей используются комбинированные РУ, выполненные по схеме опирания (рис. 1.13) и включающие пневматические резинокордные оболочки или сильфоны и гидростатические направляющие.
Примером успешного использования РУ является система гидропневматической подвески для осуществления программы комплексных наземных динамических испытаний PH "Батт-У" (рис. 1.14) [145, 149] массой 2700 т. PH устанавливалась на четырех опорных узлах, представляющих собой комбинацию гидростатических опор: поршневого, плоского и сферического подпятников. Такая конструкция опор обеспечивала объекту испытаний шесть степеней свободы. В осевом направлении ракета возбуждалась силой от двух вибраторов, расположенных в донной части и обеспечивающих частотный диапазон испытаний от 0,5 до 20 Гц.
Подобная схема применена в конструкции стенда для подвески элементов летательных аппаратов при их наземной отработке (рис. 1.15) [22]. Изделие устанавливается на сферической газовой опоре, обеспечивающей перемещение КА без трения по нескольким степеням свободы.
В стендовых системах используются опоры газо- и гидростатического типов, выполненные по различным конструктивным схемам (рис. 1.16... 1.19). Общим для них является наличие проточных газовых магистралей с подачей сжатого воздуха от внешнего источника под давлением рвх и рабочей камеры
36
б
Рис. 1.14. Гидростатическая разгрузочная система для стендовых динамических испытаний PH «БаШт-У»: а- схема установки опор; б- схема разгрузочной опоры:
1- цилиндр; 2- газовая полость; 3- подвод газа; 4- стояночные упоры; 5- изделие; 6- сферический подпятник; 7- поршень; 8- подвод жидкости
1
Л \ /ы-
Рис.1.15. Схема виброустановки ЛА и КА:
1-испытываемое изделие; 2-система разгрузки; 3-корпус; 4- платформа