Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
30. Механические испытания. Цель испытаний. Характеристика механических воздействующих факторов. Колебания, удар, постоянное ускорение, механическое давление, сила (момент) и др. .Испытания на растяжение. Испытания на сжатие. Испытания на усталость. Испытания на удар. Испытания на кручение. Испытания на твердость. Оборудование для создания механических воздействий.
Механические испытания проводятся с целью определения качества изделия и сварочных материалов, показателей свариваемости металлов и сплавов, пригодности способов и режимов сварки при установлении квалификации сварщиков. Конкретная цель испытаний указывается в технических условиях на контролируемое изделие.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ это определение механических свойств материалов и изделий.
По характеру изменения во времени действующей нагрузки различают М. и. статические (на растяжение, сжатие, изгиб, кручение), динамические, или ударные (на ударную вязкость, твёрдость), а усталостные (при многократном циклич. приложении нагрузки). Отд. группу методов образуют длительные высокотемпературные М. и. (на ползучесть, длит. прочность, релаксацию). М. и. проводят при высоких и низких темп-pax, в агрессивных средах, при наличии надрезов и исходных трещин; при нестационарных режимах, при облучении и акустич. воздействиях и др
Испытание на растяжение
Образец закрепляется в зажимах разрывной машины и растягивается до разрыва. Машина снабжена прибором для автоматической записи диаграммы растяжения — зависимости между нагрузкой и абсолютным удлинением.
Для испытания на растяжение применяют цилиндрические или плоские образцы определенной формы и размеров по стандарту. Испытание образцов на растяжение проводится на разрывных машинах с механическим или гидравлическим приводом. Эти машины снабжены специальным приспособлением, на котором при испытании (растяжении) автоматически записывается диаграмма растяжения (рис. 39).
Рис. 39. Диаграмма растяжения
При испытании на растяжение определяют следующие характеристики механических свойств: пределы упругости σуп, текучести σт, прочности σВ, истинного сопротивления разрыву SK, относительное удлинение δ и сужение ψ.
Пределом упругости σуп называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % от расчетной величины образца
Пределом текучести σт называется наименьшее напряжение, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки:
Условным пределом текучести σт называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от расчетной длины образца
Пределом прочности σВ называется напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке РВ, предшествующей разрушению образца:
Истинным сопротивлением разрушению SK называется напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва образца к площади поперечного сечения FK образца в шейке после разрыва:
Относительным удлинением δ называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва (lк – l0) к его первоначальной расчетной длине l0
Относительным сужением ψ называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва (F0 – Fк), к его первоначальной площади его поперечного сечения выраженное в процентах:
Относительным удлинением и сужением характеризуется пластичность металла.
Испытание на изгиб
Испытание на изгиб можно проводить почти на всех машинах, пригодных для испытания на сжатие. Большинство универсальных машин имеют специальные раздвигающиеся опоры для испытаний на изгиб.
Для испытания на изгиб применяют образцы круглого или прямоугольного (квадратного) поперечного сечения, которые помещают концами на две опоры. Во избежание смятия в опорах лучше увеличить поверхность контактов, уменьшив удельное давление на опоры.
Изгибающая сила уменьшается при увеличении пролета (расстояния между опорами), а также при выборе длинных образцов с соотношением l/h > 10.
При деформации изгиба нижние слои металла до нейтрального слоя испытывают растяжение, а верхние – сжатие (рис. 40). Между зонами растяжения и сжатия располагается нейтральный недеформированный слой металла. Различают простой или плоский изгиб, при котором внешние силы лежат в одной из главных плоскостей бруса, и сложный, вызываемый силами, расположенными в разных плоскостях.
Рис. 40. Деформация при изгибе
Испытания на изгиб (ГОСТ 14019-80) проводятся по двум схемам:
1) сосредоточенной нагрузкой, приложенной в середине пролета (рис. 41, а).
Рис. 41. Схема испытаний на изгиб: а – сосредоточенный; б – чистый
где Р – изгибающая нагрузка; l – расстояние между опорами, на которых установлен образец.
2) двумя равными симметрично приложенными (на равных расстояниях от опор) сосредоточенными нагрузками, создающими на определенном участке чистый изгиб (рис. 41, б). Расстояние от опоры а целесообразно принимать равным 1/3 расчетной длины образца.
Результаты испытаний по второй схеме более точные, так как наибольшие напряжения возникают на определенном участке длины образца, и поэтому оценивается не одно (случайное) сечение, как в первом случае, а значительный объем образца.
При испытаниях на изгиб можно подсчитать напряжения, соответствующие различным нагрузкам, а также определить стрелу прогиба образца f. Это определение проводится либо по кривой, полученной на диаграммном приборе машины, либо с помощью специальных приборов – прогибомеров.
Рис. 42. Диаграммы изгибов:
а – пластичный материал;
б – малопластичный;
в – хрупкий
На рис. 42 представлены типичные диаграммы изгиба для пластичных (рис. 42, а), малопластичных (рис. 42, б) и хрупких (рис. 42, в) материалов.
При изгибе хрупких материалов максимум нагрузки часто совпадает с появлением первой трещины. Иногда образование трещин сопровождается резкими перегибами на ниспадающей ветви диаграммы.
Предел прочности при изгибе в этом случае σизг = Mизг/W, где W (момент сопротивления) – геометрическая характеристика поперечного сечения бруса, показывающая сопротивляемость бруса изгибу в рассматриваемом сечении.
Для образцов круглого сечения W= π d3/32, где d – диаметр образца. Для образцов прямоугольного сечения со сторонами b и h W=bh2/ 6, где h – высота бруса.
При изгибе можно определить пределы пропорциональности, упругости и текучести с точным замером деформаций.
Величина прогиба fразр характеризует пластичность; она зависит от материала, длины образца, момента инерции, от отношения высоты к ширине и способа приложения нагрузки.
При чистом изгибе величина прогиба зависит от соотношения длин участков а и b (рис. 41, б).
При изгибе устраняется важный недостаток испытаний на растяжение (сжатие) – влияние перекосов при установке образцов.
Определение ударной вязкости
Очень часто детали в процессе работы испытывают действие не только плавно возрастающих нагрузок, но одновременно подвергаются и ударным (динамическим) нагрузкам. Поэтому необходимо знать, насколько хорошо сопротивляется металл действию на него этих нагрузок.
Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах.
В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе (работу удара), или ударную вязкость.
Испытание на удар проводится на специальном приборе, называемом маятниковым копром, изломом надрезанного образца, свободно установленного на две опоры копра (рис. 43 и 44), падающим с определенной высоты массивным маятником.
Рис. 43. Схема положения образца при испытании на ударную вязкость
Под ударной вязкостью следует понимать работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.
Кручение
Образец представляет собой круглый стержень диаметром 15—25 мм (рис. 68) с лысками на концах, которые служат для его установки в захватах машины. Одному из захватов передается крутящий момент, который уравновешивается отклонением маятника, соединенного со вторым захватом. При этом один конец образца (или одно поперечное сечение его) поворачивается на некоторый угол относительно другого. Записывающее устройство машины вычерчивает диаграмму кручения, графически изображающую зависимость угла кручения от крутящего момента.
Испытание на кручение имеет второстепенное значение. Оно вводится для оценки материалов валов или проволоки, а также для определения прочности и пластичности твердых сталей. Расчетная длина образца чаще всего составляет 10 диаметров.
Определение твердости.
В технике наиболее часто понятие «твердость» определяют как сопротивление, оказываемое телом при внедрении в него другого, более твердого тела. Испытание на твердость относится к наиболее часто используемым методам механических испытаний материалов, поскольку, с одной стороны, с его помощью можно определить с известными ограничениями и оговорками количественные связи с иными свойствами или поведением материала при определенных нагрузках; с другой стороны, процесс определения твердости требует относительно небольших затрат. При этом речь идет только о сравнительных измерениях. Непосредственное заключение об эксплуатационных характеристиках материала возможно лишь в случае подбора для узких конкретных условий эмпирических коэффициентов.
Усталость (постепенный процесс накопления повреждений)
При циклических нагрузках в исследуемом образце происходит постепенное накопление повреждений, приводящих к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению. Этот процесс называют усталостью. Параметрами циклического нагружения являются: среднее напряжение цикла sm = 0,5(s max – smin ), амплитуда напряжения sa , частота циклов f (или период Т цикла), коэффициент асимметрии R s = smax /smin (рис. 59). Цикл, у которого максимальное и минимальное напряжения равны, но противоположны по знаку, называется симметричным
Рис. 59. Схема изменения нагрузки при асимметричном знаке постоянном цикле
Схема нагружения должна в той или иной мере воспроизвести в образцах напряженное состояние, характерное для эксплуатационных условий работы детали, так как от соотношения касательных и нормальных напряжений зависят сопротивление усталостному разрушению и характер разрушения. Характеристиками сопротивления усталости материала являются:
- предел выносливости s R -максимальное напряжение цикла с коэффициентом асимметрии R, соответствующее заданному (базовому) числу циклов напряжения;
- предел выносливости при симметричном цикле s-1 ;
- циклическая долговечность N - общее число циклов, выдержанных нагруженным объектом до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения.
Для определения предела выносливости испытывают 10 -15 одинаковых образцов. Для первого образца максимальное напряжение обычно составляет 0,750sB .Определяется число циклов нагружения, которое он выдерживает до разрушения N 1. Напряжения при испытании второго образца назначаются в зависимости от N 1: при N1 < 2 – 105 s 2 = s1 – 20 МПа; при N1 > 2 – 10 5 s2 = s1 + 20 МПа. Максимальное напряжение цикла для каждого последующего образца понижается на 8 - 12 % до тех пор, пока образец не выдержит без разрушения базовое число циклов нагружения.
Уточнение предела выносливости производится при испытании нескольких других образцов, для которых s i+1 = 0,5(si+ si –1) . На уровне предела выносливости должно быть испытано не менее трех образцов. По результатам испытаний строится кривая усталости (рис. 60), называемая кривой Веллера.
Рис. 60.Кривая усталости
Критическое напряжение s k ,выше которого уже с первых циклов нагружения возникают субмикроскопические трещины и отсутствует инкубационный период, делит диапазон si –1 – sB на две области — малоцикловой и многоцикловой усталости.
Для сокращения трудоемкости испытаний на усталость разработано много прямых и косвенных ускоренных методов. Наиболее распространенным является метод ступенчатого нагружения, который основан на гипотезе о линейном характере накопления усталостных повреждений. В данном случае на каждом уровне периодически повышаемой на DB амплитуды напряжений осуществляется ni циклов нагружения. Испытание продолжается до разрушения образца. Полученные результаты позволяют определить искомый предел выносливости.
В косвенных методах используется связь предела выносливости с другими характеристиками механических свойств материалов или резкое изменение некоторых параметров при достижении предела выносливости. В первом приближении значение s -1 можно определить по формуле
s–1 = 5 + 0,25(sB + sT).
Другой косвенный метод заключается в измерении температуры образца, который испытывается при непрерывном возрастании амплитуды напряжений. При достижении напряжения, равного пределу выносливости, нарушается линейная зависимость между амплитудой напряжений и температурой.
Однако косвенные методы не могут выявить влияние на предел выносливости шероховатости поверхности образца или коррозии. Прямые же методы показали, что предел выносливости полированного образца на 27 % больше, чем у точеного. При коррозии предел выносливости может снизиться в 4 - 6 раз.
Статистическое сжатие
Испытаниям на сжатие целесообразно подвергать относительно хрупкие материалы. В целом испытания на сжатие распространены гораздо меньше, чем на растяжение.
Одноосное сжатие можно рассматривать как растяжение с обратным знаком. В результате пластической деформации образец укорачивается и уширяется.
Схема испытания на сжатие и геометрия используемых образцов показаны на рисунке 20. Испытания на сжатие проводят на тех же машинах, на которых ведутся испытания на растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и сжимают подвижным захватом. Для устранения перекоса образца усилие сжатия следует передавать на него с помощью какого-либо направляющего приспособления, например, шарового вкладыша в верхнем захвате.
По мере сжатия на торцевых поверхностях образца возникают силы трения, направленные по радиусам к его центру и препятствующие деформации в горизонтальном направлении. В результате образец приобретает характерную бочкообразную форму, а схема напряженного состояния усложняется и становится различной в разных точках образца. В точках 1 и 2 возникает схема объемного сжатия, а в точке 3 – разноименное плоское напряженное состояние. Неоднородность напряженного состояния учесть крайне трудно и на практике ее игнорируют. Поэтому стараются уменьшить силы трения на опорных поверхностях образца. Для этого вводят смазки (вазелин, солидол); прокладки – (тефлон) – между торцовыми поверхностями образца и опорными плитами. Используют образцы с коническими поверхностями на торцах. При этом угол конусности α подбирают так, чтобы tgα был равен коэффициенту трения. Помимо конусности, в образце делают отверстие, устраняющее концентрацию напряжений у острия конуса.
Но полностью устранить контактные силы трения не удается. Это принципиальный недостаток испытаний на сжатие. Оптимальная для цилиндрических образцов величина отношения h0/d0 лежит в пределах 1…3.
Характер разрушения сжимаемых образцов зависит от величины контактных сил трения. Если они велики, то наблюдается разрушение путем среза (рисунок 21, а). Если они незначительны, то фиксируется разрушение отрывом (рисунок 21, б)
а – схема; б, в, г – виды образцов
Рисунок 20 – Схема испытания на сжатие и формы испытания образцов
а – срез; б – отрыв
Рисунок 21 – Схемы разрушения при испытаниях на сжатие
По диаграмме сжатия определяют условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности. Методика определения прочностных свойств по диаграмме сжатия аналогична методике для растяжения.
Отсюда, учитывая правило постоянства объема образца в процессе пластической деформации, можно перестроить первичную диаграмму сжатия.
Отсюда видно, что при сжатии, в противоположность растяжению, S<σ, так как F>F0. Диаграммы истинных напряжений обычно строят в координатах S-ε (рисунок 22, кривая 1)
1 – истинные напряжения; 2 – условные напряжения
Рисунок 22 – Диаграмма напряжений при сжатии
На рисунке 22 нанесена и кривая условных напряжений (кривая 2), которая при сжатии всегда имеет вид, качественно аналогичный диаграмме истинных напряжений, поскольку на первичной диаграмме нет максимума и участка снижения нагрузки.
Важной особенностью при сжатии является увеличение площади сечения образца в процессе испытания. Это увеличивает скорость прироста нагрузки на первичных диаграммах сжатия.
Величина прочностных характеристик при сжатии, особенно предела прочности, значительно выше, чем при растяжении. Схемы сжатия используют в технологических пробах для оценки деформационной способности полуфабрикатов и изделий.
31.Испытания на ударные воздействия. Общие положения. Условия испытаний на воздействие ударов и испытательное оборудование Классификация конструкций испытательных установок. Характер ударных воздействий. Средства измерения параметров удара.
Ударные воздействия и виды испытаний
При резком и быстром изменении перемещения объектов (включая и изменение направления перемещения), на которых установлены или транспортируются различные изделия, возникают удары. Ударом принято называть такое движение, при котором имеет место взаимодействие движущихся тел, сопровождающееся частичным или полным переходом кинетической энергии соударяющихся тел в потенциальную энергию упругой деформации и в так называемую внутреннюю энергию тел, увеличение которой приводит к нагреву. Указанный процесс происходит в малом (ограниченном) пространстве за время, значительно меньшее периода собственных колебаний соударяющихся тел.
В большинстве случаев в процессе соударения возникает упругопластическая деформация. Процесс удара можно разделить на два этапа. Во время первого (активного) этапа происходит нагружение тел, контактная сила соударяющихся тел возрастает, и деформация в зоне контакта носит упругопластический характер; при этом центры энергии соударяющихся тел сближаются.
Во время второго (пассивного) этапа контактная сила уменьшается, и при равенстве ее нулю нарушается контакт соударяющихся тел и происходит их разгрузка. При этом восстанавливается свойство упругой деформации и расстояние между центрами инерции соударяющихся тел увеличивается.
Возможными причинами ударных воздействий на изделия могут быть столкновения, взрывы, сверхзвуковое давление, случайные падения и т. д. Указанные воздействия могут возникать при эксплуатации изделий на самолетах, кораблях, ракетах, автомобилях, вездеходах, а также при их транспортировании, когда они подвергаются неосторожному обращению обслуживающего персонала.
Подобные удары по своей природе носят случайный характер и имеют малую длительность. Механические воздействия на изделие, возникающие при его случайном падении, зависят от высоты падения, характера поверхности, на которую падает изделие, его ориентации при падении, материалов и способов упаковки для транспортирования.
Анализ ударных воздействий позволяет сформулировать цели различных видов испытаний. Целью испытаний изделий на ударную прочность путем воздействия одиночных и многократных ударов является проверка их способности противостоять разрушающему действию механических ударов и сохранять после их действия значения параметров в пределах норм, установленных НТД. Возможно проведение испытаний на воздействие механических ударов многократного действия на ударную устойчивость, когда проверяют способность изделия выполнять свои функции при воздействии ударов.
Кроме того, испытания на воздействие ударов применяют для определения воздействия на изделия ударов и толчков, которые возможны во время ремонтных работ или при случайном падении при небрежном обращении. При этом возникает задача по определению прочности наиболее уязвимых узлов изделий. В соответствии с рекомендациями МЭК помимо приведенных предусматриваются также испытания на воздействие падения и опрокидывания.
Особым видом испытаний, предназначенным для имитации условий случайных ударных воздействий, возникающих при перевозке незакрепленных изделий колесным транспортом по пересеченной местности, являются испытания на транспортную тряску.
Условия испытаний на воздействие ударов и применяемое оборудование
Создание ударных нагрузок с заданными параметрами для проведения испытаний достигается с помощью ударных установок, в которых воздействие возникает за счет соударения тел. При этом наиболее часто используются соударения, осуществляемые через упругий элемент сопротивления, нелинейный элемент сопротивления безгистерезисного типа (пара «сфера—плоскость»), элемент сопротивления, работающий в зоне пластической деформации (жесткий конический наконечник через свинцовую прокладку).
В общем случае в структурную схему ударной установки (рис. 3) входят: средство разгона—ускоритель 5, подвижной стол, платформа или контейнер 6 вместе с испытуемым изделием 4, измерительным преобразователем 1 и контрольным преобразователем 8, тормозное устройство 7 (соударяющиеся элементы); система 9 управления и регулирования режима испытаний; средства измерения 2 и регистрации 3, позволяющие измерить значения некоторых параметров и зарегистрировать характер ударной перегрузки.
Рис. 3.
Классификация конструкций испытательных установок
По структурно-конструктивному решению установки различают по средствам разгона и торможения, применяемым для получения заданного ударного нагружения. Разгон может осуществляться принудительно или в результате свободного падения с определенной высоты.
Заданное ударное нагружение за счет торможения с помощью тормозных устройств может быть основано на использовании необратимых или упругих деформаций. Необратимо деформируемые тормозные устройства одноразового действия реализуются путем применения упруго пластических материалов, из которых изготовляются деформируемые элементы, подвергающиеся смятию при ударе или используемые в паре с внедряющимися в них жесткими наконечниками соответствующего профиля. Упругопластические деформируемые элементы в виде пластин, изготовляемых, например, из стали, латуни, меди, свинца и резины, обеспечивают получение ударных ускорений от 100 (при падении на резину) до 1000000м/с2 (при падении на сталь, латунь) с длительностью фронта ударного импульса от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд.
Пластически деформируемый элемент, используемый в совокупности с внедряющимся в него жестким наконечником, позволяет моделировать закон изменения ускорения с большой длительностью фронта ударного импульса, доходящей до десятков миллисекунд. Использование необратимо деформируемых тормозных устройств целесообразно в установках с разгоном, осуществляемым в результате свободного падения с определенной высоты.
Недостатком рассматриваемых тормозных устройств является возможность воспроизведения одного ударного импульса с определенными характеристиками.
Упругодеформируемые тормозные устройства многоразового применения основаны на использовании таких конструктивных элементов установок, которые при соударении изменяют свою форму в пределах упругих деформаций, а по окончании ударного процесса восстанавливают ее.
В качестве упругодеформируемых элементов используют прокладки из резины или пластиков и пневматические, гидравлические, пневмогидравлические устройства. В зависимости от конструкции и материалов, применяемых для изготовления прокладок, упругодеформируемые тормозные устройства позволяют воспроизводить ударные нагрузки симметричных форм, изменять максимальное ударное ускорение и длительность ударного импульса, а в некоторых случаях и его форму.
Недостатком упругодеформируемых тормозных устройств являются их конструктивная сложность и определенная трудность управления ударным процессом.
Для предотвращения повторных ударов, возникающих в установках, используют специальные пневматические и электромагнитные тормозные устройства, а также механические пружинные захваты.
Характер ударных воздействий
По характеру воспроизводимых ударных воздействий различают ударные установки, воспроизводящие многократные и одиночные удары, транспортную тряску и комбинированные нагрузки, а также имитирующие падения и столкновения.
Основным элементом измерительного тракта являются измерительные преобразователи, служащие источниками сигналов измерительной информации. Для индикации, регистрации и анализа этих сигналов используются электронные радиоизмерительные приборы общего применения (осциллографы, анализаторы спектра и амплитудно-частотных характеристик и др.).
Установки одиночных ударов могут осуществлять разгон принудительно и за счет свободного падения. Среди установок с принудительным разгоном наибольшее применение получили электродинамические, пневматические, гидравлические и ротационные ускорители. Кроме того, применяются копры маятникового (баллистического) типа.
В установках со свободным падением используется вертикальное сбрасывание по направляющим. Определенные формы импульсов достигаются за счет применения механических, пневмогидравлических, пневматических тормозных устройств. Установки данного типа могут быть неуправляемыми и управляемыми.
Основные параметры ударных установок и их возможные значения приведены в таблице.
Таблица 3.1. Основные параметры установок для воспроизведения ударов
|
Параметр |
Установка, воспроизводящая |
|
|
одиночные удары |
многократные удары |
|
|
Форма ударных импульсов |
Полусинусоидальная, пилообразная с резкимспадом и трапецеидальная |
Полусинусоидальная |
|
Диапазон значений пикового ударного ускорения |
15...1000 000 м/с2 |
30...10000 м/с2 |
|
Диапазон значений длительности действия ударного ускорения |
0,5...120 мс |
0,5...20 мс |
|
Допустимое изменение скорости ударного импульса всех форм |
± 10% значения, соответствующего номинальному импульсу |
|
|
Число ударных импульсов в 1 мин (по ГОСТ) |
40...120 |
Установка с вертикальным сбрасыванием
Конструктивно может быть выполнена (рис. 3.3) в виде каретки 1, свободно перемещающейся вверх и вниз между вертикальными сталь ными стойками 2 по роликам. Испытуемое изделие 4 закрепляется болтами на каретке и потом вручную или подъемником 3 с приводом поднимается вверх. Форма ударного импульса определяется свойствами соударяющихся поверхностей 5, которые могут изменяться за счет изменения их материала и формы, а также за счет использования специальных тормозных приспособлений. Высота сбрасывания обычно изменяется в диапазоне 0,3...1,5 м. Преимуществами данной установки являются ее относительная простота, возможность контроля положения до удара и во время него.
Рис3.3
Пневматическая ударная установка
В конструкцию ударной установки, построенной на пневматическом принципе (рис. 3.4), входит цилиндр 1 с перемещающимся в нем поршнем 2.
Рис. 3.4
Под давлением р воздуха, поступающего в полость 1 цилиндра, стол 6 с испытуемым изделием 5 поднимается в верхнюю точку. Далее включается тормоз 4, установка готова к испытанию. Для ударного воздействия, под действием давления воздуха, поступающего в полость цилиндра 3, поршень вместе со столом 6 и испытуемым изделием перемещается и ударяется о наковальню 7. Форма волны ударного импульса зависит от формы и материала наковальни. Сразу после удара вновь включается тормоз 4 для исключения искажений импульса после отскакивания подвижной каретки.
Недостатками пневматических ударных установок являются: трудность получения импульсов заданной формы, ограниченные диапазоны амплитуд ускорений и длительностей ударных импульсов.
Копры маятникового типа
Копры маятникового типа основаны на использовании силы инерции массы молота, прикладываемой через наковальню к испытуемому изделию. В конструкцию маятникового копра (рис. 3.5) входят: массивная станина 1, молот 2, наковальня 3, на которую устанавливаются испытуемые изделия 4. Характер удара определяется упругим элементом 5, величина отскока молота после удара регистрируется устройством 6.
Рис. 3.5
Работа копра маятникового типа заключается в том, что молот поднимается на угол 160... 180° в верхнее исходное положение и удерживается там защелкой. После освобождения защелки молот падает на наковальню, передающую силу удара изделию. Запасенная молотом энергия Е, определяемая его массой и расстоянием от оси качания до центра тяжести, частично расходуется при ударе по наковальне с изделием, а частично затрачивается на отскок молота. Энергия удара, воздействующего на изделие, определяется как разность между первоначальным запасом энергии Е и фиксируемой энергией отскока Ei:
Е = Е – Еi. ( 3.1)
Для получения различных запасов энергии возможно использование нескольких сменных молотов различных масс. В процессе удара наковальня незначительно перемещается и благодаря ее гибкой связи со станиной обеспечивается хорошая форма кривой ударного импульса, на которую не накладываются посторонние колебания. Параметры и характеристики ударного импульса могут изменяться за счет изменения скорости молота в момент соударения, отношения масс наковальни и молота, а также механических характеристик деформируемого элемента прокладки, помещаемой в зоне контакта молота и наковальни.
Скорость молота зависит от угла начального отклонения молота и с точностью до 2...3% может быть определена, если рассматривать движение молота как математический маятник. Преимущество маятниковых копров заключается в отсутствии направляющих, искажающих результаты измерений.
Основными недостатками являются сложность конструкции и невозможность получения больших ускорений.
Маятниковый копер (баллистический маятник) может применяться как для испытаний, так и для динамической тарировки преобразователей ударных ускорений.
Установки многократных ударов
Установки многократных ударов могут быть основаны на принципах принудительного разгона и свободного падения. Получили распространение электродинамические и механические ускорители. Большинство используемых установок являются управляемыми. Рассмотрим принципы действия и конструкции установок многократных ударов.
В механических ударных установках многократных ударов ускорения в вертикальном направлении создаются при ударе свободно падающего стола об упругие наковальни.
Подъем и сброс рабочего стола установки могут осуществляться с помощью профильного кулачка, кривошипно-шатунного механизма и копра.
Форма кривой изменения ускорения за время ударного импульса зависит от средств торможения, определяющих нарастание ударного ускорения с момента соприкосновения рабочего стола с упругими элементами до максимального значения и последующий спад.
Механические средства торможения основаны на соударении специальных элементов, выполненных из различных материалов (сталь, свинец, фетр, резина и др.).
На рис. 3.6 представлена схема механического стенда.
Рис. 3.6.
На столе 1 закрепляется испытуемое изделие 2. Быстрый подъем стола и его сбрасывание осуществляются с помощью кулачка 3 специальной формы, получающего вращение от регулируемого привода. Кулачки могут выполняться сменными для задания необходимого режима.
При падении стол соударяется с амортизаторами 4, определяющими характер удара. Вертикальное перемещение стола задается направляющими качения 5.
В электродинамических установках необходимое ускорение при ударе достигается за счет взаимодействия двух магнитных полей: переменного, создаваемого импульсным током, и постоянного в кольцевом зазоре электромагнита. В результате указанного взаимодействия возникает сила, выталкивающая подвижную систему с переменной скоростью.
Электродинамическая установка может работать в режиме одиночных ударов, обеспечивая получение ударных импульсов полусинусоидальной формы.
Достоинствами электродинамического ударного стенда являются: возможность получения ударных импульсов заданной формы; относительная простота конструкции механической части, удобство регулирования основных параметров ударных импульсов. Основной недостаток трудность получения ударных импульсов с большими ускорениями (более 3000 м/с2)
Средства измерения параметров удара
Простейшая схема установки для измерения значений параметров механических ударов состоит из измерительного преобразователя (ИП), согласующего устройства (предусилителя) и осциллографа.
Особенностью измерения параметров ударов является необходимость правильного воспроизведения звеньями измерительного тракта всех спектральных составляющих в широком диапазоне частот как по амплитуде, так и по фазе, а также линейность амплитудной характеристики в широком динамическом диапазоне.
Источником сигнала измерительной информации о значении измеряемых параметров ударных воздействий являются специальные ИП, классифицируемые в основном по тем же признакам, что и преобразователи для измерений значений параметров вибрации.
К особенностям следует отнести их специальное назначение для измерений:
• пиковых значений ударных ускорений;
• скорости или перемещения;
• времени достижения заданного ускорения.
Наибольшее практическое применение получили электрические ИП, принцип действия которых основан на прямом пьезоэффекте. Остановимся на некоторых особенностях пьезоэлектрических ИП, применяемых для измерений больших амплитуд ускорений интенсивных механических ударов. В указанных ИП используется принцип деформации (сжатие и растяжение) пьезоэлемента. В качестве материала пьезоэлемента могут применяться монокристаллические пьезоэлектрики, естественный и искусственный кварц, а также некоторые марки пьезокерамики.
Монокристаллические пьезоэлектрики обеспечивают почти безынерционное преобразование деформации в электрический заряд, характеризуются широким динамическим диапазоном и высокой стабильностью.
Однако они имеют более пологую амплитудную характеристику и меньший коэффициент преобразования, поэтому в ряде случаев оказывается более целесообразным применять пьезокерамику, обеспечивающую получение более мощного полезного сигнала. Иногда используют синтетический кварц, обладающий большей прочностью и однородностью, чем естественный. Фирма «Брюль и Къер» изготовляет чувствительный элемент из пьезокерамики, которая в результате специальной обработки обладает высокими динамической и ударной стойкостями и пренебрежимо малым сдвигом нуля, возникающим из-за накопления заряда под воздействием кратковременных механических колебаний и ударов.
Особую группу составляют радиоволновые СВЧ ИП, принцип действия которых основан на использовании свойств распространения электромагнитных волн СВЧ диапазона, применяемых в радиолокационном методе. К достоинствам радиоволновых ИП можно отнести возможность осуществления бесконтактных измерений параметров удара на относительно большом расстоянии источника излучения и чувствительного элемента (приемо-передающей направленной антенны) от поверхности изделия. Недостатком является схемная и конструктивная сложность, ограничивающая применение радиоволновых ИП.
Принцип действия световых (оптических) ИП параметров ударного движения основан на преобразовании механического движения испытуемого изделия в изменение светового потока. Использование световых (оптических) ИП позволяет существенно расширить динамический и частотный диапазон измерений, а также устранить большинство недостатков, свойственных контактным ИП. Возможны две группы методов преобразования ударного движения в изменение светового потока:
- фотоэлектрические методы измерения параметров ударного движения, основанные на модуляции соответствующего параметра светового потока, в процессе его распространения под воздействием ударного движения;
- фотоэлектрические волоконно-оптические методы, основанные на использовании волоконных световодов.
В обеих группах методов происходит косвенное преобразование механических колебаний в электрические с помощью фотопреобразователей.
32. Испытания на воздействие вибраций. Методы вибрационных испытаний. (гармоническая вибрация, полугармоническая вибрация, случайная вибрация). Классификация вибростендов Структурные схемы виброиспытательных стендов.
Испытания на воздействие вибраций.
Воздействие различного характера вибраций на аппаратуру, средства измерений и их элементы, а также на другие изделия в процессе эксплуатации и (или) транспортирования часто приводит к возникновению в них механических дефектов и (или) к ухудшению значений параметров (характеристик). В связи с этим предусматривается проведение испытаний на воздействие вибрации с помощью специальных средств испытаний, обеспечивающих выполнение следующих основных требований:
- воспроизведение вибрационных нагрузок в заданных диапазонах частот и режимах в течение установленного времени с заданной точностью;
- измерение значений параметров испытательных режимов с помощью встроенных или специально применяемых средств измерения;
- регистрация и обработка полученной информации о значениях параметров испытательных режимов и о состоянии испытуемых изделий.
Для выполнения поставленных требований используются вибрационные установки (рис. 4.1). Испытуемое изделие 1 закрепляется на вибростоле 2, который приводится в колебательное движение виброприводом 3. Форма и частота колебаний задаются генератором сигналов 5 и усилителем 4.
Рис. 4.1.
Для получения информации о воздействии вибрации в процессе испытаний используют виброизмерительные преобразователи (ВИП), размещаемые в двух или более специфических точках. Различают две основные точки: контрольную и измерительную. На рис. 4.1 применены два ВИП – измерительный 6 и контрольный 7, сигналы которых поступают на устройство для измерения и анализа 8.
Метода вибрационных испытаний
Испытание гармонической вибрацией
Испытание гармонической вибрацией на фиксированных частотах заключается в последовательном воздействии гармонических колебаний определенной частоты и амплитуды на испытываемое изделие в требуемом диапазоне частот. Для выполнения испытаний методом фиксированных частот пригодны любые вибростенды, в том числе и наиболее простые — механические.
В программе испытаний указывают значения фиксированных частот или поддиапазоны частот, время испытания и амплитуды вибрационного ускорения или перемещения (на низких частотах).
Для создания гармонической вибрации используют звуковые генераторы. Частота вибрации определяется настройкой генератора, а требуемый уровень вибрационного ускорения или перемещения устанавливается вручную по показаниям виброизмерительного прибора с помощью регулировки в усилителе вибростенда.
Рис. 1.2. структурная схема испытаний гармонической вибрацией на фиксированных частотах: 1 – задающий генератор; 2 – усилитель мощности; 3 – вибратор; 4 – испытываемое изделие; 5 – виброизмерительный преобразователь; 6 – виброизмерительная аппаратура
Недостатком метода фиксированных частот является сложность контроля ускорения (перемещения) и частоты вибрации и их регулирования вручную из-за значительной неравномерности Амплитудно-частотной характеристики тракта испытательного комплекса при испытаниях в широком диапазоне частот. Однако этот метод широко используют при заводских испытаниях серийно выпускаемых изделий вследствие возможности применения простейшего оборудования и отработанных программ испытаний для изделий каждого типа.
Испытания гармонической вибрацией методом качающейся частоты заключается в циклическом прохождении заданного диапазона частот от нижней частоты до верхней и обратно при постоянстве заданных параметров вибрации в течение определенного времени.
Испытания методом качающейся частоты широко применяют для испытания изделий на вибропрочность и виброустойчивость, а также для определения резонансных частот и частотных характеристик изделий. Для выполнения этих испытаний подходят вибростенды с электродинамическими, электрогидравлическими или иными вибровозбудителями, позволяющими плавно изменять частоту колебаний стола вибростенда в некоторых пределах.
Испытания методом качающейся частоты проводят обычно при замкнутой системе управления и постоянных значениях ускорения, скорости или перемещения рабочего стола вибростенда. Выбор одного из этих трех параметров, определяющих вибрацию, зависит в основном от конструкции изделия и условий его эксплуатации. Как правило, испытания на воздействие вибрации ведут при постоянном значении перемещения до частот в несколько десятков герц, а затем поддерживают постоянное ускорение на более высоких частотах.
В программе испытаний методом качающейся частоты указывают диапазон частот, амплитуду виброускорения или виброперемещения, время цикла качания частоты и продолжительность испытаний. Под циклом качания частоты понимают сканирование частоты от нижнего предела к верхнему и обратно. Испытание на вибропрочность включает в себя несколько циклов качания частоты в пределах заданного диапазона, а испытание на виброустойчивость содержит, как правило, один цикл сканирования частоты.
В отличие от схемы, представленной на рис. 1.2, она содержит устройство для автоматического прохождения частотного диапазона — блок качания частоты (БКЧ) и устройство для автоматического регулирования уровня заданных параметров вибрации — автоматический регулятор уровня (АРУ). Введение автоматики здесь вызвано необходимостью компенсации амплитудно-частотной характеристики вибростенда и поддержания заданного уровня вибрации на столе вибратора. Основными причинами изменения уровня вибрации при сканировании частоты являются резонансы и антирезонансы вибростенда с испытываемым изделием.
Рис. 1.3. Структурная схема испытаний гармонической вибрацией методом качающейся частоты.
Частотой задающего генератора 1 управляет БКЧ. Сигнал генератора после коррекции уровня в АРУ и усиления в усилителе мощности 2 поступает на вибратор 3, который возбуждает механические колебания испытываемого изделия 4. Виброизмерительный преобразователь 5 и виброметр 6 формируют сигнал обратной связи. При отклонении уровня вибрационного возбуждения изделия, например в сторону увеличения (на резонансе), АРУ, в соответствии со значением сигнала виброметра, будет уменьшать испытательный сигнал до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое значение контролируемого параметра вибрации. Таким образом осуществляется компенсация неравномерности частотной характеристики и поддерживается необходимый уровень вибрации.
Испытания начинаются с предварительной настройки системы управления, при которой задающий генератор на средней частоте исследуемого частотного диапазона вводится в режим обратной связи, при максимальной ее глубине. Виброизмерительный прибор должен при этом показать 0,1—0,5 заданного значения параметра вибрации. Эта операция повторяется при частоте генератора, соответствующей нижней отметке исследуемого частотного диапазона. Уменьшая глубину обратной связи, устанавливают заданное значение параметра вибрации, а затем включают БКЧ и проводят испытания в заданном диапазоне частот.
Для реализации испытаний методом качающейся частоты требуется относительно недорогое оборудование. Испытания дают полезную информацию для корректировки параметров изделия, так как в эксперименте может быть легко зафиксирована частота, при которой происходит разрушение изделия или отказ в работе. Недостатком данного вида испытаний является то, что в каждый момент времени на изделие воздействуют одночастотные синусоидальные колебания, а не спектр частот, как при реальных условиях эксплуатации.
Испытание полигармонической вибрацией заключается в одновременном воздействии нескольких гармонических вибраций с различными фазами. Метод достаточно прост и отличается от метода испытаний на гармоническую вибрацию в основном числом задающих генераторов синусоидальных сигналов и необходимостью регулирования фазовых сдвигов между этими сигналами.
Его применяют в тех случаях, когда реальная вибрация представляет собой детерминированный периодический процесс. Полигармоническую вибрацию можно рассматривать и как определенное приближение к непериодическим вибрациям сложной формы, которым подвергаются сверхзвуковые ЛА.
Цепь формирования сложного полигармонического сигнала состоит из параллельно соединенных звуковых генераторов в количестве, равном числу заданных гармоник, и суммирующего устройства. Электрические сигналы синусоидальной формы поступают от задающих генераторов 11,12,...,1n на сумматор 2, а затем, после усиления в усилителе мощности 3, — на электродинамический вибратор 4, создающий механические колебания стола с испытываемым изделием 5. Контроль амплитуд гармонических составляющих вибрации в контрольной точке осуществляется виброизмерительным преобразователем 6 и виброизмерительным прибором 7 с полосовым фильтром или частотным анализатором и фиксируется регистрирующей аппаратурой 8.
Рис. 1.4.. Структурная схема испытаний полигармонической вибрацией
Настройку на заданный режим осуществляют последовательно по каждой составляющей полигармоники, устанавливая соответствующий уровень сигнала звукового генератора, при котором амплитуда измеряемого параметра вибрации (например, виброускорения) в контрольной точке будет иметь требуемое значение.
Недостатком метода испытаний полигармонической вибрацией является то, что для его осуществления требуется большое количество звуковых генераторов. Кроме того, настройка такой системы перед каждым испытанием занимает значительное время.
Испытания на воздействие случайной вибрации
Целью испытаний на воздействие случайной вибрации является воспроизведение на вибростенде вибраций с заданными статистическими характеристиками. Поскольку в качестве заданных статистических характеристик используются результаты обработки натурных вибраций, испытания случайной вибрацией достаточно точно воспроизводят реальное вибрационное состояние испытываемого изделия.
Испытание стационарной широкополосной случайной вибрацией заключается в воспроизведении на вибростенде колебаний, имеющих заданную спектральную плотность в широком диапазоне частот (от нескольких единиц до двух тысяч герц).
Для выполнения этих испытаний применяют вибростенды с электродинамическими или электрогидравлическими вибраторами. В качестве сигнала возбуждения используется широкополосный случайный сигнал, создаваемый генератором шума 1, а контрольными элементами являются либо многочисленные узкополосные фильтры 2 фиксированной частоты Ф1,Ф2, ..., Фn, перекрывающие по возможности более полно весь спектр частот сигнала возбуждения, либо настраиваемые фильтры. С помощью этих так называемых гребенчатых фильтров регулируется мощность в каждой полосе частот, после чего сигнал поступает на усилитель мощности 3 вибратора 4. Вибратор возбуждает механические колебания испытываемого изделия 5, которые измеряются, анализируются и регистрируются с помощью вибропреобразователя 6,виброизмерительной аппаратуры 7, анализирующего устройства 8 и регистрирующей аппаратуры 9.
Рис. 1.5. Структурная схема испытаний широкополосной случайной вибрацией
Программу испытаний задают в виде графика спектральной плотности ускорения G(f) (рис. 1.6), представляющей собой квадрат среднеквадратичного значения ускорения, отнесенный к единичной ширине полосы пропускания. Спектр сигнала, возбуждающего вибратор, разбивается с помощью гребенчатых фильтров на п полос (рис. 1.7). Кривая А изображает желаемую спектральную плотность ускорения в контрольной точке.
Рис. 1.6. Примерный график задания спектральной плотности ускорения.
Рис 1.7. Схема формирования спектральной плотности ускорения широкополосной случайной вибрации с помощью гребенчатых фильтров: 1, 2, …, n – амплитудно-частотная характеристика фильтров; А – уровень спектрально плотности
Для этого на фильтры подают выходной сигнал с виброизмерительного преобразователя и в случае отклонения контролируемого параметра вибрации от заданного уровня корректируют сигнал возбуждения.
Метод испытания на воздействие широкополосной случайной вибрации предусматривает одновременное возбуждение всех резонансных частот испытываемого изделия. Это позволяет выявить их взаимное влияние, что невозможно при других видах испытаний. Однако для испытаний этим методом требуется относительно сложное и дорогостоящее оборудование.
Рис. 1.8. Схема формирования спектральной плотности ускорения узкополосной случайной вибрации: а – спектральная плотность узкополосной случайной вибрации; б – спектральная плотность широкополосной случайной вибрации
Испытание узкополосной сканирующей случайной вибрацией представляет собой компромиссный вариант между испытаниями гармонической вибрацией методом качающейся частоты и широкополосной случайной вибрацией. Сущность этого вида испытаний состоит в том, что широкополосное возбуждение с низким уровнем спектральной плотности заменяется узкополосным случайным возбуждением с более высоким уровнем спектральной плотности, медленно сканирующим по рабочему диапазону частот (рис. 1.8).
Метод основывается на том, что, как подтверждено экспериментально, интегральное распределение реакции резонансной механической системы при воздействии белого шума, описываемое законом Рэлея, можно совместить с так называемым накопленным интегральным распределением реакции той же системы при воздействии узкополосной случайной вибрации с шириной полосы, намного меньшей ширины резонанса системы.
Рис. 1.9. Структурная схема испытаний узкополосной сканирующей случайной вибрацией.
Узкополосный случайный процесс с переменной во времени средней частотой создается с помощью генератора белого шума 1 и сопровождающего фильтра 2, средняя частота которого изменяется приводом сканирования частоты 3. Затем через усилитель 4 с автоматическим регулированием уровня, усилитель мощности 5 и электродинамический вибратор 6 узкополосный случайный процесс воспроизводится в контрольной точке испытываемого изделия 7. Механические колебания изделия измеряются виброизмерительным преобразователем 8 и виброизмерительной аппаратурой 9. Постоянный уровень градиента виброускорения в контрольной точке поддерживается с помощью системы АРУ. Сигнал обратной связи АРУ поступает с выхода виброизмерительной аппаратуры.
Достоинствами метода испытаний на воздействие узкополосной сканирующей случайной вибрации являются:
- возможность использования менее мощных вибростендов по сравнению с испытаниями на широкополосную вибрацию вследствие снижения уровня создаваемой вибрации в несколько раз;
- сохранение стохастического характера возбуждаемого воздействия;
- возможность проще и точнее, чем при широкополосной вибрации, устанавливать и регулировать уровень воздействия.
К недостаткам метода следует отнести:
- необходимость предварительного исследования эффекта взаимодействия резонансов, поскольку они возбуждаются последовательно;
- увеличение продолжительности испытаний по сравнению с испытаниями на широкополосную вибрацию.
Устранение первого недостатка возможно путем применения параллельной сканирующей узкополосной вибрации. В этом случае используется несколько узкополосных сигналов (например, по числу резонансов), каждый из которых сканирует в своем частотном поддиапазоне. Второй недостаток ослабляется введением метода ускоренных испытаний, когда за счет некоторого увеличения уровня возбуждаемого воздействия удается резко снизить продолжительность испытания при допустимом виде распределения пиковых значений виброускорения.
2. Средства проведения наземных вибрационных испытаний
По принципу возбуждения переменной силы в возбудителе колебаний (по виду энергетического привода):
- механические;
- электрогидравлические;
- пьезоэлектрические;
- электромагнитные;
- резонансные;
- пневматические;
- магнитострикционные;
- электродинамические.
Механические вибростенды
Механические вибростенды обычно выполняют с вибровозбудителями следующего типа: центробежными, эксцентриковыми, кривошипно-шатунными с жесткой связью, с гибкой связью, кулисными и маятниковыми.
Основное преимущество данных вибростендов заключается в том, что они обеспечивают с определенной точностью постоянство амплитуды вибрации при частотах до 400 Гц. Грузоподъемность промышленных стендов может достигать значений до 1000 кг.
Все механические стенды — низкочастотные, частота ограничена прочностью звеньев передаточного механизма. Многозвенный механизм таких стендов имеет большое количество резонансных частот, оказывающих влияние на режим испытания объектов.
В качестве примера рассмотрим схемы работы механических вибростендов с эксцентриковым и центробежным вибратором.
Рис. 2.27. Схема механического вибростенда с эксцентриковым вибровозбудителем: а – возбудитель с эксцентриковым приводом; б – возбудитель с упругими элементами реактивной массы.
Стенд с эксцентриковым вибровозбудителем (рис. 2.27, а) достаточно прост, но из-за сильной изнашиваемости подшипников стенды, выполненные по такой схеме, применяют для частот, не превышающих 50 — 60 Гц. Амплитуду вибрации регулируют изменением эксцентриситета, частоту — изменением частоты вращения двигателя. Основные преимущества таких стендов — возможность получения очень низких частот, независимость амплитуды от частоты и экономичность.
Недостатком является невозможность получения высоких частот и малых амплитуд (менее 0,1 мм).
Для разгрузки подшипников применяются эксцентриковые стенды, включающие упругие элементы и реактивную массу (рис. 2.27, б). Реактивная масса 2 служит для управления вибрационными силами, действующими на основание. Пружины 1 являются основными. Через упругий элемент 5 осуществляется передача колебаний от эксцентрика 6 с постоянным эксцентриситетом а к платформе 3. Пружины 4 служат для связи элементов вибростенда с основанием. Изменением длины рабочих пружин регулируется амплитуда вибрации платформы.
Колебательную систему стенда с центробежными вибраторами (рис. 2.28, а) составляют пружина 4 и подвижная часть стенда, состоящая из платформы 1 с испытуемым объектом, штока 2 и собственно вибратора 3. В вибратор входят два вращающихся в разные стороны параллельных вала, на которых находятся два стальных сектора (рис. 2.28, б).
Рис. 2.28. Схема механического вибростенда с центробежным вибровозбудителем: а – вибровозбудитель с центробежным приводом; б – несбалансированные секторы
Радиальные оси симметрии секторов в каждой из четырех пар можно сдвинуть относительно друг друга. Тем самым достигается некоторая неуравновешенность, вследствие которой при вращении возникают центробежные силы. Составляющие центробежных сил в направлении, перпендикулярном продольной оси штока, взаимно уничтожаются, а в направлении, совпадающем с продольной осью штока, — складываются, вызывая прямолинейную синусоидальную вибрацию подвижной части стенда, подвешенной на пружине 4 (см. рис. 2.28,б). Амплитуда вибрации регулируется изменением угла между секторами. Частота вибрации, равная частоте вращения вала, регулируется пусковым реостатом.
Электрогидравлические вибростенды
Характерными особенностями электрогидравлических вибростендов является возможность:
- создания больших переменных сил (свыше 106 Н);
- проведения испытаний при частотах до 100 Гц и в отдельных случаях — при частотах до 500 Гц;
- получения больших амплитуд перемещения при испытаниях на низких частотах.
В зависимости от типа задающего механизма различают стенды:
- с гидромеханическим возбуждением;
- с гидроэлектромагнитным возбуждением;
- с гидроэлектродинамическим возбуждением.
Наиболее совершенными являются стенды с гидроэлектродинамическим возбуждением вибрации, в которых электродинамический возбудитель приводит в движение золотник или клапан системы управления, изменяющий давление в основной гидравлической системе. Однако воздействие сложных динамических процессов в жидкости затрудняет получение заданного закона колебаний.
Рассмотрим принципиальную схему работы электродинамического вибрационного стенда (рис. 2.29). Возбудитель вибрации 1 малой мощности жестко связан с управляющим золотником 2 четырех-кромочного типа. Золотник 3 гидравлического усилителя перемещается при изменении давления ру, действующего на торцевые плоскости золотника.
Рис. 2.29. Схема электрогидравлического вибростенда
Во втором каскаде гидравлического усилителя применен поршень 4 дифференциального типа с отношением рабочих площадей 1 : 2. При движении золотника 3 нижняя полость гидроцилиндра попеременно сообщается с полостью высокого давления P0 или со сливной ветвью гидросистемы.
Прямолинейное движение стола обеспечивается специальными центрирующими поясками на штоке, соединенном с поршнем. Обратные связи осуществляются с помощью датчиков ускорения 5 и датчиков скорости 7. Среднее положение стола контролируется с помощью датчика 6 потенциометрического типа.
Пьезоэлектрические вибростенды
Проведение испытаний приборов и датчиков при частотах свыше 10 000 Гц возможно с использованием пьезоэлектрических вибростендов.
Важнейшие особенности вибростендов с пьезоэлектрическим возбуждением вибрации следующие:
- амплитуды перемещения в плоскости крепления испытуемого прибора составляют обычно доли микрометра;
- допускаемая полезная нагрузка мала, а вынуждающая сила только в некоторых конструкциях достигает 10 Н;
- частотный диапазон испытаний составляет 1 — 20 кГц;
- в зоне испытаний отсутствует магнитное поле.
Стенды с пьезоэлектрическим возбуждением вибрации предназначены в основном для точных приборов. Работа таких стендов основана на способности пьезокристалла испытывать деформацию под действием приложенного к нему электрического напряжения. Изменение направления вектора напряженности внешнего поля на противоположное меняет деформацию сжатия на деформацию растяжения (и наоборот). Если напряжение будет синусоидальным, то и деформация также будет происходить по синусоидальному закону.
Рис. 2.30. Схема пьезоэлектрического вибростенда
На рис. 2.30 приведена принципиальная схема пьезоэлектрического стенда, состоящего из нескольких десятков колец 3, изготовленных из титаната бария и склеенных между собой в столбик, закрепленный в специальном зажиме 5. Кольца поляризованы в осевом направлении. К кольцам через усилитель подводят напряжение от генератора 4. К плоскостям столбика приклеены платформы 1 для крепления испытуемых приборов или датчиков 2.
Электромагнитные вибростенды
Вибростенды с электромагнитным возбуждением имеют следующие особенности:
- испытания проводятся на фиксированных частотах 50 и 100 Гц; в отдельных конструкциях возможны испытания с переменными частотами от 15 до 500 Гц;
- возможно проведение испытаний на резонансных режимах с переналадкой механической части стенда;
- получаются значительные вынуждающие силы (до 5 * 104 кН);
- невозможно воспроизвести вибрации по заданной программе (вибрация близка к гармонической только при резонансных режимах);
- конструкция стенда и системы управления относительно проста;
- стенды устойчивы к воздействию внешней среды;
- практически отсутствуют магнитные поля в зоне проведения испытаний.
В практике применяются две основные схемы работы стендов:
- с подмагничиванием постоянным током;
- без подмагничивания.
В первом случае можно получить режим с частотой, равной частоте переменного тока; во втором случае частота колебаний вибростенда удваивается.
Рис. 2.31. Схема электромагнитного вибростенда с одним электромагнитом
На рис. 2.31 представлена схема вибростенда с одним электромагнитом для испытания вибрацией, возбуждаемой в вертикальном направлении при работе в резонансных режимах. Электромагнит 7, установленный на упругом основании 2, взаимодействует с подвижной системой стенда; она состоит из стола с изделием 3 и упругих элементов 4. Настройка на резонанс осуществляется изменением длины элемента 4 путем перестановки опор или изменением массы стола с помощью дополнительных грузов. Возможна также замена упругих элементов.
Резонансные (камертонные) вибростенды
Для получения высоких значений ускорений применяют стенды с резонансными возбудителями колебаний. Такие возбудители представляют собой балку или камертон, колебания которых с резонансной частотой поддерживаются специальным электромагнитным устройством.
Рис. 2.32. Схема резонансного (камертонного) вибростенда
Стенд (рис. 2.32) состоит из восьми специальных камертонов, имеющих собственные частоты от 200 до 3000 Гц. Концы обеих ветвей каждого камертона 1 (на схеме изображен только один камертон №1) помещены в магнитное поле торцевой системы возбуждения, состоящей из двух звуковых катушек 2 и катушки подмагничивания 3, установленных на Ш-образном сердечнике 4. При питании катушки подмагничивания постоянным током, а звуковых катушек — переменным током от звукового генератора сила, образующаяся при взаимодействии магнитных полей, заставляет ветви камертона колебаться с частотой переменного тока. В момент резонанса амплитуда колебаний достигает максимума. Одинаковые испытуемые приборы симметрично крепятся на концах ветвей камертона.
Пневматические вибростенды
Вибростенды, использующие энергию сжатого воздуха, имеют следующие преимущества:
- возможность работы во взрывоопасных условиях;
- относительно несложное регулирование амплитуды и частоты вибрации с помощью простой дроссельной установки;
- широкий диапазон возможных частот (верхний предел 500 —800 Гц);
- широкий диапазон изменения амплитуд и сил.
Рис. 2.33. Схема вибровозбудителя с пульсатором
Преобразование пульсирующего давления в переменную силу реализуют следующие устройства: пневмокамеры; поршень-цилиндр; мембраны; элементы из высокоэластичного материала.
В качестве примера рассмотрим вибровозбудители с использованием мембраны (рис. 2.33). Мембраны изготавливают главным образом из резинотканевых материалов. У металлических мембран делают гофры специального профиля. Для возвращения мембраны в исходное положение служат дополнительные пружины 5. Мембрана 1 соединена со штоком 2 с помощью металлических фланцев 3 и 4.
Магнитострикционные вибростенды
Принцип действия магнитострикционных вибраторов основан на изменении размеров ферромагнитного тела при внесении его в магнитное поле.
Рис. 2.34. Схема магнитострикционного стенда
Принципиальная схема механической части стенда (рис. 2.34) состоит из трех основных частей: магнитострикционного вибратора 1, концентратора 2, помещенных в жидкости 8, 11, и испытуемого образца 3. Собственная частота продольных колебаний всех этих деталей одинакова и равна рабочей частоте стенда. Вибратор, концентратор и образец являются полуволновыми элементами, и при жестком соединении их образуется система, хорошо резонирующая на третьем тоне (третьей гармонике) продольных колебаний.
Возбудителем этих колебаний является вибратор 1, использующий явление магнитострикции, суть которого состоит, в изменении линейных размеров магнитострикционного стержня, помещенного в магнитное поле, в соответствии с изменениями этого поля.
Для создания переменного магнитного поля в стержнях вибратора к его обмоткам подводится переменный ток, частота которого равна рабочей частоте установки. При этом вибратор работает в резонансном режиме. Амплитуда колебаний максимальна на его торцах (здесь пучность смещений) и равна нулю посередине (здесь узел). Мощность, снимаемая с вибратора, тем больше, чем больше амплитуда его колебаний и площадь торца. Чтобы эффективно передать эту мощность на образец, у которого площадь торца значительно меньше площади торца вибратора, необходимо применить согласующий стержень — концентратор 2.
Концентратор является полуволновым стержнем переменного сечения, расположенного в корпусе 7, пучности смещений находятся на его торцах; узловое сечение концентратора (где имеется фланец 9) используется для крепления его (и всей системы) на опорной плите 10.
Условия передачи концентратором колебательной энергии от вибратора к образцу определяются отношением площадей его торцов, формой образующей и материалом концентратора. На тонком конце сужающегося концентратора происходит концентрация энергии, проявляющаяся в том, что амплитуда колебаний торца с малой площадью значительно превосходит амплитуду колебаний торца вибратора, так как вибратор жестко соединен с концентратором. Таким образом, концентратор является своеобразным усилителем амплитуды колебаний вибратора.
Образец жестко закрепляется на торце концентратора при помощи резьбового соединения 6. Так как собственная частота продольных колебаний образца равна частоте колебаний системы вибратор — концентратор, легко устанавливается резонансный режим колебаний, и при этом в материале образца развиваются значительные механические напряжения, достигающие предела выносливости или превосходящие его в зависимости от мощности, подводимой к вибратору. Максимум этих напряжений находится в узле колебаний (пучность деформаций), расположенном в средней (по длине) части образца. Измеряя амплитуду колебаний торца образца датчиком 4, можно рассчитать напряжения в опасном сечении образца. Вспомогательный узел 5 обеспечивает тот или иной тепловой режим или среду во время испытаний образца. Необходимая частота и амплитуда колебаний образца поддерживаются специальными электронными устройствами.
Чаще всего магнитострикционные вибраторы применяются в резонансном режиме, когда частота возбуждающего поля равна собственной частоте упругих колебаний сердечника.
Магнитострикционные вибраторы используются в автоколебательных системах с вынужденным режимом работы для испытаний на высоких частотах (30 кГц и выше) небольших деталей и образцов материалов, когда требуется возбуждать небольшие усилия при малых перемещениях, составляющих доли миллиметра.
Электродинамические вибростенды
Электродинамические вибростенды применяются в тех случаях, когда при вибрационных испытаниях необходимо обеспечить следующие условия:
- большие амплитуды вынуждающей силы;
- широкий частотный диапазон;
- слабые магнитные поля в зоне испытаний;
- воспроизведение вибрации различного типа (гармонической, случайной, по заданной программе);
- малый коэффициент нелинейных искажений;
- строгую направленность создаваемой вибрации;
- возможность изменения направления вибрации.
В корпусе электромагнита 3, выполненного из электротехнической стали, помещается бескаркасная катушка подмагничивания 2.
Корпус электромагнита 3 и кольцо 7 составляют магнитопровод вибратора. Каркас подвижной катушки 8 выполнен из стеклотекстолита. Стол стенда 5 выполнен из магнитного сплава.
Рис. 2.35. Схема электродинамического вибростенда
Вся подвижная система — катушка 8, шток 6, стол 5 и испытуемое изделие 4 — подвешивается на двух упругих мембранах 1, которые центрируют подвижную катушку и всю систему в воздушном зазоре магнитопровода.
В вибраторе использована электродинамическая приводная система, состоящая из электромагнита с кольцевым воздушным зазором и подвижной системы, подвешенной на двух упругих мембранах.
Электромагнит представляет собой магнитопровод с катушкой подмагничивания, по которой пропускается постоянный ток, создающий постоянное магнитное поле. При пропускании через катушку 8 переменного тока от задающего генератора образуется переменное магнитное поле. В результате взаимодействия постоянного и переменного магнитных полей возникает переменная сила, заставляющая всю подвижную систему совершать колебания в соответствии с направлением этой силы.
Если по обмотке подвижной катушки пропускать синусоидальный ток, то колебания стола вибратора будут иметь синусоидальную форму; частота колебаний стола определяется частотой тока в подвижной катушке.
Амплитуда виброускорений, создаваемых вибратором, зависит от тока неподвижной катушки и массы испытуемого изделия.
В комплекс аппаратуры, определяющей работу вибрационного стенда, входят следующие устройства:
- задающий генератор электрических колебаний;
- усилитель мощности;
- согласующий трансформатор;
- автоматический регулятор уровня;
- система узкополосных фильтров;
- вибродатчики;
- виброизмерительная аппаратура;
- магнитофон;
- анализирующая и регистрирующая аппаратура.
33. Испытания на воздействие линейных ускорений .Линейные ускорения и виды испытаний. Условия испытаний и применяемое оборудование. Средства измерения линейных ускорений
Линейные ускорения и виды испытаний
При движении наземных транспортных средств, в летательных аппаратах, во вращающихся деталях механизмов, в ракетах и снарядах во всех движущихся объектах возникают линейные ускорения. Линейные ускорения могут возникать при прямолинейном, криволинейном и вращательном движениях.
Воспроизведение линейных ускорений в процессе испытаний достигается с помощью вращательного движения, создаваемого центрифугами.
Можно показать, что возникающее при указанном перемещении точки приращение вектора скорости приводит к возникновению нормального (центростремительного) ускорения an , вектор которого направлен к центру окружности, а модуль определяется формулой
an=V2/ R = ω2R, (5.1)
где V – скорость точки;
R – расстояние от точки до оси вращения (радиус траектории);
ω – угловая скорость.
Очевидно, что чем больше искривлена траектория движения, т.е. чем меньше R, тем больше аn при неизменной скорости.
Вектор полного ускорения при вращательном движении определяется суммой двух векторов – нормальной и тангенциальной составляющих аn+аt (рис. 5.1).
Рис. 5.1.
При равномерно ускоренном движении вектор аt , называемый тангенциальным (касательным) ускорением, направлен в сторону движения (совпадает с направлением скорости). При равномерно замедленном движении аt направлен в сторону, противоположную направлению движения (скорости).
В общем случае модуль полного ускорения
(5.2)
Различные точки изделия во вращающейся системе отсчета обладают различными по значению и направлению ускорениями, в результате чего в них под действием линейного ускорения возникают перегрузки N:
N = a / g, (5.3)
где g – ускорение свободного падения.
Для воспроизведения линейных ускорений, действующих на различные изделия в условиях реальной эксплуатации, целесообразно при проведении лабораторных испытаний осуществлять вращательное движение с помощью центрифуг.
Целью лабораторных испытаний является проверка способности изделий выполнять свои функции в процессе воздействия линейных ускорений или выдерживать условия испытаний. Испытания могут также использоваться для оценки качества конструкции и структурной прочности элементов.
Так, например, ряд изделий электронной техники проверяют при очень высоких уровнях воздействующего ускорения, существенно превышающих реальные условия эксплуатации, для обнаружения возможных механических дефектов конструкции.
Условия испытаний и применяемое оборудование
Воздействие линейных ускорений на различные изделия в процессе проведения лабораторных испытаний осуществляется с помощью специальных центрифуг, создающих в горизонтальной плоскости радиально направленные ускорения. В зависимости от режима испытаний, а также габаритных размеров и массы испытуемых изделий применяют различные центрифуги, входящие в конструкцию соответствующих установок.
Следует иметь в виду, что структурные схемы установки могут различаться в зависимости от выбора привода, построения системы автоматического регулирования, используемого преобразователя и т.д.
Рассмотрим основные конструкции применяемых центрифуг. Простейшая установка для воспроизведения линейных ускорений (рис. 5.2) имеет центрифугу открытого типа. В комплект установки помимо центрифуги также входит стойка 1 с блоками управления.
Стол (платформа) 3 центрифуги приводится во вращение электродвигателем 6 через редуктор 5. Стол центрифуги имеет резьбовые отверстия 4, обеспечивающие крепление изделий или приспособлений.
Рис. 5.2.
Столы должны обладать высокой механической прочностью и жесткостью, исключающей их вибрацию. Для уменьшения аэродинамического сопротивления плоскость стола должна быть горизонтальной. Для обеспечения испытаний изделий в рабочем состоянии под электрической нагрузкой предусмотрено токосъемное устройство, в конструкцию которого входит коллектор 2 с токоподводами, оканчивающимися штепсельными колодками. Центрифуги должны иметь приспособления для статической и динамической балансировки.
Классификацию центрифуг можно проводить по следующим признакам:
• по назначению - для испытаний на линейные перегрузки, для испытаний на комбинированное воздействие факторов окружающей среды;
• по типу привода - с электрическим приводом и с гидравлическим приводом;
• по развиваемому линейному ускорению условно различают следующие категории: А - до 200 м/с2; Б - до 500 м/с2; В - до 1000 м/с2; Г – до 2000 м/с2; Д - свыше 2000 м/с2;
• по конструкции - открытого и камерного типа, с неповоротным и поворотным столом;
• по грузоподъемности - малые (до 10 кг), средние (до 50 кг), тяжелые (до 100 кг) и сверхтяжелые (свыше 100 кг).
Основными параметрами, характеризующими центрифуги, являются следующие:
1) максимальное линейное ускорение;
2) диапазон линейных ускорений на заданном радиусе вращения;
3) отклонение линейного ускорения от заданного значения. При линейных размерах изделия меньше 10 см не должно превышать 10%. В других случаях ускорение должно находиться в пределах -10%...+30% заданного значения;
4) длительность (или продолжительность) воздействия линейных ускорений в процессе испытаний. При испытаниях наиболее критично действие во время нарастания ускорения, поэтому сама длительность воздействия с заданным линейным ускорением может быть небольшой.
В зависимости от условий эксплуатации целесообразно предусматривать форму (закон) изменения линейного ускорения во времени. Наибольшее распространение имеют трапецеидальная и колоколообразная формы (рис. 5.3). При воспроизведении нагрузки трапецеидальной формы с резким нарастанием и спадом (τн, τс,) импульса возникают определенные трудности по обеспечению быстрого разгона и торможения.
Рис. 5.3.
5) длительность разгона (нарастания) τн, и торможения (спада) τс; фронта нагрузки должно удовлетворять условию
где n – частота вращения центрифуги, мин-1.
Для испытаний изделий электронной техники наибольшее применение получили установки с центрифугами камерного типа, характеризующиеся тем, что в них стол (в дальнейшем ротор) размещается в рабочей камере центрифуги.
Особенностью указанных центрифуг является необходимость воспроизведения больших значений ускорений, а следовательно, частоты вращения. В связи с этим, для уменьшения трения ротора о воздух, в результате чего ротор нагревается, в рабочей камере создается вакуум, а также предусматривается охлаждение.
Возможно создание программных центрифуг, в которых вращение вала, изменяющееся по заданному закону, воспроизводит входное (управляющее) воздействие. Одним из основных узлов такой центрифуги является следящий привод с электродвигателем постоянного тока, имеющий широкий диапазон регулирования угловой скорости и относительно высокий КПД, позволяющий производить плавную регулировку угловой скорости в определенных пределах с заданной точностью.
Средства измерения линейных ускорений
При выборе средств измерений линейного ускорения необходимо исходить из значений параметров и характеристик испытательных режимов, которые следует определять в процессе испытаний.
Линейные ускорения чаще всего воспроизводятся с помощью центрифуги, т.е. при вращательном движении, при этом линейное ускорение зависит от расстояния изделия до центра вращения стола и от частоты вращения.
Во всяком случае, задачей измерений является определение частоты вращения при вращательном движении. Приборы, применяемые для измерения частоты вращения, получили название тахометров. На рис. 5.4 приведена еще одна схема измерения частоты вращения фотоэлектрическим волоконно-оптическим методом. На столе центрифуги нанесены метки 1.
Рис. 5.4.
От источника света 2 световой поток по световоду 3 поступает к объективу 4, фокусируется на метках, и отразившись от стола, по световоду 5 поступает в фотоприемник 6 и далее – на измерительный прибор 7 с процессором.
При вращении указанные метки будут осуществлять модуляцию отраженного светового потока и на выходе фотоприемника будет формироваться частотно-модулированный сигнал, содержащий информацию о частоте вращения, которая будет оцениваться измерительным прибором.
34. Испытания на надежность. Цель испытаний. Категории испытаний. Источник информации и надежности.
Методы испытания на надежность в зависимости от цели делят на определительные (исследовательские) и контрольные.
Цель определительных испытаний на надёжность — нахождение фактических значений показателей надежности и при необходимости параметров законов распределения таких случайных величин, как время безотказной работы, наработка между отказами, время восстановления и др.
Цель контрольных испытаний — проверка соответствия фактических значений показателей надежности требованиям стандартов, технических заданий и технических условий, т. е. принятие решения типа «да — нет» о соответствии или несоответствии надежности системы предъявляемым требованиям (не говоря более конкретно о том, чему равно значение показателя надежности).
Кроме оценки показателей надежности, целями испытаний обычно являются: изучение причин и закономерностей возникновения отказов; выявление конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, влияющих на надежность; выявление наименее надежных элементов, узлов, блоков, технических средств; разработка мероприятий и рекомендаций по повышению надежности; уточнение продолжительности и объема технического обслуживания, количества запасных частей и др.
Испытания на надежность можно проводить в лабораторных (стендовых) и эксплуатационных условиях. Испытаниям в лабораторных условиях обычно подвергаются технические средства и некоторые локальные системы. Эти испытания выполняют на заводах-изготовителях или в организациях-разработчиках технических средств, они могут быть как определительными, так и контрольными. При лабораторных испытаниях можно имитировать воздействия внешней среды на систему, в первую очередь условия эксплуатации. Для этого служат специальные установки: термокамеры для изменения температуры, барокамеры для изменения давления, вибростенды для создания вибраций и т. д.
Лабораторные испытания на надёжность могут проходить при тех же воздействиях (температуре, влажности, вибрации и т. д.) и режимах работы, которые обычно имеют место при эксплуатации. Иногда с целью быстрейшего получения показателей надежности устанавливают более тяжелые, форсированные условия и режимы работы по сравнению с эксплуатационными. Такие испытания называют ускоренными.
Ускорение испытаний возможно, если при форсировании не искажается процесс естественного старения и износа, протекающий при нормальном режиме, если распределения изменений выходного параметра испытываемого изделия при нормальном и форсированном режимах аналогичны, а также близко разделение отказов по их причинам. Ускоряющими факторами могут быть механические воздействия, температура, электрическая нагрузка и др. Ускоренные испытания на надёжность обычно проводятся для серийных технических средств и их элементов, выпускаемых в течение длительного времени по стабильной технологии.
Испытания надежности в условиях эксплуатации заключаются в сборе и обработке информации о поведении АСУ ТП и их элементов и о воздействии внешней среды при опытной и (или) промышленной эксплуатации АСУ ТП совместно с действующим технологическим объектом управления. Эти испытания обычно являются определительными. Отметим, что для АСУ ТП в целом, ряда функций и для некоторых технических средств, например импульсных линий с арматурой и первичными отборными устройствами, соединительных линий с клеммными переходами, испытания в условиях эксплуатации являются практически единственным способом экспериментального определения показателей надежности.
Оба метода испытаний на надёжность — эксплуатационные и лабораторные — дополняют друг друга. Так, преимуществами эксплуатационных испытаний по сравнению с лабораторными являются: естественный учет влияния воздействий внешней среды, например температуры, вибрации, квалификации оперативного и ремонтного персонала и др.; низкая стоимость испытаний, так как их проведение не требует ни дополнительных затрат на оборудование, имитирующее условия эксплуатации, на обслуживание испытываемых изделий, ни расхода их ресурса; наличие большого числа однотипных образцов испытываемых локальных систем и средств, часто имеющихся на одном объекте, что позволяет в сравнительно короткие сроки получить статистически достоверную информацию.
Недостатками эксплуатационных испытаний на надёжность по сравнению с лабораторными являются: невозможность проводить активный эксперимент, изменяя по желанию экспериментатора параметры внешней среды АСУ ТП (вследствие чего эти испытания часто называют наблюдениями или подконтрольной эксплуатацией); ниже достоверность информации; меньше оперативность информации, так как начало ее получения может иметь место только после изготовления всех технических средств, монтажа и наладки АСУ ТП.
Исходной информацией для статистического исследования, на основании которого должны быть сделаны выводы о показателях надежности, служат результаты наблюдений. Однако эти результаты могут быть разными для одних и тех же систем в зависимости от того, каким образом они были получены. Например, можно поставить на исследование одну восстанавливаемую систему и испытывать ее до получения n-го отказа, регистрируя наработки между отказами.
Поскольку проведение испытаний на надежность (особенно лабораторных) связано со значительными затратами средств, то планирование испытаний включает в себя определение объема выборки и критериев завершения испытаний исходя из заданной точности и достоверности их результатов. Формируют выборку таким образом, чтобы результаты ее испытаний могли быть распространены на совокупность систем или средств. Например, при лабораторных испытаниях на заводе-изготовителе образцы для испытаний выбирают из числа принятых отделом технического контроля и прошедших приработку; для формирования выборки используют таблицу случайных чисел.
Во время испытаний проводятся техническое обслуживание, периодические проверки функционирования, измерение параметров, определяющих отказы.
Отметим, что кроме расчетных и экспериментальных методов оценки показателей надежности имеют место и расчетно-экспериментальные методы. Такие методы применяют, если по техническим, экономическим и организационным причинам невозможно или нецелесообразно применять экспериментальные методы, например для систем, которые нельзя испытывать в полном объеме. Расчетно-экспериментальные методы рекомендуется применять тогда, когда это позволяет существенно сократить необходимый объем информации (например, при расчетной оценке показателей надежности функций АСУ ТП по экспериментальным данным о надежности технических средств, участвующих в реализации этой функции).
Задачи и методы испытаний
Основные виды испытаний на надежность — определительные и контрольные. Кроме них в ряде случаев проводятся испытания с целью прогнозирования надежности и технического состояния электрических машин.
Определительные испытания проводятся для нахождения фактических количественных показателей надежности после окончательного освоения машины производством или после ее модернизации на опытных образцах, изготовленных по серийному технологическому циклу. При определительных испытаниях оцениваются законы распределения отказов и параметры этих законов. Результаты определительных испытаний служат для оценки соответствия фактических показателей надежности техническим условиям.
Контрольные испытания на надежность проводятся для контроля соответствия количественных показателей надежности требованиям стандартов или ТУ. Контрольные испытания проводятся периодически в сроки, установленные стандартами или ТУ на данную электрическую машину.
Машину испытывают при номинальных уровнях воздействующих факторов: номинальных нагрузке и температуре окружающей среды, ее химическом составе, уровне вибрации и нагрузки на подшипники, числе пусков, реверсов и торможений. Через время, эквивалентное одному году работы, проводится увлажнение обмоток в камере влажности с последующим воздействием росы, что эквивалентно переходу машины из рабочего состояния в нерабочее в процессе нормальной эксплуатации.
Ресурс современных электрических машин составляет 20 — 50 тыс. ч, а это значит, что проведение испытаний может затянуться на 5 —10 лет. За это время информация о результатах испытаний может устареть. Ускорение испытаний может быть достигнуто за счет форсирования (ужесточения) режимов: повышения температуры, уровня вибрации, числа пусков, нагрузки на подшипники.
Основное требование, предъявляемое к ускоренным испытаниям, — идентичность процессов старения и износа по отношению к испытаниям в нормальных условиях, что означает идентичность законов распределения отказов.
Методы проведения контрольных испытаний отражены в ГОСТ.
Основная задача испытаний по прогнозированию — предсказать количественные характеристики надежности машины в будущем, предвидеть ресурс, остаточный ресурс, вероятность безотказной работы и т. д. Различают групповое и индивидуальное прогнозирование.
К информации о надежности относится также диагностика. Цель диагностики — определение работоспособности машины в данный момент времени и выявление дефектов ее отдельных узлов.
Контрольные испытания
Конечным результатом контрольных испытаний на надежность является одно из двух решений: принять партию машин, считая их надежность удовлетворяющей требованиям стандартов (ТУ или технических заданий), или забраковать данную партию машин как ненадежную.
Контрольные испытания на надежность представляют собой выборочный контроль, поэтому при принятии решения возможны ошибки двух видов: ошибка первого рода (бракуется хорошая партия) и ошибка второго рода (принимается плохая партия). Вероятность ошибки первого рода а называется риском изготовителя, ошибка второго рода Р — риском заказчика (потребителя).
Из трех основных методов статистического контроля надежности легче всего планируется контроль по методу однократной выборки.
Однако с точки зрения объема выборки изделий, необходимых для проведения испытаний, этот метод наименее экономичен. Контроль по методу двукратной выборки более экономичен, хотя это его преимущество проявляется лишь при контроле больших партий с очень низкой или очень высокой надежностью. При этом увеличивается время испытаний и усложняются расчеты по сравнению с методом однократной выборки. Наиболее экономичен метод последовательного анализа, при котором средний объем выборки составляет 50 — 70% объема при использовании метода однократной выборки. Время испытаний оказывается большим, чем в двух предыдущих методах.
Методика контрольных испытаний на надежность, проводимых периодически, в самом общем случае должна содержать перечень показателей надежности, подлежащих контролю, а также следующие данные по каждому конкретному показателю надежности:
- приемочный уровень Ра и браковочный уровень Рр;
- риск заказчика Р и риск изготовителя а;
- метод проведения испытаний;
- план испытаний;
- перечень параметров, характеризующих состояние изделия;
- условия испытаний (уровень воздействующих факторов и их значения, последовательность и продолжительность их воздействия и др.);
- решающее правило (приемка или отбраковка партии машин).
Контрольные испытания могут проводиться ускоренным методом, если определены коэффициенты ускорения, а также сам режим ускоренных испытаний. Методика контрольных испытаний рассчитана на подтверждение вероятности безотказной работы машины за время г, т. е. Р (г). Периодичность контроля качественных показателей надежности устанавливается в ТУ. Комплектование выборки производится методом случайных чисел с использованием соответствующих таблиц.
Образцы для проведения контрольных испытаний отбираются из числа принятых ОТК завода с обязательным прохождением приработки. Испытания рекомендуется проводить круглосуточно, во время испытаний проводятся профилактические и регламентные работы, предусмотренные инструкциями по эксплуатации. Испытания являются циклическими. Желательно проводить испытания в форсированном (ускоренном) режиме.
Перед проведением испытаний должны быть известны риск заказчика р и вероятность безотказной работы P(t).
Определительные испытания
Эти испытания проводятся для определения реального уровня надежности электрических машин. Испытаниям подвергается выборка из генеральной совокупности. Исчерпывающей характеристикой надежности технических изделий является закон распределения вероятности безотказной работы, по которому можно легко определить любую интересующую нас характеристику надежности.
По результатам испытаний могут быть получены точечные оценки параметра и интервальные оценки.
Полученные по отказам изделий данные подвергаются статистической обработке, в результате которой решаются следующие задачи:
1) определение вида функции плотности распределения или интегральной функции распределения;
2) вычисление параметров полученного распределения;
3) установление с помощью критериев согласия степени совпадения экспериментального распределения с теоретическим;
4) определение параметров надежности исследуемых изделий.
Наиболее известными и распространенными теоретическими распределениями являются: экспоненциальное, нормальное, логарифмически нормальное, распределение Вейбулла и гамма-распределение. Поэтому при определении вида распределения аппроксимируют экспериментально полученные характеристики этими законами и выбирают из них наиболее совпадающий с экспериментальным.
При проверке экспоненциального закона используется бумага с равномерной шкалой по оси времени t (по оси обсцисс) и логарифмической шкалой по оси ординат. При проверке нормального закона шкала по оси абсцисс остается равномерной, а по оси ординат используется шкала, соответствующая нормальному закону. При проверке логарифмически нормального закона по оси абсцисс используется логарифмическая шкала, по оси ординат — шкала, соответствующая нормальному закону. При проверке закона Вейбулла используются специальные шкалы.
После нанесения экспериментальных точек на бумагу проводится проверка, состоящая в определении возможности линейной интерполяции экспериментальных данных, определении наибольшего отклонения D и проверке по критерию согласия Колмогорова.
Прямую проводят так, чтобы отклонения экспериментальных точек от нее были минимальным, а сами точки располагались по обе стороны от прямой.
Наибольшее отклонение определяется сравнением отклонений по оси ординат экспериментальных точек от прямой при различных значениях времени.
Диагностика и прогнозирование технического состояния электрических машин
Цель диагностики — определение работоспособности электрической машины в данный момент времени и выявление дефектов ее отдельных узлов. Важно не только определение характера дефекта, но и точного места его нахождения. На базе данных, получаемых при диагностических испытаниях, делается вывод о соответствии машины ТУ и о тех мерах, которые необходимо предпринять для того, чтобы машина соответствовала этим условиям. Кроме того, диагностика дает данные, необходимые для осуществления ремонтных работ или изменения характера эксплуатации.
Вопросы диагностики тесно связаны с критериями работоспособности электрических машин, анализ которых позволяет поставить диагноз о техническом состоянии электрической машины. Сказанное не означает, что все критерии работоспособности являются диагностическими параметрами. Необходимо выявить наиболее информативные (в смысле выявления и обнаружения дефектов и их расположения) из критериев работоспособности и из электромагнитных параметров электрических машин (напряжение, ток, момент и др.). Для каждых типа машин, класса напряжения и мощности информативность тех или иных параметров работоспособности изменяется, и поэтому критерии работоспособности должны определяться в каждом конкретном случае.
Прогнозирование технического состояния означает определение будущего состояния электрической машины на основании изучения тех факторов, от которых это состояние зависит. Прогнозирование может осуществляться как в процессе разработки, так и в период эксплуатации машины. В последнем случае целью прогнозирования является своевременное обнаружение неблагоприятного состояния машины и разработка рекомендаций по повышению уровня его надежности.
Основополагающим принципом прогнозирования является использование прошлого опыта. Информация о машине (априорная) является базой для процесса прогноза и получения оценок в будущем (апостериорные оценки).
Прогноз можно понимать как получение апостериорной оценки некоторого качества исследуемого явления на основе априорных сведений о прошлом и настоящем. Априорная информация является единственным основанием для определения модели исследуемого явления — детерминированной или стохастической.
В период эксплуатации апостериорной оценкой является надежность машины после проведения контроля ее состояния. Надежность, рассчитанная на предыдущем этапе, является априорной, а контроль рассматривается как опыт, по результатам которого оценивается апостериорная надежность. Таким образом, вычислению прогнозируемой характеристики всегда должны предшествовать опыт, эксперимент, данные которого используются совместно с априорной информацией. Это обстоятельство и отличает прогноз от расчета.
Различают прогнозирование технического состояния и прогнозирование надежности. В первом случае дается прогноз технических параметров машины либо эти параметры относятся к тому или иному классу, а также дается прогноз отказов машины. Во втором случае дается прогноз количественных показателей надежности машины на основе прогнозирования постепенных и внезапных отказов.
Прогнозирование может быть групповым и индивидуальным. К методам группового прогнозирования можно отнести статистическую оценку срока службы однотипных изделий на основе результатов контрольных и определительных испытаний на надежность. В этом случае путем обработки результатов испытаний некоторого числа изделий на срок службы вычисляется количественная среднеквадратичная оценка срока службы всей партии электрических машин. К достоинствам метода индивидуального прогнозирования относится возможность оценки надежности каждой конкретной машины.
К решению задачи прогнозирования существуют два подхода — детерминированный и стохастический. В первом случае задача сводится к отысканию аппроксимирующего выражения, во втором в качестве прогнозируемой характеристики принимается реализация случайной величины, определяющая интервал времени от момента контроля до первого пересечения поля допуска прогнозируемой величины. Поскольку процессы износа, старения и разрегулирования электрических машин, обусловливающие развитие постепенных отказов, являются случайными величинами, более общий характер носит стохастический подход.
Решение задачи прогноза выполняется в виде реализации следующих последовательных этапов:
разработка модели исследуемого процесса и ее математическое описание;
получение данных контроля и использование их для определения исследуемого процесса (построение апостериорного процесса);
вычисление необходимых апостериорных характеристик процесса.
В настоящее время разрабатывается третий метод прогнозирования — метод распознавания образов. Метод предполагает разбиение всей группы изделий на несколько классов (групп) в соответствии с признаками каждого класса. Между классами устанавливаются строгие границы. Процесс создания образа разбит на три этапа: «обучение», создание образа, «экзамен». Процесс индивидуального прогнозирования надежности методом распознавания образов сводится к отнесению данной электрической машины к тому или иному классу на основании критериев работоспособности, причем для каждого класса должны быть априорно известны показатели надежности и технические характеристики.
Выбор показателей работоспособности
При проведении различных испытаний на надежность, а также при решении задач диагностики и прогнозирования надежности электрических машин всегда необходимо знать техническое состояние исследуемого узла или машины в целом в данный момент времени. Это осуществляется с помощью критериев работоспособности. Применительно к задачам диагностики показатели технического состояния называются диагностируемыми параметрами.
При проведении испытаний перед исследователем стоит противоречивая задача. С одной стороны, отсутствует единый информативный показатель, полностью характеризующий работу отдельного узла электрической машины. С другой стороны, фиксация (наблюдение) большого числа показателей, характеризующих работоспособность, резко удорожает эксперимент и наталкивается на определенные технические трудности.
Это противоречие на практике обычно разрешается следующим образом: из всей совокупности показателей работоспособности данного узла выбираются наиболее информативные, т. е. наиболее полно описывающие его работу, причем число этих показателей обычно не превышает двух-трех. В настоящее время для выбора информативных показателей используется метод экспертных оценок.
Этот метод отличается от других формализованных методов определения значимости критериев тем, что не требует проведения специального эксперимента и достаточно прост в обработке. Метод основан на использовании опыта и интуитивных догадок экспертов. Иными словами, экспериментальные данные в этом методе заменяются априорной информацией, накопленной группой экспертов в процессе их самостоятельной работы. В основе корректных методов экспертных оценок лежат пять исходных условий группового выбора решений:
- универсальность, понимаемая в смысле наличия достаточного разнообразия возможностей выбора экспертов;
- наличие положительных связей общественных и индивидуальных предпочтений;
- независимость несвязанных альтернатив;
- наличие суверенности экспертов;
- отсутствие диктаторства.
При всей привлекательности метода экспертных оценок он остается субъективным, и при решении других задач надежности желательно по возможности использовать объективные методы выделения доминирующих факторов. Так, при организации испытаний на надежность необходимо подвергать электрические машины воздействию большого количества факторов в соответствии со стандартами или ТУ на эти машины. Однако практическая реализация на испытательных стендах всех факторов одновременно часто невозможна. В этом случае выделение основных (существенных) воздействующих факторов с достаточно высокой степенью достоверности и объективности производится с помощью методов планирования эксперимента.
35. Испытания электрооборудования. Измерение сопротивления изоляции. Испытание повышенным напряжением промышленной частоты. Измерение сопротивления постоянному току.
Цель испытаний электрооборудования — проверка соответствия требуемым техническим характеристикам, установление отсутствия дефектов, получение исходных данных для последующих профилактических испытаний, а также изучение работы оборудования. Различают следующие виды испытаний: 1) типовые; 2) контрольные; 3) приемосдаточные; 4) эксплуатационные; 5) специальные.
Измерение сопротивления изоляции с помощью мегомметра
Перед началом измерений необходимо убедиться, что на испытываемом объекте нет напряжения, тщательно очистить изоляцию от пыли и грязи и на 2 - 3 мин заземлить объект для снятия с него возможных остаточных зарядов. Измерения следует производить при устойчивом положении стрелки прибора. Для этого нужно быстро, но равномерно вращать ручку генератора. Сопротивление изоляции определяется показанием стрелки прибора мегомметра. После окончания измерений испытываемый объект необходимо разрядить. Для присоединения мегомметра к испытываемому аппарату или линии следует применять раздельные провода с большим со противлением изоляции (обычно не меньше 100 МОм).
Перед пользованием мегомметр следует подвергнуть контрольной проверке, которая заключается в проверке показания по шкале при разомкнутых и короткозамкнутых проводах. В первом случае стрелка должна находиться у отметки шкалы «бесконечность», во втором — у нуля.
Для того чтобы на показания мегомметра не оказывали влияния токи утечки по поверхности изоляции, особенно при проведении измерений в сырую погоду, мегомметр подключают к измеряемому объекту с использованием зажима Э (экран) мегомметра. При такой схеме измерений токи утечки по поверхности изоляции отводятся в землю, минуя обмотку логометра.
Значение сопротивления изоляции в большой степени зависит от температуры. Сопротивление изоляции следует измерять при температуре изоляции не ниже + 5°С, кроме случаев, оговоренных специальными инструкциями. При более низких температурах результаты измерения из-за нестабильного состояния влаги не отражают истинной характеристики изоляции.
В некоторых установках постоянного тока (аккумуляторных батареях, генераторах постоянного тока и т. п.) можно контролировать изоляцию с помощью вольтметра с большим внутренним сопротивлением (30 000 - 50 000 Ом). При этом измеряют три напряжения - между полюсами (U) и между каждым из полюсов и землей.
Рис. 1. Схема измерения сопротивления изоляции: а – электродвигателя; б – кабеля; 1 – клеммный щиток; 2 – выводы катушки; 3 – металлическая защита (оболочка); 4 – изоляция; 5 – экран; 6 – токопроводящая жила
Испытание изоляции повышенным напряжением позволяет убедиться в наличии необходимого запаса прочности изоляции, отсутствии местных и общих дефектов, не обнаруживаемых другими способами.
Испытанию изоляции повышенным напряжением должны предшествовать тщательный осмотр и оценка состояния изоляции другими методами, описанными ранее. Изоляция может быть подвергнута испытанию повышенным напряжением только при положительных результатах предшествующих проверок.
Изоляция считается выдержавшей испытание повышенным напряжением в том случае, если не было пробоев, частичных разрядов, выделений газа или дыма, резкого снижения напряжения и возрастания тока через изоляцию, местного нагрева изоляции.
В зависимости от вида оборудования и характера испытания изоляция может быть испытана приложением повышенного напряжения переменного тока или выпрямленного напряжения. В тех случаях, когда испытание изоляции производится как переменным, так и выпрямленным напряжением, испытание выпрямленным напряжением должно предшествовать испытанию переменным напряжением.
Испытание повышенным напряжением промышленной частоты
Испытание внутренней изоляции трансформатора должно производиться, как правило, на собранных трансформаторах (установлены постоянные вводы, залито масло, крышки трансформатора закрыты на болты).
Перед испытанием производится проверка сопротивления изоляции мегаомметром. Трансформаторное масло для вновь вводимых трансформаторов должно соответствовать нормам (см. табл. 2.14).
Испытанию повышенным напряжением промышленной частоты подвергается изоляция обмоток трансформатора вместе с вводами. Испытательные напряжения приведены в табл. 2.6. Продолжительность приложения нормативного испытательного напряжения 1 мин.
Испытание повышенным напряжением изоляции обмоток маслонаполненных трансформаторов не обязательно.
Испытание сухих трансформаторов обязательно и производится по нормам табл. 2.6 для аппаратов с облегченной изоляцией.
Импортные трансформаторы разрешается испытывать напряжением, указанным в табл. 2.6 лишь в тех случаях, если они не превышают напряжения, которым данный трансформатор был испытан на заводе.
Изоляция импортных трансформаторов, которую поставщик испытал напряжением ниже указанного в ГОСТ-18472-82, испытывается напряжением, значение которого устанавливается в каждом случае особо.
Испытательное напряжение заземляющих реакторов на напряжение 35 кВ аналогичны трансформаторам соответствующего класса.
Изоляция линейного вывода обмоток трансформаторов напряжением 110 кВ и выше, имеющих неполную изоляцию нейтрали (испытательное напряжение 85 и 100 кВ) испытывается только индуктированием, а изоляция нейтрали - приложенным напряжением;
Испытанию повышенным напряжением промышленной частоты подвергается также изоляция доступных стяжных шпилек, прессующих колец и ярмовых балок. Испытания следует производить в случае осмотра активной части. Испытательное напряжение 1 - 2 кВ. Продолжительность испытания 1 мин.
Испытанию подвергается изоляция каждой из обмоток. Все остальные выводы других обмоток, включая выводы расщепленных ветвей обмоток, заземляют вместе с баком трансформатора. Подлежат заземлению и зажимы измерительных обмоток встроенных трансформаторов тока, выводы измерительных обкладок вводов (при наличии их на силовом трансформаторе). Схема испытания представлена на рис. 2.2. Для защиты испытываемой обмотки от случайного чрезмерного повышения напряжения параллельно к ней присоединяется шаровой разрядник с пробивным напряжением, равным 115-120% требуемого испытательного напряжения. Последовательно с разрядником включается токоограничивающее сопротивление, служащее для защиты шаров от оплавления при пробое воздушного промежутка между ними. При производстве испытаний трансформаторов температура изоляции обмоток не должна быть выше 40 С. Контроль величины испытательного напряжения должен производиться на стороне высшего напряжения испытательного трансформатора с помощью электростатического киловольтметра, например типа С-96, С-196. Исключение могут составлять силовые трансформаторы небольшой мощности с номинальным напряжением до 10 кВ включительно. Для них допускается испытательное напряжение измерять вольтметром, включая его на стороне НН испытательного трансформатора. Класс точности низковольтного вольтметра должен быть 0,5. Подъем напряжения при производстве испытаний допускается производить сразу до 50% испытательного, а затем плавно до полного значения со скоростью порядка 1 – 1,5% испытательного напряжения в 1 с. После выдержки в течение требуемого времени (1 мин.) напряжение плавно снижается в течение времени порядка 5 с до значения 25% или менее испытательного, после чего цепь размыкается. Внутренняя изоляция масляного трансформатора считается выдержавшей испытание на электрическую прочность, если при испытании не наблюдалось пробоя или частичных нарушений изоляции, которые определяются по звуку разрядов в баке, выделению газа и дыма и по показаниям приборов (амперметра, вольтметра).
Рис. 2.2. Схема испытания главной изоляции повышенным напряжением
Значения испытательных напряжений приведены в табл. 2.6, 2.7.
Таблица 2.6. Испытательное напряжение промышленной частоты внутренней изоляции силовых трансформаторов и реакторов с нормальной изоляцией и трансформаторов с облегченной изоляцией (сухих и маслонаполненных)
|
Класс напряжения обмотки, кВ |
Испытательное напряжение по отношению к корпусу и другим обмоткам, кВ, для изоляции |
|
|
нормальной |
облегченной |
|
|
До 0,69 |
4,5 |
2,7 |
Таблица 2.7. Заводское испытательное напряжение промышленной частоты для обмоток трансформатора
|
Объект испытания |
Испытательное напряжение, кВ, при номинальном напряжении испытываемой обмотки, кВ |
||||||
|
до 0,69 |
3 |
6 |
10 |
15 |
20 |
35 |
|
|
Трансформаторы с нормальной изоляцией и вводами на номинальное напряжение |
5 |
18 |
25 |
35 |
45 |
55 |
85 |
|
Трансформаторы с облегченной изоляцией, в том числе сухие |
3 |
10 |
16 |
24 |
37 |
- |
- |
Измерение сопротивления постоянному току
Выбор метода измерений зависит от ожидаемого значения измеряемого сопротивления и требуемой точности. Основными методами измерения сопротивлений постоянному току являются косвенный, метод непосредственной оценки и мостовой.
Рисунок 1. Схемы пробников для измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений
Рисунок 2. Схемы измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений методом амперметра — вольтметра В основных схемах косвенного метода применяют измерители напряжения и тока.
На рисунке 1, а представлена схема, пригодная для измерения сопротивлений одного порядка со входным сопротивлением Rв вольтметра Rн. Измерив при короткозамкнутом Rx напряжение U0, сопротивление Rх определяют по формуле Rx = Rи(U0/Ux-1).
При измерении по схеме рис. 5.1, б резисторы большого сопротивления включают последовательно с измерителем, а малого - параллельно.
Для первого случая Rx = (Rи + Rд)(Iи/Ix-1), где Iи - ток через измеритель при короткозамкнутом Rx; для второго случая
где Iи - ток через измеритель при отсутствии Rх, Rд — добавочный резистор.
Более универсален метод амперметра - вольтметра, позволяющий измерять сопротивления при определенных режимах их работы, что важно при измерении нелинейных сопротивлений (см. рис. 2).
Для схемы рис. 2, а
Относительная методическая погрешность измерения:
Для схемы рис. 2, б
Относительная методическая погрешность измерения:
Ra и Rв - сопротивления амперметра и вольтметра.
Рис. 3. Схемы омметров с последовательной (а) и параллельной (б) схемами измерения
Рис. 4. Мостовые схемы измерения сопротивлений: а - одинарный мост, б - двойной.
Из выражений для относительной погрешности видно, что схема на рис. 2, а обеспечивает меньшую погрешность при измерении больших сопротивлений, а схема на рис. 2, б - при измерении малых.
Погрешность измерения по методу амперметра-вольтметра рассчитывается по формуле
где gв, gа - классы точности вольтметра и амперметра; Uп, Iп - пределы измерений вольтметра и амперметра.
Непосредственное измерение сопротивлений постоянному току выполняется омметрами. Если значения сопротивлений более 1 Ом, применяют омметры с последовательной схемой измерения, а для измерения малых сопротивлений - с параллельной схемой. При пользовании омметром с целью компенсации изменения напряжения питания необходимо произвести установку стрелки прибора. Для последовательной схемы стрелка устанавливается на нуль при шунтированном измеряемом сопротивлений. (Шунтирование производится, как правило, специально предусмотренной в приборе кнопкой). Для параллельной схемы перед началом измерения стрелку устанавливают на отметку "∞".
Чтобы охватить диапазон малых и больших сопротивлений, строят омметры по параллельно-последовательной схеме. В этом случае имеются две шкалы отсчета Rх.
Наиболее высокая точность может быть достигнута при использовании мостового метода измерения. Средние сопротивления (10 Ом - 1 МОм) измеряют с помощью одинарного моста, а малые - с помощью двойного.
Измеряемое сопротивление Rx включают в одно из плеч моста, диагонали которого подключают соответственно к источнику питания и нуль-индикатору; в качестве последнего могут быть использованы гальвано-метр, микроамперметр с нулем посередине шкалы и др.
Рис 5. Схемы измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений переменному току
Условие равновесия обоих мостов определяется выражением
Плечи R1 и R3 обычно выполняют в виде магазинов сопротивлений (магазинный мост). С помощью R3 устанавливают ряд значений отношений R3/R2, обычно кратных 10, а с помощью R1 уравновешивают мост. Отсчет измеряемого сопротивления производится по значению, установленному ручками магазинов сопротивлений. Уравновешивание моста может также производиться плавным изменением отношения резисторов R3/R2, выполненных в виде реохорда, при определенном значении R1 (линейный мост).
Для многократных измерений степени соответствия сопротивлений некоторому заданному значению Rн применяют неуравновешенные мосты. Они уравновешиваются при Rx=Rн. По шкале индикатора можно определить отклонение Rх от Rн в процентах.
На принципе самоуравновешивания работают автоматические мосты. Напряжение, возникающее при разбалансе на концах диагонали моста, после усиления воздействует на электродвигатель, перемешивающий движок реохорда. При уравновешивании моста движок останавливается, а положение реохорда определяет значение измеряемого сопротивления.
ИСПЫТАНИЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Для испытания изделий разрабатываются методики, которые после утверждения метрологическими службами отраслей или Госстандартом становятся нормативными документами, обязательными для испытаний данного вида изделий. В связи с многообразием изделий и требований к испытаниям, рассмотрим некоторые операции испытания одного из распространенных изделий – электродвигателей переменного тока, в соответствии с нормативным документом.
Измерение сопротивления изоляции
Производится мегомметром при номинальном напряжении обмотки 3-3,15 кВ, допустимые значения сопротивления изоляции указаны ниже.
|
Температура |
10 |
20 |
30 |
40 |
|
Сопротивление изоляции, Мом |
30 |
20 |
15 |
10 |
Испытание повышенным напряжением промышленной частоты
Продолжительность приложения испытательного напряжения 1 мин. U = 2UНОМ + 1,0 кВ для электродвигателей мощностью 1-1000 кВт.
Измерение сопротивления постоянному току
Измерение производится при практически холодном состоянии машины.
Измерение производится у электродвигателей на напряжение 3 кВ и выше.
Приведенные к одинаковой температуре измеренные значения сопротивлений различных фаз обмоток, а также обмотки возбуждения синхронных двигателей не должны отличаться друг от друга и от исходных данных больше чем на 2%.
Сопротивление постоянному току обмотки ротора измеряется у синхронных электродвигателей и асинхронных электродвигателей с фазным ротором.
36. Испытания на акустический шум. Общие сведения. Условия испытания и применяемое оборудование. Структурная схема установки для испытаний на воздействие акустического шума
Испытания на воздействие акустического шума
Испытания проводят с целью определения способности изделий выполнять свои функции, сохраняя параметры в пределах норм, указанных в стандартах и ТУ на изделию и программе испытаний, в условиях воздействия повышенного акустического шума.
В отличие от других видов внешних воздействий у акустических нагрузок есть особенности: широкий спектр частот, изменяющихся от единиц герц до нескольких килогерц; случайный характер изменения этих частот во времени и пространстве; распределенный характер воздействия, зависящий не только от уровня звукового давления, но и от площади изделия. Резонансные явления элементов аппаратуры, возникающие в результате воздействия акустического шума, чаще всего проявляются на частотах 1500…2000 Гц.
Для испытания изделий на воздействие акустического шума применяют методы: 1) воздействие на изделие случайного акустического шума; 2) воздействие тока меняющейся частоты.
Режим испытаний указанных методов устанавливается заданием величины звукового давления для соответствующей степени жесткости.
Испытания первым методом проводят путем воздействия акустического шума в диапазоне частот 125…10000 Гц с одновременным воздействием на изделие заданного равномерного звукового давления определенного спектра частот. Продолжительность воздействия звукового давления должна быть 5 мин, если большее время не требуется для контроля и (или) измерения параметров изделий. При испытаниях необходимо обнаруживать у изделий резонансные частоты и проводить контроль параметров изделий на этих частотах. Рекомендуется выбирать параметры, по изменению которых можно судить об устойчивости к воздействию акустического шума изделия в целом (например, искажение выходного сигнала или изменение его значения, целостность электрической цепи, изменение контактного сопротивления и т.д.).
Испытания вторым методом проводят путем воздействия тока меняющейся частоты в том же диапазоне при плавном ее изменении по всему диапазону от низшей к высшей и обратно (один цмкл). Испытания проводят в течение 30 мин, если большее время не требуется для контроля параметров изделий. При регистрации параметров изделия определяют их изменения в функции частоты акустического воздействия.
Испытания приборов на воздействие акустического шума проводят на открытом стенде, в закрытых блоках с натурным источником шума и в акустических камерах. На открытом стенде испытывают крупногабаритные изделия. Требуемые уровни нагрузок в данном случае достигаются выбором положения испытуемого прибора относительно источника шума. Испытания в закрытых блоках проводят на более высоких уровнях акустической нагрузки, при этом происходит некоторое искажение звукового поля по сравнению с естественными условиями эксплуатации.
Для испытаний используются реверберационные акустические камеры в виде неправильного пятиугольника с размерами, указанными на рис. 24. Значение m должно превышать наибольшие габаритные размеры прибора не менее чем в два раза. В качества звуковых источников используют сирены высокой мощности или мощные громкоговорители.
Рис. 24. Размеры камеры для акустически испытаний.
Испытания на воздействие акустических нагрузок
Акустические испытания, т.е. испытания на воздействие шума (звукового давления), выделяются в специальный вид испытаний.
Акустические испытания могут преследовать две различные цели:
Изучение восприимчивости исследуемых систем к воздействию звукового давления, т.е. способности систем эффективно реагировать на воздействие основных нагрузок (например, исследование характеристики демпферов, гасящих пульсации в бортовых системах).
Определение фактической устойчивости или усталостной прочности и долговечности элементов конструкции под воздействием интенсивных акустических нагрузок.
Воспроизведение действительных условий нагружения при акустических испытаниях представляет собой сложную задачу, так как акустические нагрузки имеют случайный характер и изменяются в весьма широком диапазоне частот. Создание универсального стенда, воспроизводящего весь комплекс акустических нагрузок, оказалось практически неосуществимым. Поэтому при наземных испытаниях имитируются наиболее важные режимы нагружения. При этом предполагается, что, несмотря на физическое различие между искусственным шумом (на стенде) и шумом РД, пульсациями давления в турбулентном пограничном слое в зонах отрывных аэродинамических возмущений и колеблющимися ударными волнами, они вызывают сходную вибрационную реакцию конструкции.
Общие требования к акустическим стендам, предназначенным для испытаний конструкций ЛА и его элементов, сводятся к следующему:
— необходимо воспроизводить уровни акустических нагружений, близкие к эксплуатационным;
— параметрический ряд стендов должен обеспечивать проведение прочностных, контрольных и сертификационных испытаний как элементов, узлов и агрегатов ЛА, так и его систем и изделия в целом;
стенды должны позволять воспроизводить случайные широкополосные и узкополосные процессы акустического нагружения с заданной формой спектра в полосе частот 20 — 2000 Гц, а также создавать заданное распределение уровней звука на облучаемой поверхности;
как управление процессом нагружения объекта испытаний, так и сбор и обработка получаемой информации (звукового давления, вибраций, напряжения) должны быть автоматизированы. В условиях действия звукового давления в диапазоне от 150 до 170 дБ и выше в конструкции ЛА возникают значительные напряжения, которые могут вызвать усталостное разрушение после даже кратковременного нагружения.
Наиболее распространенный вид усталостных повреждений обшивки от акустических воздействий — разрушение отдельных панелей, оболочек и подкрепляющих элементов, особенно в местах значительной концентрации напряжений вблизи заклепочных швов и отверстий.
В натурных условиях элементы конструкции ЛА подвергаются интенсивному акустическому нагружению на трех основных этапах: 1) старт; 2) выход на трансзвуковую скорость при подъеме; 3) спуск и торможение ЛА в плотных слоях атмосферы на этапе старта.
Мощное акустическое поле возникает от высокотемпературных струй газа, истекающих из реактивных двигателей, которые взаимодействуют с окружающей средой и с частями наземного комплекса.
Шум от РД возникает в результате колебаний давления у пограничных слоев в результате взаимодействия высокоскоростной струи газа и окружающего воздуха.
С возрастанием скорости движения ЛА интенсивность акустического поля давления от реактивных двигателей на поверхности его корпуса снижается. Снижается и общий уровень вибраций элементов конструкции. Затухают низкочастотные упругие колебания ЛА, вызванные резким выходом двигателей на режим.
С другой стороны, по мере роста скоростного напора повышается интенсивность вибраций, обусловленных пульсацией внешнего аэродинамического давления.
Установки для испытаний
Звуковое поле создается в испытательных боксах, реверберационных камерах и каналах бегущей волны.
Испытуемые изделия 4 располагают вокруг струи 3, истекающей из сопла реактивного двигателя 1 на монтажной раме 5. Для сброса газов за рабочим участком расположен диффузор 2. Параметры звукового поля и реакции панелей обшивки контролируют при помощи микрофонов и тензорезисторных датчиков.
Как видно из схемы, интенсивным источником шума является выхлопная струя реактивного двигателя. Так, вблизи среза выхлопного сопла уровни шума составляют приблизительно 160 — 175 дБ. Такое интенсивное акустическое излучение реактивных струй связано с неоднородностью структуры турбулентного потока и может рассматриваться как результат взаимодействия нестационарных объемов жидкости или турбулентных вихрей.
Рис. 2.65. Схема бокса при акустических испытаниях.
В реверберационных камерах происходит отражение звука от стенок камеры, и звуковое поле вокруг объекта испытаний представляет собой интерференционную картину звуковых волн, т.е. возникает эффект резонансного усиления колебаний среды.
Реверберационная камера представляет собой помещение, стены которого оштукатурены с последующим железнением их и покраской тонким слоем. Толщина стен может достигать 80 см при уровне шума 170 дБ. В другом варианте стены реверберационной камеры могут быть облицованы плиткой. Такое помещение почти полностью (99%) отражает звуковые волны. В результате этого в камере создается диффузное звуковое поле, т.е. поле, в котором все направления равнозначны и уровни звукового давления одинаковы в любой точке камеры.
Размеры камеры выбирают в соответствии с размерами объекта испытаний. В среднем объем реверберационной камеры должен превышать объем испытуемого образца не менее чем в 8 раз.
Для того чтобы акустическое поле было более равномерным, камеры относительно небольших объемов (менее 1000м3) строят с непараллельными стенками, что способствует улучшению условий реверберации звука. Угол скоса противоположных поверхностей относительно друг друга 5 - 10°.
Камеры большого объема (более 1000м3) обычно делают прямоугольными. Для повышения диффузности поля в таких камерах иногда применяют рассеиватели — жесткие клинья, устанавливаемые на внутренних поверхностях камер.
В реверберационных камерах, как правило, испытывают полноразмерные конструкции ЛА. Генераторы звукового давления устанавливаются в разных местах внутри камеры или могут быть установлены вне камеры. Уровень шума, достигаемый в таких камерах, составляет 177 дБ. Управляемый спектр шума — от 40 до 1250 Гц, общий спектр шума — от 40 до 10 000 Гц. Такие камеры позволяют намного снизить потребную акустическую мощность, а также практически избежать воздействия сильного шума на обслуживающий персонал. Уровень шума около камеры имеет значение порядка 50 дБ.
Известные реверберационные камеры имеют объемы 50 — 5000м3 . Наблюдается тенденция к еще большему увеличению объема камер.
В состав реверберационных камер входят (рис. 2.66):
- испытательный бокс;
- препараторская;
- система генераторов звука;
- согласующие устройства (рупоры);
- система питания генераторов звука сжатым воздухом;
- система формирования и управления спектрами акустической нагрузки;
- информационно-измерительная система;
- шумоглушитель для вывода рабочего тела звуковых генераторов.
При конструировании реверберационных камер суммарная акустическая мощность источников шума в соответствующих частотных полосах должна быть распределена на минимальное количество согласующих устройств (рупоров). При этом должна достигаться высокая, эффективность излучения звука рупором
Рис. 2.66. Схема реверберационной камеры: 1 – испытательный бокс; 2 – корпус камеры; 3 – ворота; 4 – рупоры сирен; 5 – вибростенд; 6 – воздуховод; 7 – сирены; 8 – бокс генераторов звука; 9 – выхлопная труба
Рис. 2.68. Схема многоканальной управляющей системы: 1 – источник питания сирен сжатым воздухом; 2 – воздухораспределительные устройства; 3,4,5 – сирены; 6 – бокс-камеры; 7 – усилитель мощности сирены; 8 – генератор шума; 9 – устройство формирования спектра; 10 – стойка управления; 11 – ЭВМ; 12 – графопостроитель; 13 – микрофоны; 14 – микрофонный усилитель; 15 – анализатор спектра; 16 – коммутатор; 17 – детектор
При расположении источника на стене камеры средняя интенсивность звука в два раза, а при установке в углу — в четыре раза выше, чем при установке его в центре.
Так как в подобных камерах звуковые нагрузки обычно имеют широкополосные спектры частот с неравномерной спектральной плотностью, на стендах необходимо создавать согласованное (программное) управление генераторами, формирующими спектр звуковых давлений. Это осуществляется при помощи многоканальной управляющей системы (рис. 2.68).
Исходный сигнал звукового давления задается генератором белого шума 8, имеющего полосу частот 20 Гц — 20 кГц. Из этой широкой полосы при помощи фильтров устройства 9 выделяют ряд более узких полос, чаще всего 1/3-октавных. В каждой из полос уровень сигнала может регулироваться в пределах 40 — 60 дБ. Просуммированный на выходе фильтров формируемый сигнал поступает в параллельно включенные усилители мощности генераторов звука — сирен 3, 4, 5, создающих акустическое поле в боксе камеры 6.
В каждом генераторе шума предусмотрен независимый канал управления сжатия воздухом, включающий обычные для воздухораспределительных систем устройства: электрозадвижку, дроссель, регулятор давления, воздушный фильтр, ресивер.
В качестве датчиков обратной связи в системе регулирования используют микрофоны 13, устанавливаемые в контрольных точках бокса. Для ввода в систему регулирования сигналы, поступающие от микрофонов, усиливаются и усредняются и, пройдя коммутатор 16, поступают в полосовой анализатор спектра 15, аналогичный по составу анализатору устройства 9. Пройдя среднеквадратичный детектор 17, уровни сигнала в полосах с помощью мини-ЭВМ сравниваются с заданными уровнями, в результате чего вырабатывается сигнал корректировки, поступающий на усилители задающих фильтров устройства 9, благодаря чему автоматически поддерживается уровень звукового давления в камере.
Достаточно хорошее приближение к заданным характеристикам акустического нагружения можно получить при использовании десяти микрофонов. Одно из основных достоинств такой автоматической системы регулирования — быстрота настройки на требуемый режим испытания объекта.
Обычно при таких испытаниях требуется измерять звуковое давление, деформацию и вибрацию. Для этого в комплексе технологического оборудования предусматривается система сбора, измерения и обработки получаемых данных. Эта система должна контролировать среднеквадратичные значения измеряемых величин в ходе эксперимента, регистрировать процессы на магнитной ленте и затем обрабатывать их на анализаторах.
Рис. 2.69. Схема установки бегущей волны: 1 – воздушный фильтр; 2 – сирены; 3 – рупоры; 4 – волновод; 5 – блок установки объекта испытаний; 6 – панель; 7 – звукопоглащающие клинья; 8 – глушитель; 9 – виброизоляторы; 10 – задвижки; 11 – дроссель; 12 – ресивер; 13 – усилитель мощности; 14 – формирующие фильтры; 15 генератор
Каналы бегущей волны (рис. 2.69) используются для испытаний элементов обшивки ЛА на акустическую выносливость в ближнем акустическом поле (граница зоны смешивания турбулентной струи) с направлением фронта распространения звуковых волн по касательной к поверхности обшивки.
Установка представляет собой туннельный канал (волновод) 4 с сечением прямоугольной формы. Размеры поперечного сечения канала выбирают в зависимости от габаритных размеров испытуемых панелей, отношение ширины канала к высоте должно быть не менее 1:5. Испытуемую панель 6 устанавливают в рабочую часть блока 5 установки заподлицо с внутренней поверхностью стенки канала.
Корпус волновода 4 установки выполняют железобетонным или полностью металлическим, сварной конструкции. Коэффициент звукопоглощения стен волновода должен быть не выше 1,6%. Звуковые колебания в канале возбуждаются при помощи генераторов-сирен 2, устанавливаемых в головной части установки. Одно из главных требований воспроизведения бегущих волн — отсутствие отражения звука от стен канала и его торца. Для выполнения этого требования в концевой части канала устанавливают звукопоглощающие клинья 7, которые в некоторых случаях увеличивают длину установки до 10—15 м. Системы электрического и пневматического питания генераторов, управления и измерительная примерно такие же, как и в реверберационных камерах. Уровень акустической мощности до 170 дБ.
Комбинированные установки сочетают преимущества реверберационной камеры и установок с бегущей звуковой волной. Они содержат систему акустических генераторов с рупорами, переходящими в секцию бегущей волны, обычно прямоугольного поперечного сечения, для испытания панелей при достаточно высоких уровнях шума и следующую за ней реверберационную камеру для испытаний на меньших уровнях звукового давления объемных отсеков ЛА.
При необходимости на стенках реверберационной камеры иногда ставят шумопоглощающие клинья, и тогда установка работает в режиме бегущей волны.
К недостаткам комбинированной установки можно отнести неблагоприятное влияние отраженных звуковых волн на характеристики поля в секции бегущих волн при относительно малых размерах оконечной камеры.
Генераторы акустических нагрузок
В качестве генераторов акустических нагрузок могут применяться следующие устройства:
Реактивные двигатели, где кинетическая энергия струи воздуха (газа), истекающего из сопла, преобразуется в акустическую энергию.
Электродинамические громкоговорители, с помощью которых можно получить практически любой спектр частот.
Рис. 2.70. Схема устройства электродинамического громкоговорителя
Принципиальная схема устройства электродинамического громкоговорителя показана на рис. 2.70. В кольцевом воздушном зазоре магнитной цепи, состоящей из постоянного магнита 1 и магнитопровода 2, 3, 4, в радиальном направлении проходит постоянный магнитный поток. В этом зазоре помещается звуковая катушка 5, к которой приложено переменное напряжение звуковой частоты.
Ток, проходя через катушку, взаимодействует с постоянным потоком и создает силу, приводящую в колебание катушку и скрепленную с ней диафрагму (диффузор) 8. Диффузор, обычно бумажный, представляет собой конус, имеющий в основании окружность или эллипс и прямую или криволинейную образующую. По внешнему краю диффузор имеет гофрированный подвес 7. Назначение подвеса — создать диффузору возможность колебаться поршнеобразно в более широком диапазоне частот и увеличить диапазон линейной зависимости сила — смещение диффузора. У своей вершины диффузор, а вместе с ним звуковая катушка удерживаются в коаксиальном относительно зазора магнитной цепи положении с помощью центрирующей шайбы 6. Эта шайба, также гофрированная, охватывает по внутреннему контуру вершину диффузора и звуковую катушку, а по внешнему крепится к специальному кольцу.
Рис. 2.71. Схема сирены дискретного действия: 1 – рупор; 2 – диск; 3 – форкамера; 4 – электродвигатель; 5 – датчик обратной связи; 6 – тиристорный привод электродвигателя; 7 – задвижка; 8 – дроссель; 9 – ресивер
Такие источники удобны при испытаниях радиоэлектронного оборудования. Основным недостатком такого источника является сравнительно невысокий (порядка 140 дБ) уровень звукового давления.
Виды акустических испытаний и методы их проведения
Для изучения акустического воздействия на изделие проводят следующие испытания:
- наземные натурные непосредственно на изделии;
- на открытом стенде с работающим двигателем;
- в закрытых боксах с натурным источником шума;
- в акустических камерах.
Наземные натурные испытания позволяют наиболее полно приблизиться к эксплуатационным условиям, а следовательно, обеспечить полную проверку прочности конструкции и функционирования бортового оборудования. Такие испытания являются заключительными в общей программе отработки КЛА на акустические воздействия. Недостатком таких испытаний является их высокая стоимость, так как в течение всех испытаний двигатели, генерирующие акустическое поле, должны работать на максимальной мощности. Полетные условия акустического нагружения в наземных условиях практически не воспроизводятся.
Испытания на открытом стенде с работающим двигателем более экономичны. На таких стендах можно испытывать крупные изделия. Ускорение испытаний и соблюдение требуемых уровней нагрузки в данном случае достигаются выбором положения испытуемых объектов относительно источника шума. Режимы испытаний устанавливают на основе натурных изменений звуковых нагрузок и деформаций в контрольных точках поверхности изделия.
Испытания в закрытых боксах позволяют получить более высокие уровни акустических нагрузок, чем на открытом стенде, в результате чего сокращается продолжительность испытаний. Недостатком этих испытаний является некоторое искажение звукового поля по сравнению с натурными условиями.
Испытания в специальных акустических камерах, где создаются условия, близкие к натурным, позволяют получать наиболее достоверную информацию о работоспособности испытуемого объекта. Однако ограниченный объем этих камер не позволяет проводить испытания крупногабаритных объектов.
После внешнего осмотра изделий и измерения параметров, предусмотренных техническими условиями, изделия крепят на специальной оснастке с учетом допускаемых эксплуатационных положений. Нагружаемые изделия нужно испытывать с реальными механическими нагрузками или их эквивалентами.
Испытания проводят с одновременным воздействием на изделие заданного равномерного звукового давления и определенного спектра частот. Важное значение имеет состав акустического спектра мощности источника звукового давления. Продолжительность испытаний определяется требованием программы испытаний и техническими условиями на изделие.
При испытаниях необходимо обнаруживать у изделий резонансные частоты, на которых амплитуда колебаний точек крепления максимальна.
По окончании испытаний производят внешний осмотр и измеряют параметры, указанные в программе испытаний и технических условиях.
38. Испытательное оборудование . Испытательная техника. Категория испытательного оборудования. Требования к испытательному оборудованию. Механическое испытательное оборудование, их основные характеристики. Контрольно-испытательная аппаратура. Испытательное оборудование для ускоренных испытаний. Испытательные стенды. Испытательные приборы. Проверка испытательного оборудования. Оборудование для автоматического управления процессом испытаний. Оборудование для проведения климатических испытаний. Испытания радиооборудования
Испытательное оборудование - это необходимая составляющая для производства новейшей конкурентоспособной продукции на современном рынке. Существует достаточно много видов этого оборудрования, но можно выделить основные, наиболее запрашиваемые на современном рынке: высоковольтное, ударное, климатическое испытательное оборудование, испытательные машины и вибростенды.
Стоит заметить, что аттестация испытательного оборудования для целей подтверждения соответствия является важной задачей метрологического обеспечения для испытаний всех видов продукции. Аттестацию необходимо проводить в соответствии с требованиями действующего с 01.07.1998 г. ГОСТ Р 8.568-97 «Государственная система обеспечения единства измерений. Аттестация испытательного оборудования. Основные положения».
В отличие от вспомогательного лабораторного оборудования, требования к испытательному оборудованию (т.е. оборудованию, воспроизводящему какие-либо внешние воздействия на испытуемый или анализируемый образец или пробу, если величины этих воздействий определены в методиках выполнения измерений или проведения испытаний, причем с указанием погрешности измерения таких воздействий) достаточно четко сформулированы ГОСТ Р 8.568-96. Примером внешних воздействий, воспроизводимых с помощью испытательного оборудования, может служить нагревание образца (реакционной смеси) при определенной температуре и влажности, облучение ультрафиолетовым излучением определенной длины волны и т.д.
К числу обязательных требований к испытательному оборудованию относятся:
- наличие утвержденной методики аттестации каждой единицы испытательного оборудования;
- своевременное проведение аттестации и оформление ее результатов в виде акта;
- наличие в составе испытательного оборудования средств измерений, позволяющих осуществлять контроль параметров внешних воздействий в ходе испытаний.
Кроме этого, испытательное оборудование также должно удовлетворять дополнительным требованиям, перечисленным выше как желательные для вспомогательного оборудования.
При эксплуатации разного рода конструкционных материалов ключевую роль играют их механические свойства. Реакция на внешние механические нагрузки, предел прочности, модуль упругости (на изгиб и на растяжение), удлинение при разрыве, ударная прочность и коэффициент пластичности являются основополагающей информацией, необходимой для понимания свойств материала, а значит, и готового изделия. Для практического определения всех этих параметров и применяется универсальная испытательная машина («УИМ»).
С ее помощью образцы исследуют на сжатие, разрыв, растяжение, срез, изгиб и кручение. Причем в настоящее время существуют УИМ не только автономные, но и с возможностью подсоединения к компьютеру для цифровой обработки полученных данных. По типу конструкции различают также напольные и настольные универсальные испытательные машины.
Механические испытания
Понимание принципов деформационного поведения полимерных материалов имеет для проектировщика первостепенное значение. Типичный пример диаграммы напряжение-деформация (или нагрузка-удлинение) показан на рис. 1. Для лучшего восприятия таких диаграмм следует дать определения нескольким основным терминам, используемым при обсуждении деформационной кривой.
Рис. 1 (2.1). Типичная зависимость напряжения от деформации
Напряжение - усилие, приложенное для создания деформации, отнесенное к единице площади поперечного первоначального сечения образца; выражается в Н/м2 , МПа, кгс/мм2...
Удлинение - увеличение длины образца под действием приложенной силы.
Деформация - отношение удлинения к базовому расстоянию между метками датчика перемещения; изменение длины, отнесенное к первоначальной длине (Δl/l) ; безразмерная величина.
Точка текучести - первая точка на деформационной кривой, начиная с которой увеличение деформации происходит без роста напряжения.
Предел текучести - напряжение, при котором наблюдается определенное по величине отклонение от прямой пропорциональной зависимости напряжения от деформации; если иное не оговорено, то это напряжение отвечает точке текучести.
Предел пропорциональности - наибольшее значение напряжения, до достижения которого не наблюдается никакого отклонения от прямой пропорциональности между напряжением и деформацией (т. е. выполняется закон Гука); выражается в Н/м2 , МПа, кгс/мм2
Модуль упругости - отношение напряжения к соответствующей деформации в области до предела пропорциональности; часто записывается как F/A и выражается в МПа, кгс/мм2
Предел прочности - максимальное напряжение, которое может выдержать материал при различных видах нагружения: при растяжении, сжатии или сдвига; выражается в МПа, кгс/мм2
Секущий модуль - отношение напряжения к соответствующей деформации в любой точке деформационной кривой; эта величина также часто записывается как F/A и выражается в МПа, кгс/мм2
Деформационная диаграмма, показанная на рис. 1, представляет собой типичный результат измерений, получаемый в испытаниях на растяжение при постоянной скорости деформации. Однако кривые, получаемые при других видах деформирования, - сжатии или сдвиге - часто имеют аналогичную форму.
Начальная часть деформационной кривой - между точками А и С - линейная, что отвечает закону Гука, согласно которому напряжения должны быть пропорциональны деформации. Точка С, начиная с которой наблюдаются отклонения от линейности, называется пределом пропорциональности, поскольку только до этой точки напряжения пропорциональны деформации. Деформации полимера до точки С по своей природе упругие и, следовательно, эти деформации полностью обратимы.
Деформации до точки В на деформационной кривой на рис. 1 малы, и они обусловлены изгибом и растяжением внутримолекулярных связей в полимерной молекуле, как это показано на рис. 2, а. Деформации этого типа происходят мгновенно, и они обратимы. При этом отсутствует смещение молекул друг относительно друга. Деформации, осуществляемые за точкой С (рис. 1), отвечают распрямлению свернутых участков макромолекулы, как это показано на рис. 2, б. При этом также не происходит относительного перемещения макромолекул, а деформации такого рода обратимы, хотя и не мгновенны.
Рис. 2 (2.2). Деформации макромолекул при растяжении: а - изгиб связей; б - распрямление клубков; в - скольжение
Растяжения, происходящие за точкой текучести или за пределом упругости (рис. 2, в), оказываются необратимыми. Эти деформации действительно связаны с относительным перемещением макромолекул друг относительно друга. Молекулы после такого смещения не могут вернуться в первоначальное положение, так что достигается состояние сохраняющихся деформаций.
Характер развития деформаций различных типов может быть объяснен на механических моделях, которые показывают, что происходит при различных условиях нагружения. Одна из таких моделей, называемая моделью Максвелла, представляет собой сочетание пружины и цилиндра с движущимся в нем поршнем (рис. 3).
Рис. 3 (2.3). Модель Максвелла
В этой модели свойства пружины описываются законом Гука, и она представляет собой модель идеально упругого тела. Растяжение пружины моделирует деформации, происходящие при изгибе и растяжении внутримолекулярных связей. Если заменить линейную пружину на нелинейную, то такая пружина будет моделировать процессы, происходящие при разворачивании частей макромолекулы, образующих клубки. В цилиндр залита вязкая жидкость, которая протекает через отверстия в дискообразном поршне при его перемещении. Перемещения поршня моделируют необратимые деформации, которые приводят к новому деформированному состоянию материала. Этот процесс моделирует проскальзывание молекул друг относительно друга.
Рис. 4 (2.4). а)Типы деформационных кривых (с разрешения издательства Wiley Interscience); б) соотношение между пластичностью и прочностью
Мягкие и низкопрочные материалы характеризуются низкими значениями модуля упругости, низким пределом текучести и умеренными значениями удлинения при разрыве. Типичным представителем таких материалов является политетрафторэтилен.
Мягкие и пластичные материалы отличаются низкими значениями модуля и предела текучести, но высокими удлинениями при разрыве и соответствующим высоким значениям прочности. Классическим представителем материалов этого типа является полиэтилен.
Твердые и хрупкие материалы - это пластмассы с высоким значением модуля и низкой деформируемости; у них вообще может не наблюдаться предел текучести. Один из примеров таких материалов - это фенольные смолы общего назначения.
Твердые и высокопрочные материалы отличаются высокими значениями модуля, предела текучести и, как правило, высокой прочностью, но низким разрывным удлинением. Хорошим примером таких материалов являются полиацетали.
Твердые и пластичные материалы характеризуются высокими значениями модуля, предела текучести, прочности и к тому же у них наблюдаются высокие разрывные удлинения. К классу таких материалов относится, например, поликарбонат.
На рис. 4, б показано соотношение между пластичностью и прочностью полимерных материалов.
В некоторых случаях конструктору полезно знать зависимость напряжения от деформации для конкретного материала не только при растяжении, но и при сжатии. В области небольших деформаций деформационные кривые при растяжении и сжатии почти совпадают. Поэтому модуль упругости при сжатии равен модулю упругости при растяжении. Однако при больших деформациях сжимающие напряжения оказываются существенно выше, чем соответствующие растягивающие напряжения. Этот эффект показан на рис. 5.
Рис. 5 (2.5). Зависимость напряжения от деформации при растяжении и сжатии (данные любезно предоставлены компанией Du Pont)
Определение деформационной кривой относится к числу кратковременных испытаний. Это означает, что нагрузка на образец действует в течение сравнительно короткого периода времени, что ограничивает ценность получаемых результатов для оценки поведения реальных изделий из пластмасс. Испытания такого рода не способны учесть изменения жесткости и прочности материала во времени. Это ограничение может быть исключено на основании долговременных испытаний материала на ползучесть (крип) и релаксацию.
Релаксация состоит в том, что фиксируется некоторая деформация образца и измеряется изменение во времени усилия, которое необходимо приложить для того, чтобы сохранялась эта деформация. Испытания на ползучесть состоят в том, что к образцу прикладывается фиксированная нагрузка и измеряется развитие деформации во времени под действием этой нагрузки. Явления ползучести и релаксации схематически изображены на рис. 6, а на рис. 7 показаны ползучесть и развитие холодного течения пластмассы.
Рис. 6 (2.6). Диаграмма, иллюстрирующая явления ползучести и релаксации (с разрешения Van Nostrand Reinhold Company)
Рис. 7 (2.7). Диаграмма, иллюстрирующая явления ползучести и холодного течения (с разрешения McGraw-Hill Company)
При приложении нагрузки возникают упругие деформации, которые продолжают развиваться, пока действует нагрузка. Существенная часть упругих деформаций создается не мгновенно, а возврат к первоначальным размерам или длине также растягивается во времени. Полагается, что если восстановление произошло не полностью, то это обусловлено возникновением необратимых деформаций.
Величина остаточных деформаций зависит от приложенного напряжения, длительности его действия, а также от температуры. Такой характер механического поведения материала также может быть представлен путем последовательного соединения моделей Максвелла и Фойхта.
Испытания на одноосное растяжение (ASTM D638 и ISO 527-4)
Измерения деформаций при растяжении и модуля упругости относятся к числу наиболее важных характеристик механических свойств полимерных материалов, которые широко представлены в спецификации на полимеры. Испытания на растяжение, в широком смысле этого термина, представляют собой оценку способности материала противостоять действию приложенных нагрузок и возможность растягиваться до разрушения. Модуль упругости при растяжении характеризует жесткость материала. Эта величина может быть определена из диаграммы зависимости напряжения от деформации. Различные типы полимерных материалов часто сопоставляются именно по таким показателям их свойств, как предел прочности при растяжении, удлинение при разрыве и значение модуля упругости. Для многих пластмасс характерна также сильная зависимость их свойств от скорости деформирования и условий окружающей среды. Поэтому данные, получаемые рассматриваемым методом, не следует рассматривать как прямую оценку применимости материала, поскольку реальные условия эксплуатации изделия могут значительно отличаться от условий проведения испытаний.
Аппаратура
Обычно испытания на растяжение проводят с помощью машин, в которых растяжение осуществляется при постоянной скорости движения зажима, в котором закреплен конец образца. Машина имеет стационарную часть, к которой крепится один из зажимов, и перемещающуюся часть, в которой установлен второй зажим. Использование самоустанавливающихся зажимов, в которых закрепляется образец, позволяет исключить проблему центровки. Постоянная скорости движения контролируется схемой привода машины. В некоторых машинах, предлагаемых на рынке, использована схема замкнутой обратной связи с сервоконтролируемым приводом. Это позволяет обеспечить высокую точность поддержания заданной скорости. Для измерения нагрузки используют устройство, позволяющее получать показания с ошибкой, не превышающей 1% или даже меньше от полной шкалы прибора. В последнее время используют цифровые индикаторы нагрузки, которые облегчают считывание показаний по сравнению с аналоговыми индикаторами.
Для измерения деформаций применяют так называемые экстензиометры (экстензометры), которые отслеживают изменение расстояния между двумя выделенными точками на образце в пределах выбранной базы измерений, изменяющееся по мере растяжения. Прогресс в этой области состоит в использовании микропроцессоров, которые призваны устранить операции, выполняемые вручную и требующие много времени. Значения напряжения, удлинения, модуля упругости, энергии и статистические данные представляются автоматически на дисплее или распечатываются на бумаге в конце испытаний.
Образцы для испытания и их кондиционирование
Образцы для испытаний на растяжение могут приготовляться различными способами. Наиболее часто их получают либо литьем под давлением, либо методом компрессионного литья. Образцы могут быть также изготовлены методом механической обработки из заготовок, которые представляют собой листы, пластины, блоки или изделия иной формы. Размеры образцов строго регламентируются требованиями стандартов. Они, в частности, описаны в сборнике стандартов ASTM. На рис. 8 показан образец тип I по стандарту ASTM D638. Такой образец наиболее часто используют для испытаний жестких и полужестких полимерных материалов.
Рис. 8 (2.9) Стандартный образец для испытаний на растяжение (тип I)
Образцы перед испытаниями кондиционируют, используя стандартизованные условия. Поскольку свойства некоторых пластмасс резко изменяются даже при небольших колебаниях температуры, рекомендуется проводить испытания в стандартной лабораторной атмосфере при температуре 23±2 °С и относительной влажности окружающего воздуха 50±5%. Согласно рекомендациям ASTM D618, для выполнения испытаний необходимо следовать процедуре А.
Процедура испытаний
А. Предел прочности при растяжении
Скорость растяжения определяется либо по относительной скорости перемещения зажимов, либо по меткам на образце. Стандарт ASTM D638 устанавливает пять различных основных скоростей. Как общее правило, наиболее часто испытания проводят при скорости 0,2 дюйма/мин. Если это возможно, то следует использовать ту скорость испытаний, которая указана в спецификации на материал. Если же скорость не указана, то следует выбирать скорость испытаний исходя из того, что разрыв образца в результате его растяжения должен наступить во временном интервале между 30 с и 5 мин.
Образец в испытательной машине располагается в вертикальном положении. Зажимы должны обеспечивать безусловное отсутствие проскальзывания образца. После того как выбрана подходящая скорость, машина запускается. По мере растяжения сопротивление деформированию возрастает, что фиксируется датчиком усилия. Усилия записываются как функции времени. В некоторых машинах предусмотрена фиксация максимального усилия (пика усилия), достигнутого в процессе испытания. Растяжение продолжается, пока не наступит разрушение образца. При этом фиксируется усилие в момент разрушения. Далее рассчитываются значения прочности, отвечающие пределу текучести и разрушению по формулам:
Предел прочности = Усилие (в фунтах)/Площадь поперечного сечения (в кв. дюймах);
Замечание. Здесь и далее приводятся не метрические единицы измерения, как это дается в зарубежных стандартах. Мы уверены, уважаемый читатель, что для Вас, их перевод в метрические, не составит труда.
Предел текучести (psi) = Максимальное зарегистрированное усилие (в фунтах)/Площадь поперечного сечения (в кв. дюймах);
Предел прочности (psi) = Усилие в момент разрушения (в фунтах)/Площадь поперечного сечения (в кв. дюймах).
Б. Модуль упругости и разрывное удлинение
Модуль упругости и удлинение при разрыве находят из диаграммы зависимости напряжения от деформации. Деформацию измеряют с помощью экстензометра. Это устройство представляет собой датчик перемещений, позволяющий существенно повысить точность измерения действительной деформации при растяжении.
Надежность получения значений деформаций с помощью традиционных экстензометров ограничена тем, что необходимо обеспечить реальный физический контакт датчика с образцом. Эта проблема усугубляется, когда испытываются высокоэластичные материалы, или, напротив, жесткие и хрупкие полимеры, или же очень легкие образцы. Кроме того, с помощью контактных экстензометров оказывается невозможным измерять большие деформации вплоть до точки разрыва, а также проводить измерения при повышенных температурах в ограниченной по объему камере.
В последнее время производители испытательного оборудования разработали бесконтактные измерительные системы, основанные на использовании оптики, видеоизображений и лазерных устройств, что позволило преодолеть проблемы, возникающие при использовании контактных экстензометров.
Одновременно измеряемые временные зависимости напряжения и деформации наносятся на график.
Факторы, влияющие на результаты испытаний
А. Подготовка образцов и их размеры
При испытаниях образцов на растяжение существенную роль играет молекулярная ориентация. Нагрузки, измеренные параллельно направлению ориентации, могут быть существенно выше, чем при испытаниях в перпендикулярном направлении. В отношении разрывного удлинения справедливо обратное утверждение. В связи с этим большое значение имеет процедура приготовления образцов. Так, например, предел прочности образцов, полученных литьем под давлением, оказывается, как правило, существенно большим, чем для образцов, изготовленных методом компрессионного литья. Для образцов, полученных механической обработкой, прочность и разрывное удлинение оказываются заниженными из-за возможных небольших дефектов, появившихся в процессе формования.
Другим важным фактором, влияющим на результаты испытаний, является расположение мест впуска и размер литников при литье образцов. Это особенно справедливо для пластмасс, армированных стекловолокнами. Впускной литник располагающийся у верхушки образца, способствует ориентации волокон вдоль образца, что, в свою очередь, приводит к завышенным значениям прочности. Если впуск расположен сбоку, то волокна в образце ориентируются хаотически.
Б. Скорость растяжения
По мере увеличения скорости растяжения прочность и модуль упругости увеличиваются. Однако разрывное удлинение обратно пропорционально скорости растяжения. Влияние скорости растяжения на значения модуля показаны на рис. 11.
Рис. 11 (2.13). Влияние скорости деформации на значения модуля (с разрешения Ticona)
В. Температура
Как говорилось выше, температура оказывает очень сильное влияние на свойства некоторых пластмасс, которые изменяются очень сильно при минимальных колебаниях температуры. При увеличении температуры предел прочности и модуль упругости снижаются, а разрывное удлинение возрастает. На рис. 12 показан пример влияния температуры на прочность материала.
Рис. 12 (2.14). Влияние температуры на прочность полимеров (с разрешения Ticona)
Подробнее см. книгу «Справочное руководство по испытаниям пластмасс и анализу причин их разрушения», вышедшую в издательстве «Научные основы и технологии».
Климатические испытания
При оценке качества любого изделия имеет смысл оценивать не только его функциональные и эксплуатационные показатели, но и степень воздействия факторов окружающей среды, при которой изделие продолжает соответствовать заявленным характеристикам.
На основании результатов проведенных температурных или климатических испытаний можно получить дополнительное заключение о качестве выпускаемых изделий и избежать потерь, связанных с выпуском некачественной продукции. Выпускной контроль качества должен быть неотъемлемым этапом любого производства.
Климатические испытания включают следующие воздействия:
- положительные и отрицательные температуры при эксплуатации, транспортировке и хранении продукции
- циклическое изменение температуры
- относительная влажность воздуха
- образование инея на поверхности
- пониженное или повышенное атмосферное давление (используется барокамера)
- воздействие пыли
- воздействие влаги (в том числе испытания на капле и брызгозащищенность)
- соляной туман
- солнечное излучение (в том числе, ультрафиолет и инфракрасное излучение)
- и некоторые другие
Выполнение таких испытаний важно для любой отрасли промышленности. Результаты климатических испытаний позволяют определить срок службы тех или иных материалов и видов продукции, уточнить условия их эксплуатации, выявить слабые места конструкции и составить технический регламент по плановому обслуживанию и многое другое.
Проведение испытаний
При проведении климатических испытаний оценивается степень нарушения внешнего вида изделия или материала (коррозионные процессы и потеря формы), структуры элементов конструкции (например, внутренние микротрещины) и т.п. Испытания можно проводить не только для готовой продукции, но и на стадии сборки конструкции, что позволяет избежать многих дефектов при эксплуатации. Так же широко применяются данные испытания при изготовлении прототипов, что дает возможность вовремя устранить многие возможные дефекты и недостатки изделия. Иногда испытаниям подвергают не только саму продукцию, но и ее упаковку для транспортировки и хранения.
Существуют два вида проведения климатических испытаний: натурные (с тестированием в различных климатических зонах) и лабораторные (с искусственно создаваемыми условиями, такими как, к примеру, климатические камеры "тепло-холод"). Для проведения лабораторных испытаний наша компания предлагает полный перечень необходимого оборудования, (например, барокамера). Купить и ознакомиться с полным переченем предлагаемой продукции по ссылке ниже:
Современный радиоаппарат представляет собой сложное устройство и состоит из множества узлов и деталей, соединенных между собой в определенной последовательности. Ввиду большого разнообразия самодельной аппаратуры дать исчерпывающие сведения по ее конструированию и испытанию очень трудно.
Испытания радиоаппаратуры должны осуществляться в условиях, равноценных или близких к действительным. Для этого на заводах должны быть испытательные лаборатории, полигоны и другие технически оснащенные средства для выполнения различных видов испытаний. В лабораториях требуется оборудование для различных видов раздельных и комплексных испытаний
На надежность и работоспособность радиоаппаратуры в эксплуатации в большой степени влияют механические и климатической факторы.
К механическим факторам относятся транспортная тряска, вибрация и удары. Этим воздействиям подвергается автомобильная, самолетная и судовая аппаратура.
Климатические факторы, влияющие на нормальную работу радиоаппаратуры, определяются метеорологическими особенностями места эксплуатации. Особенно интенсивно влияют на работу радиоаппаратуры условия сухой жары, холода, тропической влажности, действия летучего песка и пыли, солнечной радиации, воды, росы, тумана и различные грибковые образования.
Сухой жарой отличается климат степей и пустынь. В этих районах температура доходит до +550С при относительной влажности до 5%. В таких и более жестких условиях от +80 до + 1200С работает радиоаппаратура в некоторых бортовых отсеках судов или самолетов, а также элементы радиоаппаратуры внутри герметизированных блоков, вблизи мощных радиоламп.
Условия холода, т.е. устойчивые низкие температуры, характерны для зоны вечной мерзлоты, зоны тундры и для сухого высокогорного климата.
Тропическая влажность свойственна некоторым районам зоны тропиков, где температура днем доходит до +500С, а относительная влажность воздуха достигает точки росы, месяцами не спускаясь ниже 95%.
Радиоаппаратура, работающая в высокогорных условиях или на самолетах, подвергается действию пониженного давления и низкой температуры.
Серьезную опасность для работы радиоаппаратуры представляют песок и пыль. Наземная пыль состоит из мельчайших обломков горных пород и поверхности почвы, растительных и животных организмов, поднимаемых в атмосферу восходящими воздушными течениями и вихрями. Кроме того, воздух может содержать соленую пыль, возникающую от испарения капель морской воды. Размеры пыли колеблются от 0,1 до 20 мк. С повышением местности загрязнение атмосферы пылью уменьшается, и на высоте 5 км воздух практически чист.
Испытания радиоаппаратуры должны осуществляться в условиях, равноценных или близких к действительным. Для этого на заводах должны быть испытательные лаборатории, полигоны и другие технически оснащенные средства для выполнения различных видов испытаний. В лабораториях требуется оборудование для различных видов раздельных и комплексных испытаний.
40. Основы неразрушающего контроля. Радиационный контроль. Акустические методы контроля. Магнитный метод. Контроль проникающими веществами. Вихретоковые методы контроля. Оптические методы контроля. Сравнение методов неразрушающего контроля.
Основы неразрушающего контроля
Неразрушающий контроль (НК) основан на получении информации о качестве проверяемых материалов и изделий при взаимодействии их с веществами или физическими полями в виде электрических, световых, звуковых или других сигналов. Современные методы НК в соответствии с ГОСТ 18353–79 подразделяются на девять основных видов: - радиационный; - акустический; - магнитный; - проникающими веществами – капиллярный и течеискания; - оптический; - вихретоковый; - электрический; - радиоволновой; - тепловой.
Методы каждого вида НК классифицируют по характеру взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом, первичным информативным признакам и способам получения первичной информации.
Качество материалов и изделий формируется на всех этапах их создания и эксплуатации – проектирования, изготовления и потребления. В процессе контроля сравнивают выходные или промежуточные характеристики продукции с расчетными или установленными данными, указанными в стандартах или технических условиях.
Достоверность контроля зависит от интенсивности изменения контролируемых показателей и физических свойств материала при изменении условий нагружения, обработки, эксплуатации, а также от выбора физического поля или явления, максимально реагирующего на эти изменения.
В современных условиях при большом разнообразии методов и приборов необходим тщательный анализ для выбора наиболее эффективного и экономичного НК. Принцип выбора методов НК материалов и изделий основывается на их классификационных признаках. Основными признаками являются: характер взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом, первичная, информативная характеристика, индикация первичной информации, окончательная информация. Каждый метод имеет свою область наиболее эффективного применения.
Рациональное использование комплекса неразрушающих методов контроля позволяет в некоторых случаях увеличить его эффективность. При этом понятие комплектности не ограничивается только сочетанием методов НК с целью дублирования результатов контроля. Под комплексным контролем подразумевают рациональное сочетание различных неразрушающих методов, которые могут и должны обеспечить достоверную оценку качества изделия в целом.
По контролируемым параметрам применяемые средства неразрушающего контроля разделяются на приборы и установки, предназначенные для обнаружения дефектов типа нарушений сплошности (трещины, раковины, расслоения, пористость, очаги коррозии, рыхлость и т.д.), контроля геометрических характеристик (наружные и внутренние диаметры, толщина стенки, покрытий, слоев, степень износа и т.д.), измерения физико-механических и физико-химических характеристик (электрические, магнитные и структурные параметры, отклонения от марки материала и химического состава, измерения твердости, пластичности коэрцитивной силы, контроль качества упрочненных слоев, содержания и распределения ферритной фазы и т.п.), технической диагностики для предсказания возникновения различного рода дефектов, в том числе нарушений сплошности, изменения размеров и физико-механических свойств изделий на период их эксплуатации.
Радиационный контроль
Радиационный контроль основан на регистрации и анализе ионизирующего излучения при его взаимодействии с контролируемым изделием. К ионизирующим излучениям относятся рентгеновские и гамма-излучения, а также потоки заряженных или нейтральных частиц. Рентгеновское излучение является электромагнитным излучением и возникает в рентгеновской трубке при торможении ускоренных электронов.
Кинетическая энергия тормозящихся электронов превращается в электромагнитную энергию, излучаемую в виде фотонов.
Гамма-излучение, как и рентгеновское, представляет собой электромагнитное излучение высокой энергии, обладающее большой проникающей способностью, источниками гамма-излучения являются радио-активные изотопы.
Альфа-излучение – это поток положительно заряженных ядер атомов гелия, вылетающих из ядра радиоактивного атома. Альфа-частицы обладают большой энергией, однако они характеризуются малой проникающей способностью.
Бета-излучение представляет собой поток электронов или позитронов, образующихся в результате распада нестабильных ядер. Ионизирующая способность бета-частиц значительно ниже, чем альфа-частиц.
Нейтронное излучение – поток нейтральных частиц (нейтронов), обладающих большой проникающей способностью. В зависимости от энергии нейтроны подразделяются на тепловые (медленные) и быстрые.
Методы радиационного контроля
Радиография
Под радиографией понимают получение изображения распределения интенсивности рентгеновского излучения на радиографической пленке. Этот метод занимает еще большую долю во всем радиационном контроле. Принципиальная схема проведения радиографического контроля приведена на рис. 8.1.
Рис. 8.1.
Контролируемая деталь находится на столе, поверхность которого покрыта свинцом и обычно дополнительно фольгой, чтобы предотвратить обратное излучение. Между объектом контроля и столом находится кассета с пленкой. Для уменьшения эффекта рассеивания требуется, чтобы излучение излучателя было коллимировано для облучения только необходимой части изделия. Для идентификации изображений необходима их маркировка: для этого используют свинцовые буквы или цифры. Кроме того, должен присутствовать контрольный образец для определения качества проявки пленки и правильности режима.
Согласно ГОСТ 7512 – 82 для определения качества изображения рекомендуется применение проволочных, канавочных и ступенчатых эталонов.
Проволочный эталон представляет собой набор из семи проволочек. Самая тонкая – 0,05 мм, самая толстая – 4 мм. Проволочки изготавливаются из того же материала, который подвергается контролю.
Канавочные эталоны имеют шесть канавок, глубина которых изменяется от 0,1 до 4,0 мм.
Пластинчатые эталоны имеют толщину от 0,1 до 2,5 мм, причем каждая пластина имеет по два отверстия с диаметром, равным толщине эталона и удвоенной толщине эталона.
Чувствительность контроля определяется как наименьший диаметр, выявляемый на снимке проволоки, наименьшая глубина выявляемой канавки, наименьшая толщина пластинчатого эталона, при которой на снимке выявляется отверстие с диаметром, равным удвоенной толщине эталона.__
Радиоскопия
Под радиоскопией понимают радиационный контроль с применением усилителей изображения и с выводом его на монитор. На рис. 8.2 приведена схема радиоскопии.
Рис. 8.2
Коллиматоры служат для сужения пучка излучения. Фильтрация излучения алюминием повышает контрастность изображения. Обычно радиоскопия дает 2- или 3-кратное изображение для больших объектов и 10 – 40 –кратное увеличение для маленьких объектов. Радиография дает точное позиционирование положения дефекта. Изображение снимается на телекамеру, аналоговый сигнал может преобразовываться в цифровой, что позволяет повысить качество изображения.
Компьютерная томография
Обычные методы просвечивания позволяют получить только теневую проекцию просвечиваемого объекта. Можно определить расположение дефекта только по координатам, перпендикулярным оси просвечивания, а вдоль оси – невозможно. Компьютерная томография основана на стереоскопическом просвечивании, оцифровке результатов и их компьютерной обработке. Обычно применяют просвечивание с шагом 2.
При объединении большого количества соседних слоев объекта контроля можно получить объемное изображение внутренней структуры. На рис. 8.3 приведена схема процесса томографии.
Современные томографы позволяют получить цветное изображение, облегчающее анализ дефектов. Томографы позволяют также получить изображение структуры материала без изготовления специальных микрошлифов.
Рис. 8.3
Радиометрия
Под радиометрией понимают измерение интенсивности рентгеновского излучения с помощью высокочувствительных детекторов. Измеряют ослабление излучения при прохождении через объект контроля.
Акустические методы контроля
Рис. 8.4.
Методы акустического контроля (АК) делят на две больше группы: активные, использующие излучение и прием акустических колебаний и волн, и пассивные, основанные только на приеме колебаний и волн. В каждой группе выделяют методы, основанные на возникновении в объекте контроля бегущих и стоячих волн (или колебаний), объекта в целом или его части. На рис. 8.4 приведена классификация большинства рассматриваемых в литературе методов АК.
Активные акустические методы, в которых применяются бегущие волны, делят на две подгруппы, использующие прохождение и отражение волн. Методы прохождения предполагают наличие двух преобразователей – излучающего и приемного, расположенных по разные стороны объекта контроля. Применяют как импульсное, так и непрерывное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы дефектоскопии.
Теневой метод основан на уменьшении амплитуды прошедшей волны под влиянием дефекта (рис. 8.5, а). Обозначено: 1- генератор; 2 – излучатель; 3 – объект контроля (дефект); 4 – приемник; 5 –усилитель; 6 – измеритель амплитуды. Применяют как импульсное, так и непрерывное излучение, но реже.
Рис. 8.5
Временной теневой метод основан на запаздывании импульса, вызванном огибанием дефекта (рис. 8.5, б). Здесь 7 – измеритель времени пробега.
Велосиметрический метод основан на изменении скорости упругих волн при наличии дефекта, которое измеряется по сдвигу фазы прошедшей волны.
В методах отражения можно использовать как один, так и два преобразователя; применяется, как правило, импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы.
Эхометод (рис. 8.6, а) основан на регистрации эхосигналов от дефектов. Обозначено: 1 – генератор; 2 – излучатель; 3 – объект контроля; 4 – приемник; 5 – усилитель; 6 - синхронизатор; 7 – генератор развертки. На экране индикатора наблюдают посланный импульс I, импульс III , отраженный от противоположной поверхности изделия, и эхосигнал II от дефекта. Время прихода импульсов II и III пропорционально, соответственно, глубине залегания дефекта и толщине детали.
При эхозеркальном методе (рис. 8.6, б) анализируют сигналы, отраженные от донной поверхности и дефекта, т.е. прошедшие путь ABCD, при этом удается выявить вертикально расположенные дефекты. Для его реализации при перемещении преобразователей А и D поддерживают постоянное значение
lA + lD = 2H*tgα (8.1)
Рис. 8.6
Реверберационный метод основан на анализе времени объемной реверберации, т.е. процесса постепенного затухания звука в некотором объеме. На рис. 8.6., в) излучатель 2 исполняет одновременно функции и приемника 4, а 3 – контролируемый слой двухслойного покрытия. В случае качественного соединения слоев реверберация больше, так как часть энергии будет уходить в соседний слой, а в случае наличия дефекта затухание сигнала меньше.
В комбинированных методах используют принципы как прохождения, так и отражения акустических волн.
Рис. 8.7
Зеркально-теневой метод, основан на измерении амплитуды донного сигнала. На рис. 8.7, а) отраженный луч условно смещен в сторону. С одной стороны, это метод отражения, с другой – измеряют ослабление сигнала, дважды прошедшего объект контроля. Обозначено: 1 – генератор; 2 – излучатель; 3 – объект контроля; 4 – приемник.
Эхотеневой метод основан на анализе как прошедших, так и отраженных волн (рис. 8.7, б).
При использовании методов колебаний возбуждают свободные или вынужденные колебания объекта контроля. Свободные колебания возбуждают путем кратковременного воздействия, например, удара, после чего объект колеблется свободно. Аналогично по звуку от удара проверяют отсутствие трещин у посуды. Вынужденные колебания возбуждают с помощью генератора, частоту которого изменяют, определяя резонансные частоты или другие параметры процесса колебаний.
К пассивным методам относят акустико-эмиссионный метод. Явление акустической эмиссии состоит в излучении упругих волн материалом в результате появления внутренних дефектов. Контактирующие с объектом контроля преобразователи принимают упругие волны. Если применить несколько преобразователей, можно установить не только наличие, но и расположение дефектов.
Применение акустического метода
Акустический метод в различных реализациях применяется для дефектоскопии изделий из металлов и неметаллических материалов. Типичные случаи применения для металлов: дефектоскопия сварных со- единений; при контроле поковок, литья, проката – труб, рельсов. Методы ультразвукового контроля неметаллических материалов зависят от характера контролируемых материалов. Из материалов, чаще всего подвергаемых контролю, выделяют изотропные гомогенные (однородные) материалы, в том числе, аморфные (стекло, резина, пластмасса) и мелкодисперсные (керамика, металлокерамика).
От них существенно отличаются гетерогенные (разнородные) материалы и материалы с крупной зернистой структурой: горные породы, бетон, асфальт.
Особые методы применяют для материалов типа фанеры, ДСП, бумаги, картона, у которых свойства распространения волн отличаются в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Магнитный метод
Магнитные методы постоянно развиваются. Основные причины развития всех методов контроля качества (в том числе и магнитных методов):
- появление новых материалов и новых объектов контроля, требующих новой техники и новых подходов;
- развитие технологий позволяет создавать новые датчики, преобразователи и другие сенсорные устройства;
- автоматизация и компьютеризация контроля качества открывают новые возможности даже в уже известных методах.
Среди научных задач на первый план сейчас выдвигается задача определения образа дефекта по его известному магнитному полю.
Из новых объектов контроля можно отметить, например, монокристаллические эпитаксиальные пленки с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД), которые используются в магнитной памяти. Здесь сплошной контроль используется не только для отбраковки дефектных пленок, но и для вырезки чипов из пленки с учетом распределения дефектов по ее площади.
Другой новый объект - магнитные экраны из высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Этот список можно продолжить, но легко предположить, что в ближайшее время появятся и другие магнитные объекты, требующие контроля.
Процесс неразрушающего контроля состоит из этапов:
1) намагничивание объекта контроля (постоянным магнитом, катушкой с постоянным током и катушками с переменным током);
2) получение информации, при этом применяются методы: - магнитопорошковый; - индукционный; - феррозондовый; - на основе эффекта Холла; - магниторезисторный и др.
3) преобразование информации и принятие решения.
Виды намагничивания
Различают полюсное, циркуляционное и комбинированное намагничивание. На рис. 8.8 приведены варианты полюсного намагничивания.
Рис. 8.8
На рис. 8.8, а приведена схема полюсного намагничивания постоянным магнитом, а в схеме б – электромагнитом, причем, в обоих случаях магнитный поток Ф направлен вдоль оси изделия и перпендикулярно дефекту. Эти схемы применяются для изделий больших габаритов – при контроле дефектов в балках, решетчатых конструкциях, в сварных соединениях.
Для обнаружения дефектов в валах, осях, болтах и др. применяют схему намагничивания как на рис. 8.9.
Рис. 8.9
Циркулярное намагничивание получило свое название от формы линий магнитной индукции, имеющей вид колец вокруг направления тока. Здесь также имеется ряд разновидностей:
- пропускание тока по самой детали (рис. 8.10, а);
- пропускание тока по центральному проводнику, который продевают через отверстие в детали (рис. 8.10, б);
Рис. 8.10
Необходимость применения циркуляционных схем диктуется продольным расположением дефекта, и надо, чтобы линии магнитного потока были ему перпендикулярны.
Комбинированное намагничивание осуществляется двумя или несколькими полями, имеющими различную ориентацию в пространстве.
Контроль проникающими веществами
Капиллярный метод неразрушающего контроля основан на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей в полости поверхностных и сквозных несплошностей и регистрации образующихся индикаторных следов визуально или инструментальным способом.
Применение капиллярного метода регламентируется ГОСТ 18442-80 «Контроль неразрушающий. Капиллярные методы».
В зависимости от способа получения первичной информации различают методы яркостной (Я), цветной (Ц), люминисцентной (Л) и люминисцентно-цветной (ЛЦ) дефектоскопии.
Процесс капиллярного контроля состоит в следующем (рис. 8.14).
Рис. 8.14
1. операция. Очистка поверхности изделия 1 и области дефекта 2 от загрязнения и обезжиривание.
2. операция. Пропитка дефектов индикаторной жидкостью (пенетрантом).
3. операция. Удаление с поверхности избытка пенетранта.
4. операция. Нанесение на поверхность специальных порошков – проявителей 4. Пенетрант в дефекте пропитывает проявитель и образует следы 5 на поверхности. В зависимости от свойств пенетранта след или имеет светлый тон на темной поверхности, или темный фон на светлой поверхности, или яркую окраску, или светится при ультрафиолетовом облучении. Полученный след анализируют визуально или фиксируют оптическим методом (фотографирование, съемка на видеокамеру и др.). После дефектоскопии поверхность очищают.
Капиллярным методом контролируют изделия из металлов (в основном, неферромагнитных), неметаллических материалов и композитные изделия любой конфигурации. Контроль капиллярным методом проводят до ультразвукового или магнитопорошкового метода. Им обнаруживают только выходящие на поверхность дефекты.
Широкое применение капиллярный метод находит в энергетике, авиации, химической промышленности, ракетной технике, судостроении.
Им контролируют основной металл и сварные соединения в деталях из нержавеющей стали, алюминия, титана, магния и других цветных металлов.
Вихретоковые методы контроля
С помощью вихретокового метода контроля (ВТМ) решают следующие задачи контроля:
- дефектоскопия (обнаруживают дефекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине (в электропроводящих листах, прутках, трубах, проволоке, рельсах и т.д.). При благоприятных условиях контроля и малом влиянии мешающих факторов удается выявить трещины глубиной 0,1 – 0,2 мм, протяженностью 1 – 2 мм.
- контроль геометрических параметров (измерение диаметра проволоки, прутков и труб, толщины металлических листов и стенок труб,толщины покрытий);
- структуроскопия материалов и изделий (контроль химического состава, твердости, электропроводности, внутренних напряжений в металле, качества термической и химико-термической обработки, состояния поверхностных слоев после механической обработки (шлифование), сортировки металлических материалов и графитов по маркам).
Вихретоковые методы основаны на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля (рис. 8.15).
Рис. 8.15
Возбуждение вихревых токов в изделии осуществляется с помощью обмотки, по которой пропускается электрический ток. Эта обмотка называется возбуждающей. Затем осуществляется преобразование электромагнитного поля вихревых токов в электрические сигналы с помощью другой катушки, называемой измерительной. Возбуждающая и измеряющая катушки представляют собой вихретоковый преобразователь. Сигнал, формируемый измерительной обмоткой, является многопараметровым, что определяет достоинства и недостатки метода. С одной стороны, - это возможность контроля многих параметров, а с другой – при контроле одного из параметров влияние остальных на сигнал преобразователя становится мешающим, поэтому необходима отстройка от влияния мешающих факторов.
Особенности ВТМ: бесконтактность; на сигналы преобразователя не влияют влажность, загрязненность среды; простота конструкции; могут работать в агрессивных средах.
Рис. 8.16
На рисунке 8.16 обозначено: 1 – объект контроля; 2 – возбуждающая обмотка; 3 – измерительная обмотка. Для создания однородного магнитного поля длина возбуждающей обмотки LB должна быть в 3-4 раза длиннее измерительной обмотки LИ.
Недостатком метода является то, что контролю могут подвергаться только электропроводные объекты: металлы, сплавы, графит и др., и контролируется только тонкий поверхностный слой.
Вихретоковые преобразователи делят на проходные, накладные, экранные и комбинированные.
Однородное магнитное поле можно получить, если возбуждающие катушки расположить симметрично относительно измерительной и на расчетном расстоянии d.
Варианты накладных преобразователей изображены на схеме (см. рис. 8.17).
Рис. 8.17
На схеме обозначены: 1 – сердечник; 2 – обмотка возбуждения; 3 – измерительная обмотка; 4 – объект контроля.
Благодаря сердечнику несколько повышается чувствительность преобразователя.
В экранных преобразователях возбуждающая и измерительная катушки располагаются по разные стороны от объекта. Такую схему применяют, например, для контроля листовых материалов.
Вихретоковый метод применяется также для оценивания химсостава электропроводящих материалов, для сортировки полуфабрикатов по маркам сталей, по твердости, для оценки качества термообработки.
Оптические методы контроля
Эти методы получили широкое применение для наружного контроля. Применение инструментов типа луп, микроскопов, эндоскопов для осмотра внутренних полостей изделий, проекционных устройств, лазеров, оптической голографии расширяет возможности оптического метода.
Основан на наблюдении или регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с ОК. Это взаимодействие связано с поглощением, отражением, рассеиванием, дисперсией, поляризацией и др. оптическими эффектами. Данный метод применяют для измерения геометрических параметров изделий, контроля состояния поверхности и обнаружения поверхностных дефектов. Оптические методы имеют очень широкое применение благодаря большому разнообразию способов получения первичной информации. Возможность их применения для наружного контроля не зависит от материала объекта. Оптические методы широко применяют для контроля прозрачных объектов. В них обнаруживают макро- и микродефекты, структурные неоднородности, внутренние напряжения.
Недостатками оптических методов являются узкий диапазон контролируемых параметров, жесткие требования к состоянию окружающей среды и чистоте поверхности изделия.
Сравнение методов неразрушающего контроля
Сравнение методов неразрушающего контроля приведено как оценка по пятибалльной системе выявляемости дефектов типа нарушения сплошности. Результаты сведены в табл. 8.1
Таблица 8.1. Оценка выявляемости нарушений сплошности
|
Объекты контроля |
Виды неразрушающего контроля |
||||
|
радиационный |
акустический |
вихретоковый |
магнитный |
капиллярный |
|
|
Неферромагнитные материалы: - проволока O 1-14 мм; - трубы; - сортовой прокат; - отливки |
4 5 5 5 |
5 5 5 4 |
5 5 4 3 |
0 0 0 0 |
0 0 4 5 |
|
Диэлектрики: - резина; - керамика; - стекло |
5 5 5 |
5 5 4 |
5 4 0 |
5 5 4 |
0 4 4 |
|
Ферромагнитные материалы: - прутки; - сортовой прокат; - отливки |
5 5 3 |
4 4 4 |
0 0 0 |
0 0 0 |
4 4 0 |
Сопоставление методов неразрушающего контроля между собой нужно проводить с учетом следующих обстоятельств. Во первых, многие из описанные выше методов НК применимы для контроля только определенных типов материалов:
- радиоволновой – для неметаллических, плохо проводящих ток материалов;
- вихретоковый – для хороших проводников электрического тока;
- магнитный – для ферромагнетиков;
- акустический – для материалов, обладающих небольшим затуханием звуковых волн соответствующей частоты;
- оптический - хорош для объемного контроля прозрачных в световом диапазоне ОК.
Во-вторых следует иметь в виду различия в модификации методов в зависимости от их предназначения: измерение геометрических размеров, исследование химического состава и структуры, поиск объемных или поверхностных дефектов и т.д. Поэтому решение об использовании того или иного метода НК необходимо принимать с учетом всех факторов, действующих при производстве или исследовании ОК.