Классификация, конструктивные особенности и эксплуатационные характеристики ударных стендов

3.1. Классификация ударных стендов

Средства испытаний изделий на ударные нагрузки очень раз­нообразны по назначению, виду воспроизводимого ударного нагружения, принципу действия, способу получения требуемой скорости соударения или разгона, конструктивному исполне­нию, способу крепления испытываемого изделия. Они различа­ются также грузоподъемностью (массой и габаритами испыты­ваемых изделий) и характеристиками воспроизводимого ударно­го импульса (максимальным ускорением, длительностью и фор­мой импульса). Чаще всего ударные испытания проводят на специальных ударных стендах, однако в некоторых случаях ударное нагружение воспроизводят на вибростендах.

В общем случае в состав ударного стенда входят: ударная ус­тановка, системы управления и питания, контрольно-измери­тельная аппаратура, а также вспомогательные принадлежности и приспособления.

В зависимости от характера испытаний ударные стенды раз­деляют на четыре основные группы.

1. Ударные стенды как средство проведения испытаний на прочность, при которых точное воспроизведение уровней ударных нагрузок и длительности их воздействия, характерных для реальных условий эксплуатации, не требуется.

2. Ударные стенды как средство воспроизведения заданных законов изменения ударных сил или ускорений.

3. Ударные стенды как средство проведения модельных ис­пытаний с последующим использованием результатов для оценки параметров законов изменения сил и ускорений, действующих на натурные изделия в реальных условиях эксплуатации.

4. Ударные стенды как средство определения в лабораторных условиях частотных характеристик изделий методом ударного возбуждения.

По виду воспроизводимого ударного нагружения различают: стенды для воспроизведения одиночных ударных импульсов; стенды для воспроизведения многократных ударных нагрузок; стенды для воспроизведения сложных видов ударного нагруже­ния; стенды для воспроизведения специфических условий со­ударения.

Основным элементом ударного стенда является ударная уста­новка. В зависимости от принципа создания ударного нагруже­ния на испытываемое изделие ударные установки, а следова­тельно, и ударные стенды в целом разделяют на два основных вида: установки, действие которых основано на принципе тор­можения, и установки, действие которых основано на принципе разгона.

В ударных установках, действие которых основано на прин­ципе торможения, ударное нагружение создается при соударе­нии подвижной и неподвижной частей. При этом подвижная часть предварительно разгоняется до требуемой скорости соуда­­рения, а затем соударяется через тормозное устройство с непо­движной частью. Ударное нагружение формируется при взаимодействии соударяющихся частей с тормозным устройством. Пе­редний фронт ударного импульса создается при торможении по­движной части ударной установки за счет деформирования тор­мозного устройства. Задний фронт ударного импульса формиру­ется за счет восстанавливающих свойств тормозного устройства.

В установках, действие которых основано на принципе раз­гона, ударное нагружение создается за счет импульсного прило­жения нагрузки по заданному закону к подвижной ударной платформе. При этом платформа с изделием до начала работы стенда остается неподвижной. Ударное нагружение формирует­ся при передаче платформе аккумулированной в стенде энергии по требуемому закону. К концу ударного воздействия платфор­ма приобретает скорость, которая затем гасится демпфирующим устройством.

Основное преимущество указанного метода состоит в том, что путь разгона при формировании переднего фронта ударного воздействия в большинстве случаев меньше, чем путь торможе­ния. Однако, несмотря на это преимущество, наибольшее рас­пространение в практике ударных испытаний получили уста­новки, действие которых основано на принципе торможения. Это объясняется сложностью конструктивного решения уст­ройств ударного нагружения установок, действие которых осно­вано на принципе разгона; трудностью передачи с испытывае­мого изделия измерительной информации о протекающем удар­ном процессе вследствие высоких скоростей ударной платформы в конце разгона; необходимостью гасить кинетическую энер­гию, приобретенную платформой с изделием при разгоне.

3.2. Связь между параметрами ударных нагрузок и условиями их воспроизведения. Выбор условий воспроизведения

При проведении ударных испытаний обычно задают лишь основные параметры ударных нагрузок: максимальное (пико­вое) ударное ускорение а _п и длительность фронта нарастания ускорений τ_ф. В ряде случаев задают также и закон изменения ударного ускорения во времени a(t). Очевидно, что заданные параметры ударной нагрузки определяют и условия ее воспро­изведения.

Ударная нагрузка на практике чаще всего создается, как уже отмечалось выше, на ударных стендах, действие которых основано на принципе торможения. При этом изменение основ­ных величин, характеризующих ударное нагружение и условия его воспроизведения, в процессе деформирования тормозного устройства определяется уравнениями:

где v — скорость подвижной части стенда в процессе торможе­ния, v₀ — начальная скорость соударения; t — время, х — де­формация тормозного устройства.

Для тормозных устройств, деформации которых носят упру­гий и упругопластический характер, справедливы следующие соотношения:

где х — максимальная деформация тормозного устройства (максимальный путь торможения); А, В — коэффициенты, за­висящие от формы переднего фронта ударного импульса.

Из приведенных соотношений следует, что между заданными характеристиками ударного импульса (максимальным ударным ускорением, временем его достижения и формой переднего фронта) и условиями воспроизведения (начальной скоростью со­ударения и максимальным путем торможения) существует вполне определенная функциональная взаимосвязь. Это означа­ет, что, зная предельные эксплуатационные возможности удар­ного стенда, можно определить и возможность воспроизведения заданного ударного нагружения:

где v _пр — предельная скорость подвижной части ударного стен­да; х _пр — предельно допустимая деформация тормозного уст­ройства.

Очевидно, что при воспроизведении ударного нагружения следует различать две предельные области. В одной области ограничивающим условием будет требование соблюдения скорости подвижной части стенда, а в другой — пути торможения, соот­ветствующего максимальной деформации тормозного устройст­ва. Предельные эксплуатационные характеристики ударного стенда можно построить, воспользовавшись следующими зави­симостями:

где t_v — длительность переднего фронта воспроизводимого ударного импульса с учетом ограничения по предельной ско­рости подвижной части; t_x — длительность переднего фронта воспроизводимого ударного импульса с учетом ограничения по предельному пути торможения.

Максимальное ударное ускорение а_х,v и длительность перед­него фронта t_х,v воспроизводимого ударного импульса, удовле­творяющего одновременно ограничениям по скорости и пути торможения ударного стенда, можно определить из зависимос­тей (2.9), приравняв длительности t_v и t_x:

На рис. 2.4 приведены предельные эксплуатационные харак­теристики ударного стенда, где приняты следующие обозначе­ния: (а_v) _max— максимальное ударное ускорение при ограничении по скорости соударения; (а_х)_тiп — минимальное ударное ускорение при ограничении по пути торможения; (t_v)_min — минимальная длительность переднего фронта ударного импульса; (t_х)_max — максимальная длительность переднего фронта ударного импульса; t_v = f₁(a) — зависимость изменения длительности переднего фронта ударного импульса от ударного ускорения при ограничении по скорости соударения; t_х = f₂(a) — зависи­мость изменения длительности переднего фронта ударного им­пульса от ударного ускорения при ограничении по пути торможения. Заштрихованная область показывает, какие длительнос­ти переднего фронта ударного импульса и максимальное ударное ускорение можно воспроизводить на данном ударном стен­де. Длительность заднего фронта ударного импульса и его форма определяются упругими свойствами применяемого тор­мозного устройства.

Выбор условий воспроизведения. Основные этапы подбора необходимых условий воспроизведения ударных импульсов в лаборатории сводятся к следующему:

1. Ориентировочная оценка необходимых условий воспроиз­ведения заданного ударного импульса. Если форма импульса не регламентирована, целесообразно предположить, что в пределах переднего фронта (О < t < τ _ф) ударный импульс может быть приближенно представлен как линейный:

Тогда необходимые условия воспроизведения ударного импуль­са (начальная скорость соударения и путь торможения) нахо­дятся по формулам:

В том случае, когда задан и закон изменения ударного уско­рения во времени a(t), необходимые условия воспроизведения ударного импульса однозначно определяются в результате ин­тегрирования зависимости a(t), согласно уравнениям (2.6).

2. Сопоставление расчетных условий воспроизведения ударного импульса с предельными эксплуатационными характеристиками ударного стенда. Располагая семейством предельных
эксплуатационных характеристик стенда, соответствующих раз­ личным тормозным устройствам, нетрудно определить положе­ние точки с координатами (а _п, τ_ф) и оценить возможность по­ лучения заданного ударного импульса.

3. Уточнение расчетных условий воспроизведения и выбор конкретного типа тормозного устройства (деформируемого элемента, среды). Если существующие тормозные устройства не обеспечивают необходимые условия воспроизведения заданного ударного импульса, проектируют специальное тормозное уст­ройство с целью увеличения предельного пути торможения х _пр. В некоторых случаях целесообразным может оказаться увеличение мощности разгонного устройства ударного стенда с целью обеспечения более высокой начальной скорости соударения v _пр

Особенно просто осуществляется выбор тормозного устройст­ва в том случае, если расчетные условия воспроизведения за­данного ударного импульса могут быть обеспечены за счет упругопластического деформирования устройства. Применение та­кого простейшего тормозного устройства возможно, если требуе­мые пути торможения измеряются несколькими миллиметрами

Более сложным образом уточняются условия воспроизведе­ния в тех случаях, когда либо требуемые пути торможения х_мах превышают возможности простейших деформируемых эле­ментов (т.е. измеряются десятками и сотнями миллиметров), либо заданный закон a(t) не соответствует по форме воспроизво­димому с помощью этих элементов закону изменения ударного ускорения во времени. Задача в принципе становится менее оп­ределенной, и основными критериями при выборе условий вос­произведения будут величины v₀ и х_мах, найденные в результате интегрирования зависимости a(t). Правильный выбор тормоз­ного устройства будет во многом зависеть от интуиции инжене­ра-испытателя и имеющихся в его распоряжении технических средств.

Наиболее трудоемок процесс подготовки к ударным испыта­ниям, когда непременным условием является максимально воз­можная точность соблюдения закона изменения ударного уско­рения во времени a(t). При этом величины v₀ и x_mах определя­ются довольно жестко, а для обеспечения зависимости a(t) не­обходимо проектировать специальное тормозное устройство, ос­нованное на наиболее целесообразном для этого случая принци­пе действия (пневматическом или гидравлическом).

4. Окончательное уточнение условий воспроизведения на ос­нове пробных экспериментов в лаборатории.

Ударный эксперимент следует считать полностью подготов­ленным, если в результате анализа исходных данных [ a(t), а _п, τ_ф] определен способ создания требуемой скорости v₀, выбра­на и реализована конструкция тормозного устройства, обеспечи­вающая предельный путь торможения х _пр и заданный закон из­менения ударного ускорения во времени a(t), а также имеются необходимые вспомогательные устройства, контрольно-измери­тельная и регистрирующая аппаратура. После того как условия эксперимента в результате пробных опытов окончательно уточ­нены и установлено полное соответствие получаемых парамет­ров ударного импульса заданным, можно переходить к основ­ным испытаниям.

3.3. Ударные стенды

Требования, предъявляемые к ударным стендам. Стендовое оборудование для проведения ударных испытаний должно обес­печивать:

— широкие диапазоны воспроизводимого ударного ускорения
по пиковому значению и длительности действия;

— максимальное соответствие воспроизводимого закона изменения ударного ускорения во времени заданному закону;

— стабильность параметров воспроизводимого ударного процесса;

— минимальные побочные воздействия на испытываемое изделие;

— воспроизводимость процесса испытаний, исключающую неоднозначность получаемых результатов;

— простоту перемонтажа стенда для различных режимов имитации воздействующих факторов;

— простоту и удобство в управлении заданным испытатель­ным режимом, возможность ручного и автоматического управления;

— максимальную автоматизацию и механизацию операций,
применение ЭВМ в управлении режимами, контроле и регистрации параметров, обработке результатов;

— проведение испытаний в короткие сроки и с минимальны­
ми затратами.

Принципиальная схема ударного стенда. В общем виде прин­ципиальная схема ударного стенда, действие которого основано на принципе торможения, включает в себя следующие элемен­ты (рис. 2.5): ударную установку, состоящую из платформы 1 с закрепленным на ней испытываемым изделием 2; средство раз­гона платформы 3; тормозное устройство 4; систему управле­ния 5; первичные преобразователи 6; регистрирующую аппаратуру 7 для записи исследуемых параметров изделия и закона ударного ускорения; вспомогательные приборы 8 для регули­ровки электрического режима испытываемого изделия или иного режима его функционирования, измерения скорости соударения и т. д.; источники пита­ния 9, необходимые для работы испытываемого изделия и реги­стрирующей аппаратуры.

Данная схема предназначена для испытания изделия на удар­ную устойчивость, когда произво­дится оценка функционального отклонения того или иного пара­метра изделия в процессе ударно­го воздействия, а также после него. В других случаях, когда оценивается ударная прочность изделия, схема стенда несколько упрощается, так как исключаются вспомогательные приборы для регулировки режимов функцио­нирования изделия и источник питания.

Классификация и конструктивные особенности ударных стендов, действие которых основано на принципе торможения. Основным элементом ударного стенда является ударная уста­новка. Ударные установки классифицируют в зависимости от принципа создания ударного нагружения, месторасположения испытываемого изделия, способа получения требуемой скорости соударения и т. д.

В зависимости от месторасположения испытываемого изде­лия ударные установки разделяют на установки с размещением изделия на подвижной части и установки с размещением изде­лия на неподвижной части.

При размещении испытываемого изделия на подвижной части на него в процессе предварительного разгона действует ударная перегрузка, которая в зависимости от пути разгона и требуемой скорости соударения может быть значительной. Эта перегрузка может оказывать на испытываемое изделие нежела­тельное, а в отдельных случаях — недопустимое воздействие. Поэтому в технических требованиях предусматривается ограни­чение ударной перегрузки на этапе предварительного разгона. Как правило, она не должна превышать 10% от максимальной воспроизводимой ударной перегрузки.

Основными узлами таких установок являются подвижная ударная платформа, тормозное устройство и ударная наковаль­ня. Ударная платформа может быть выполнена в виде сварной, литой или кованой конструкции из алюминиевых, магниевых, бериллиевых, титановых сплавов или других материалов с от­верстиями на рабочей поверхности для крепления испытывае­мого изделия или монтажного приспособления. Форму и разме­ры ударной платформы следует выбирать из условий макси­мальной прочности и жесткости, с учетом габаритных размеров и массы испытываемого изделия. Конструкция ударной плат­формы должна обеспечивать передачу воспроизводимого ударно­го импульса на испытываемое изделие с минимальными иска­жениями. Кованые платформы имеют более высокие собствен­ные резонансные частоты по сравнению с литыми и сварными конструкциями; их применяют при воспроизведении ударных импульсов с малыми длительностями и большими перегрузка­ми.

Ударная наковальня представляет собой массивную кон­струкцию, воспринимающую через тормозное устройство удар предварительно разгоняемой платформы с испытываемым изде­лием. В зависимости от способа крепления наковальни к осно­ванию различают установки с жестким креплением ударной наковаль­ни и с упругой подвеской ударной наковальни.

Установки с жестким креплени­ем наковальни (рис. 2.6—2.8) раз­мещаются, как правило, на фунда­менте, изолированном от строитель­ных конструкций сооружения, в ко­тором находится установка. Уста­новки с упругой подвеской наковальни (рис. 2.9) можно использовать без специального фунда­мента. В установках этого типа имеется возможность изменять характеристики ударного импульса, воздействующего на удар­ную платформу, не только за счет изменения начальной скорос­ти соударения и характеристик тормозного устройства, но и за счет изменения соотношения масс ударной платформы и нако­вальни и их абсолютных значений.

В установках с размещением испытываемого изделия на не­подвижных частях (рис. 2.10) оно остается неподвижным до соударения. Перемещение изделия в процессе удара незначитель­но по сравнению с его перемещением в установках первой группы и не вносит существенных искажений в показания измери­тельной аппаратуры.

Основными узлами таких установок являются: ударник, тор­мозное устройство и неподвижная платформа. Ударник предва­рительно разгоняется до требуемой скорости соударения, а затем через тормозное устройство соударяется с неподвижной ударной платформой, соединенной упругим подвесом с основа­нием ударной установки. При этом возможно изменение харак­теристик ударного импульса, воздействующего на ударную платформу, за счет изменения соотношения масс подвижной части и ударной платформы и их абсолютных значений.

Ударные установки, действие которых основано на принципе торможения, по способу получения требуемой скорости соударе­ния разделяют на установки со свободным падением подвижной части и установки с принудительным разгоном подвижной части.

Установки со свободным падением подвижной части отлича­ются простотой конструкции и могут быть с вертикально па­дающей подвижной частью (см. рис. 2.6), с подвижной частью, падающей по наклонной плоскости (см. рис. 2.7), и маятнико­вого типа (см. рис. 2.10). Основным достоинством таких устано вок является постоянство ударного ускорения, равного ускоре­нию свободного падения g, действующего на подвижную часть с испытываемым изделием на участке предварительного разго­на, при получении требуемой скорости соударения. Недостаток установок — трудность получения значительных скоростей со­ударения, что связано со сложностью конструкции большой вы­соты.

В состав установок с принудительным разгоном подвижной части (см. рис. 2.8) входят устройства ускоренного разгона по­движной части. В зависимости от принципа действия этих уст­ройств различают установки механического, электромеханичес­кого, пневматического и гидропневматического типа. На таких установках можно получать ударные импульсы с высокими перегрузками, однако они имеют существенный недостаток: в случае размещения испытываемого изделия на подвижной части в процессе предварительного разгона на него действует ударная перегрузка. Кроме того, необходимо иметь графики из­менения начальной скорости соударения в зависимости от массы подвижной части.

Ударные установки, действие которых основано на принципе торможения (см. рис. 2.6—2.10), могут включать в себя сле­дующие элементы: подвижную и неподвижную части; направ­ляющее устройство; стопорное устройство; устройство принуди­тельного разгона подвижной части; тормозное устройство; осно­вание; демпфирующие устройства; фундамент. В зависимости от типа установки подвижная часть может представлять собой либо ударную платформу для крепления испытываемого изде­лия, либо ударник, а неподвижная часть, соответственно, — ударную наковальню на жестком или упругом основании либо ударную платформу для крепления испытываемого изделия. Направляющее устройство обеспечивает соосность подвижной и неподвижной частей ударной установки и используется для перемещения подвижной части. Стопорное устройство предна­значено для удержания подвижной части в заданном положе­нии перед разгоном, а также для предохранения подвижной части от повторного соударения после воспроизведения основно­го ударного импульса (одновременно может выполнять функции пускового устройства при включении в работу ударной установ­ки). Устройство принудительного разгона подвижной части ис­пользуется в тех случаях, когда необходимо обеспечить большие скорости соударения. Тормозное устройство предназначено для формирования заданного ударного нагружения на испыты­ваемое изделие. Основание служит для соединения узлов уста­новки в единое целое. Демпфирующие устройства используются для торможения подвижной и неподвижной частей после вос­произведения основного ударного импульса.

4. Тормозные устройства

От тормозных устройств во многом зависит возможность вос­произведения ударным стендом заданных импульсов, так как именно эти устройства определяют основные характеристики ударного импульса (форму, пиковое значение ускорения, дли­тельность его нарастания и спада).

Тормозные устройства должны обеспечивать необходимый для заданного ударного нагружения путь торможения подвиж­ной части ударной установки; формировать на этом пути тормо­жения заданный закон нарастания и спада перегрузки (ускоре­ния), действующей на изделие, за счет сил сопротивления де­формированию в процессе соударения; обладать достаточной прочностью и жесткостью при взаимодействии с подвижной частью установки.

По принципу действия тормозные устройства разделяют на необратимо деформируемые и упругодеформируемые устройст­ва. К первым относят устройства, в которых ударный импульс формируется за счет сил упругопластического деформирования тормозного устройства; ко вторым — устройства, в которых ударный импульс формируется за счет сил упругого деформиро­вания тормозного устройства.

Основной характеристикой каждого типа тормозного устрой­ства является зависимость изменения контактной силы от де­формации или ударной перегрузки от пути торможения. Эту за­висимость называют силовой характеристикой тормозного уст­ройства. Она определяет вид и характеристики воспроизводимо­го ударного нагружения. На характер силовой характеристики существенное влияние оказывают форма деформируемого эле­мента и физико-механические свойства его материала. Когда силовые характеристики на активном и пассивном этапах удара одинаковы, тормозное устройство воспроизводит ударную на­грузку симметричных форм. Если силовые характеристики тор мозного устройства на активном и пассивном этапах различны, воспроизводятся ударные нагрузки несимметричных форм.

Необратимо деформируемые тормозные устройства. Харак­терной особенностью этих устройств является наличие деформи­руемого элемента, который при соударении изменяет свою форму в зоне контакта в пределах упругопластических дефор­маций. По виду деформирования элемента эти устройства раз­деляют на устройства смятия, внедрения и проникания.

Передний фронт воспроизводимого ударного импульса фор­мируется на этапе активного нагружения тормозного устройст­ва в процессе соударения за счет упругопластических деформа­ций; максимальная упругопластическая деформация определяет максимальный путь торможения подвижной части ударной ус­тановки. Задний фронт воспроизводимого ударного импульса формируется при разгрузке тормозного устройства в процессе соударения за счет восстановления упругих деформаций. Такая схема работы необратимо деформируемых тормозных устройств показывает, что силовая характеристика устройств нелинейна и обеспечивает в основном воспроизведение несимметричных ударных импульсов с максимальным значением ударной пере­грузки, сдвинутым к концу ударного импульса.

Динамическая силовая характеристика необратимо деформи­руемых тормозных устройств при нагружении в процессе соуда­рения может быть аппроксимирована эмпирической зависимос­тью

В тормозных устройствах смятия ударный импульс формиру­ется за счет смятия деформируемого элемента 1 (например, пластины или прокладки) жестким профилированным в основа­нии ударником 2 (рис. 2.11, а) либо за счет смятия профилиро­ванной части деформируемого элемента 1 (например, коничес­кого элемента) жестким основанием 2 платформы или установки (рис. 2.11, б). Пути торможения невелики, поэтому эти уст­ройства используют для воспроизведения ударных импульсов небольшой длительности (до нескольких миллисекунд), но с большими пиковыми значениями ударного ускорения (до не­скольких десятков тысяч единиц g). Характеристики воспроиз­водимых ударных импульсов существенно зависят от физико-механических свойств материала деформируемого элемента. Де­формируемые элементы могут быть изготовлены из различных материалов (стали, латуни, меди, свинца и т. д.).

В тормозных устройствах внедрения (рис. 2.11, в) ударный импульс формируется в результате внедрения в деформируемый элемент 1 (плиту, шайбу) жесткого ударника 2 с профилирован­ным участком. Силовая характеристика устройства внедрения зависит от материала деформируемого элемента, а также от конфигурации профилированной части ударника. В устройствах этого типа можно получить значительные пути торможения (до нескольких десятков миллиметров), что позволяет воспроизво­дить ударные импульсы с длительным временем нарастания пи­кового значения перегрузки.

Тормозные устройства смятия и внедрения характеризуются тем, что максимальному пути торможения соответствует макси­мальная ударная перегрузка. Они применяются для воспроизве­дения ударных импульсов несимметричных форм.

В тормозных устройствах проникания (рис. 2.11, г) ударный импульс формируется за счет проникания жесткого цилиндри­ческого ударника 2 с профилированным наконечником в плас­тически деформируемую среду 1 (например, свинец). Силовая характеристика устройства проникания состоит из двух участков и зависит от формы профилированной части, диаметра ударника и материала деформируемой среды. Пути торможения могут быть значительными и зависят от скорости соударения. Характерной особенностью устройств проникания является до­стижение максимальной ударной перегрузки на участке внедре­ния в деформируемую среду профилированного наконечника ударника, а затем обеспечение постоянства этого значения на участке проникания в деформируемую среду цилиндрической части ударника. Применение тормозных устройств этого типа может обеспечить получение ударных перегрузок в широком диапазоне значений форм закона изменения во времени с боль­шим временем нарастания, доходящим до десятков миллисе­кунд.

Основные недостатки необратимо деформируемых тормозных устройств: невозможность их повторного использования в связи с изменением формы деформируемого элемента в процессе со­ударения; необходимость большого объема экспериментальных работ по определению геометрических форм и выбору материа­лов соударяющихся элементов, определяющих требуемую для воспроизведения заданного нагружения силовую характеристи­ку тормозного устройства. Для каждого типоразмера ударного импульса необходимо свое тормозное устройство. К преимуще­ствам необратимо деформируемых тормозных устройств следует отнести простоту их конструкции.

Упругодеформируемые тормозные устройства. Характерной особенностью этих устройств является наличие упругодеформируемого элемента, который при соударении изменяет свою форму в пределах упругих деформаций, а по окончании ударно­го процесса восстанавливает свои первоначальные свойства. Это достигается за счет соответствующей силовой характеристики, по виду которой упругодеформируемые тормозные устройства разделяют на устройства с постоянной и переменной силовой характеристикой.

Тормозные устройства с постоянной силовой характеристи­кой (рис. 2.12), как правило, обеспечивают воспроизведение ударных импульсов симметричных форм; при этом максималь­ному пути торможения соответствует максимальная ударная перегрузка. В качестве упругодеформируемого элемента исполь­зуют прокладки и различного рода пружины, обеспечивающие линейную зависимость пути торможения от ударной нагрузки, что позволяет воспроизводить ударные импульсы постоян­ной длительности; при этом пиковые значения ударной перегрузки определяются ско­ростью соударения.

Упругодеформируемые тор­мозные устройства разделяют условно на устройства с "жесткой" и "мягкой" сило­вой характеристикой. Тормоз­ные устройства с "жесткой" силовой характеристикой ис­пользуются для воспроизведе­ния ударных импульсов с вы­сокими пиковыми значениями ударного ускорения (до нескольких десятков тысяч g) и малы­ми длительностями (до нескольких миллисекунд). Ударный им­пульс в таких устройствах (рис. 2.12, а) создается в результате упругого деформирования элемента 1 жестким профилирован­ным в основании ударником 2 при ударе о жесткое основа­ние 3 ударной установки. "Жесткая" силовая характеристика обеспечивается за счет применения в качестве упругодеформи­руемого элемента различных прокладок из высокоплотного вой­лока, высокопрочного пластика или эластомера.

Тормозные устройства с "мягкой" силовой характеристикой используются для воспроизведения ударных импульсов с малы­ми пиковыми значениями ударного ускорения (до нескольких сотен g) и с большими длительностями их нарастания (до не­скольких десятков миллисекунд). "Мягкую" силовую характе­ристику можно получить в тормозных устройствах, выполнен­ных в виде набора прокладок либо в виде пружин. Один из ва­риантов конструктивного исполнения упругодеформируемого устройства с "мягкой" силовой характеристикой представлен на рис. 2.12, б. В этом тормозном устройстве ударный импульс со­здается за счет деформирования упругодеформируемого элемен­та 1 в виде рессоры или тарельчатой пружины, закрепленного на подвижной части 2 ударной установки, при взаимодействии с жестким профилированным основанием 3.

Тормозные устройства с переменной силовой характеристи­кой обеспечивают воспроизведение ударных импульсов с раз­личными длительностями и пиковыми значениями ударной перегрузки, а в отдельных случаях и разных форм за счет кон­структивных или других возможностей изменения силовой ха­рактеристики тормозного устройства.

Структурная схема тормозного устройства с переменной си­ловой характеристикой показана на рис. 2.13. Ударный им­пульс создается при взаимодействии ударной платформы 1 через ударную подушку 2 с тормозным устройством 3, установ­ленным на основании 4. Тормозное устройство состоит из ци­линдра 5 со штоком 6. Верхняя часть цилиндра может быть герметизирована, сообщена с атмосферой или через трубопрово­ды соединена с источниками 7 сжатого газа (например, азота). Нижняя часть цилиндра соединена с резервуарами 8 электро­вязкой жидкости через электрогидравлические клапаны 9. Ре­зервуары можно герметизировать, соединять с атмосферой или источниками сжатого газа. Электрогидравлические клапаны со­единены электрически с блоком управления 10, который фор­мирует выходной импульсный сигнал в соответствии с заданной формой и характеристиками ударного воздействия. Управляю­щий сигнал изменяет напряженность электрического поля в электрогидравлических клапанах в таких пределах, что электровязкая жидкость 11 может превращаться из маловязкой жидкости в практически твердое тело. Схема управления электрогидравлическими клапанами обеспечивает возможность изменения давления рабочего газа 12 в цилиндре таким обра­зом, чтобы можно было воспроизвести ударные импульсы любой заданной формы.

Основным недостатком упругодеформируемых устройств яв­ляется сложность их конструкции, особенно гидравлических, пневматических, гидропневматических устройств. Достоин­ство — возможность их многократного применения и регули­ровки формы и основных характеристик ударного воздействия.

5. Практическая часть

5.1. Используя формулу (2.6) определить скорость подвижной части стенда v и деформацию тормозного устройства x используя значения таблицы 1. Закон изменения ударного ускорения во времени а(t)=3t²+4t-7.

Таблица 1

5.2. Используя формулы (2.11), (2.12) и (2.6) определить скорость подвижной части стенда v, деформацию тормозного устройства x и путь торможения x_мах используя значения таблицы 2.

Таблица 2

6. Отчетность по лабораторной работе

Для защиты лабораторной работы занятий студент должен представить отчет, выполненный согласно ГОСТ. Объем отчета должен быть не более 10 листов формата А4, графически он может быть выполнен от руки или напечатан на принтере.

В отчете должны быть представлены:

- титульный лист;

- введение;

- изученный материал;

- практическая часть;

- заключение (вывод);

- список литературы.

Контрольные вопросы:

1. Цели ударных испытаний.

2. Ударный процесс и его характеристики.

3. Когда ЛА подвергается интенсивным ударным нагрузкам в процессе эксплуатации?

4. Методы проведения ударных испытаний.

5. Основные виды ударных стендов.

6. Принципиальная схема и состав ударного стенда (в общем случае).

7. Выбор условий воспроизведения ударных импульсов в лабораторных условиях.

8. Моделирование ударных волн на конструкцию КЛА.

9. Испытания на ударную прочность и ударную устойчивость при многократном воздействии.

10. Испытания на ударную прочность и ударную устойчивость при воздействии одиночных ударов большой интенсивности.

11. Испытания на прочность при транспортировании и падении.

12. Классификация ударных стендов.

13. Тормозные устройства, основные виды и характеристики.

14. Конструктивные элементы ударных стендов.

Литература

1. С.Г. Парафесь, И.К. Туркин «Методы и средства динамических испытаний конструкций летательных аппаратов», М., МАИ, 2002 г.

2. «Экспериментальная отработка космических аппаратов» под ред. Н.В. Холодкова, М., МАИ, 1994 г.