Под ударом

Олег Туркалов, руководитель сервисной службы испытательного оборудования turkalov@dipaul.ru

Научным определением удара является механическое взаимодействие материальных тел, приводящее к конечному изменению скоростей их точек за бесконечно малый промежуток времени. Механический удар характеризуется быстрым выделением энергии, в результате чего возникают местные упругие или пластические деформации, возбуждение волн напряжения и другие эффекты, приводящие иногда к нарушению функционирования и к разрушению конструкции объекта испытаний: механические перегрузки вызывают деформацию и поломку деталей, ослабление соединений (сварных, резьбовых и заклепочных), отвинчивание винтов и гаек, перемещение механизмов и органов управления, в результате чего изменяется регулировка и настройка приборов и появляются другие неисправности. На рис. 1 и 2 представлены последствия испытаний обычного блока питания на ударное воздействие.

Рис. 1. Исправный блок питания, установленный на ударный стол Thermotron RS-28 (реализует методы HALT/HASS)

В качестве стенда, выполняющего ударные испытания, может служить самый обычный электродинамический вибростенд: при наличии необходимого ПО его управляющая система сможет генерировать почти все формы ударных воздействий — от самых популярных полусинусоидальной и пилообразной до уже подзабытой формы гаверсинуса. Но преимущества данного варианта заканчиваются лишь на доступности (будем исходить из тезиса, что во всех испытательных лабораториях есть одна климатическая камера и один электродинамический вибростенд), простоте задания (генерации) параметров удара и минимальном (по сравнению с классическими ударными стендами) вмешательстве оператора. Электродинамические стенды изначально ограничены максимальным ускорением на пустом столе 200g и длительностью импульса, ограниченной максимальным перемещением арматуры (в среднем 50 мм пик-пик, есть и форсированные модели с троекратной мощностью на ударе и увеличенным ходом подвижной системы, но это уже исключение). Движение арматуры в случае с электродинамическим стендом описывается уравнением равнопеременного движения, при этом зависимость от нагрузки (массы образца) и взаимосвязь параметров удара не линейны. А тем временем, ко многим изделиям предъявляют требования по выдерживанию перегрузок не сотен, а уже тысяч и десятков тысяч G (константа гравитационного взаимодействия), что способствует появлению обособленного класса испытательных машин — ударных стендов. Хочу отметить, что речь идет именно о классе оборудования. В то время как вибрационные стенды делятся примерно на три наиболее распространенных типа (электродинамические, электромеханические и гидравлические), в классе ударных стендов можно выделить более пяти типов, каждый из которых имеет принципиальные отличия как в устройстве, так и в параметрах воспроизводимых ударных воздействий.

Рис. 2. Результат испытаний (пиковое ускорение 1500g, длительность около 1 мкс, частота следования импульсов 300 уд./мин. )

В этой статье я хочу рассказать о, пожалуй, самом распространенном типе ударных стендов, принцип работы которых основан на сбрасывании закрепленного на каретке испытуемого объекта с некоторой высоты (для разгона используется как сила тяжести, так и пневматический ускоритель) на наковальню. На последней размещены генераторы ударного импульса (определяющие форму и частично длительность ударного импульса), разработанные и изготавливаемые компанией Benchmark (рис. 3, торговая марка Avex Shockmachine®), чьи «ноу хау» позволяют получать ускорения одиночных ударов до 30 000g.

Рис. 3. Подразделение компании Benchmark в г. Хантсвилл (США)

Хотя возраст и начальная специализация компании Benchmark (компания была основана в 1979 г. и специализировалась на производстве медицинских приборов) могут вызвать сомнения у опытных пользователей, поглощенная ей в 1999 г. фирма Avex (ранее Avco) далеко не новичок в сегменте ударного испытательного оборудования.

История компании Avex началась в 1950-х годах с разработки ударного стенда свободного падения. Эти стенды были крайне эффективны, но их возможности ограничивались размерами лаборатории. Уже во втором поколении машин был применен пневматический усилитель (разгонный блок), а саму систему запатентовали в 1968 г. (патент US3552184 A).

Рис. 4. Запатентованная в 1968 г. схема разгонного блока

Такая конфигурация значительно улучшила возможности тестирования, не требуя специальных помещений. Типовая блок-схема такой конфигурации представлена на рис. 5.

Рис. 5. Типовая блок-схема ударного стенда

Год за годом системы совершенствовались, но основная концепция стенда неизменна с момента подачи заявки на патент. Продолжая лучшие традиции в создании высококачественного оборудования, Avex расширила линейку оборудования до нескольких модификаций и продолжает доводить до совершенства простой, но гениальный дизайн 70-х. На сегодня ударные стенды используются во всем мире как в коммерческой области, так и в военных целях, и служат для испытаний самого широкого ассортимента продукции: дисковые накопители, наручные часы, свечи зажигания, кристаллы микропроцессоров, взрыватели и др.

Рис. 6. Испытательные установки SM-105 и SM-110 

Сегодня компания предлагает три модели испытательных установок:

• SM-105 — малогабаритная модель для испытания образцов массой до 23 кг;
• SM-110 — среднегабаритная модель для испытания образцов массой до 91 кг;
• SM-220 — крупногабаритная модель для испытания образцов массой до 454 кг (рис.6)

Все три установки Avex для испытаний на удар представляют собой пневматические системы с микропроцессорным управлением, предназначенные для лабораторных и производственных испытаний на удар образцов массой до 454 кг (в зависимости от модели) с высокой точностью и воспроизводимостью результатов. С использованием соответствующих импульсных генераторов, испытательная установка вырабатывает ударные импульсы полусинусоидальной, пилообразной и трапецеидальной формы (рис. 7), отвечающие строгим военным и промышленным стандартам, а также индивидуальным требованиям к проведению испытаний. Формы вырабатываемых сигналов соответствуют требованиям наиболее употребимых военных стандартов (в том числе MIL-STD-202, MIL-STD-750, MIL-STD-810 и MIL-STD-883).

Рис. 7. Виды ударных импульсов

Установки Avex питаются сжатым воздухом с давлением в диапазоне 690–860 кПа. Типичный цикл падения выглядит следующим образом: сжатый воздух подается в подпоршневую полость, в результате чего каретка (плита для крепления образца) поднимается на заданную высоту. Затем приводится в действие стопорный тормоз. Далее воздух выпускается из-под поршневой полости и подается в надпоршневую полость (ускоритель), в которой устанавливается заданное давление зарядки. По достижении этого давления стопорный тормоз отпускается. Под давлением сжатого воздуха каретка устремляется вниз и ударяется о генератор ударных импульсов, смонтированный на наковальне. После удара снова приводится в действие тормоз, который удерживает каретку в положении отскока и предотвращающий вторичный удар. Одновременно, по сигналу триггера, может запускаться внешняя система регистрации данных для записи ударного импульса.

Основными компонентами установки являются:

• основание;
• пневмоопоры;
• каретка;
• генераторы ударных импульсов;
• органы управления.

Основание — узел, выполняющий функцию инерционной массы и взаимодействующий с падающей кареткой для генерации ударного импульса. Основание изготовлено из высокопрочного железобетона в стальной обжимающей рубашке и установлено на четыре пневмоопоры. На основании размещены тележка и направляющий стержень, внутри которого располагаются узел пневмоцилиндра и электропневматическая система управления с выведенной наружу панелью управления.

Пневматические опоры (пневмоопоры), встроенные в основание установки, наполняются сжатым воздухом из источника, к которому подключена установка, и обеспечивают эффективную изоляцию пола от ударных воздействий. Управление давлением воздуха в пневмоопорах и их наполнением осуществляется с помощью регулятора и манометра в соответствии с конкретными условиями нагрузки и испытаний.

Каретка (рис. 8) представляет собой алюминиевую отливку конической формы, которая обеспечивает оптимальное отношение прочности к коэффициенту демпфирования (демпфирование — гашение или предотвращение колебаний). Каретка модели SM-220 изготовлена из магния. Крепежные поверхности обработаны с малыми допусками на сопряжение со стальными вставками для крепления образцов или оснасток к каретке.

Рис. 8. Каретка для размещения образца

Для генерации ударных импульсов полусинусоидальной, пилообразной и трапецеидальной формы используются эластомерные прокладки, свинцовые отливки и пневмоцилиндры в ассортименте (рис. 9–11). Эластомерные прокладки, благодаря своей легкой сменяемости, обеспечивают возможность соблюдения широкого диапазона требований к параметрам ударных импульсов. Они зарекомендовали себя как наиболее экономичные и универсальные генераторы импульсов полусинусоидальной формы. Свинцовые отливки (поставляются формы для их изготовления) обеспечивают генерацию пилообразных ударных импульсов с пиком на конце.

Рис. 9. Эластомерные прокладки для генерации полусинусоидальных импульсов

Рис. 10. Генераторы импульса трапецеидальной формы (свинцовые отливки)

Рис. 11. Генераторы импульса квадратной формы (пневматические)

Пневматические элементы установки имеют микропрограммное управление. Клавиатура и дисплей обеспечивают удобное программирование давления зарядки, высоты падения, торможения, количества циклов испытания, а также синхросигналов для регистрации данных измерительными приборами. Клавиатура модели SM-220 располагается на пульте дистанционного управления, который подключается к установке кабелем длиной 6 м, что позволяет управлять установкой из менее шумного места. Питание включается замковым выключателем. В зависимости от установленного количества циклов, установка может инициировать один или несколько циклов падения с частотой до 8 в минуту.

В июле этого года мне и нашим инженерам удалось лично убедиться в простоте дизайна ударных стендов Avex.

Под руководством Джонаса Квиллена (Jonas Quillen), идейного и технического руководителя компании Banchmark (одно из направлений Avex), человека с по-настоящему стальными кулаками, была проведена работа по полной разборке и сборке ударного стенда SM-110, которая заняла (без учета времени высыхания фиксатора резьбы) около 4 ч. По результатам работ и визита в целом было решено зафиксировать пятилетнее партнерство наших компаний эксклюзивным соглашением и авторизацией сервисной службы на проведение полного спектра ремонта и обслуживания оборудования Avex.

Джонас Квиллен (Avex Shock mashines):

«Компания «Диполь», с которой Avex работает уже пять лет, является одним из лучших наших клиентов. Мне было приятно лично познакомиться и с компанией, и с ее сотрудниками, с Россией. Санкт-Петербург — прекрасный город с богатой историей и современными нюансами. Здесь очень дружелюбные люди, и я надеюсь, что мы встретимся еще не раз».

Официальный сайт Группы компаний "Диполь": www.dipaul.ru

Понравилась статья? Поставьте лайк 34

Электроника Контроль, испытания, исследования Испытания на воздействие вибрации Воздействие одиночного удара Ударный стенд Benchmark Avex