Разработка и исследование испытательных стендов многократных ударов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.05, кандидат наук Васильев Алексей Константинович

• Васильев Алексей Константинович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Васильев Алексей Константинович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СТАНДАРТОВ И СРЕДСТВ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОКРАТНЫХ УДАРОВ ПРИ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ

1.1 Проблематика разработки стендов многократных ударов для механических испытаний изделий

1.2 Анализ и сравнение требований отечественных и зарубежных стандартов в области ударных испытаний

1.3 Методы получения ударов при стендовых испытаниях

1.4 Анализ конструктивных схем и характеристик известных

стендов многократных ударов

1.5 Выводы и постановка задач исследования

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕХАТРОННОГО СТЕНДА МНОГОКРАТНЫХ

УДАРОВ И АНАЛИЗ ЕГО МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

2.1 Выбор конструктивного решения и принципа построения стенда

многократных ударов

2.2 Выбор параметров стенда многократных ударов

2.3 Разработка мехатронного привода и системы управления стенда

2.4 Разработка математической модели стенда многократных ударов

и её анализ

2.5 Оценка диапазонов и сочетаний функциональных и управляемых

параметров стенда

2.6 Разработка алгоритма автоматической настройки управляемых

параметров привода

2.7 Выводы

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УСЛОВИЙ СТАБИЛЬНОГО

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ УДАРНЫХ ИМПУЛЬСОВ

3.1 Анализ факторов, влияющих на стабильность

воспроизведения импульса

3.2 Методы прогнозирования параметров импульса ускорения с учетом

нелинейных упругих свойств формирователя

3.3 Критерии выбора параметров пневматической подвески стенда

3.4 Оценка влияния воспроизводимости управляемых параметров на стабильность ударного импульса

3.5 Выводы

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СЕРИИ УДАРНЫХ СТЕНДОВ И ИХ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1 Технические характеристики созданных стендов

4.2 Описание устройства созданных стендов

4.3 Устройство системы управления стендами многократных ударов

4.4 Экспериментальное определение диапазонов функциональных

параметров стендов

4.5 Экспериментальная апробация алгоритма автоматической

настройки

4.6 Методика использования стендов при проведении испытаний

4.7 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Акт об использовании и внедрении результатов

диссертационной работы

Приложение Б. Аттестат стенда СМУ1200

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование испытательных стендов многократных ударов»

ВВЕДЕНИЕ

Испытания на воздействия окружающей среды - неотъемлемая часть жизненного цикла любого изделия. Окружающая среда часто оказывает негативное действие на изделие, сокращая срок его службы и приводя к внезапным поломкам. Особенно недопустимы, связанные с воздействием окружающей среды, отказы изделий военного назначения. Самыми опасными, наряду с климатическими, являются механические воздействия: вибрация, многократные и одиночные удары, длительное действие центробежных сил и др. В настоящее время для проверки работоспособности изделий в условиях внешней среды применяются специальные программно-технические комплексы - так называемые мехатронные системы (стенды) [1, 2]. Благодаря этому появляется возможность существенно снизить риски ввода в эксплуатацию сложных технических изделий уже на этапе разработки опытных образцов [3].

Высшая школа автоматизации и робототехники СПбПУ (ВШ АиР СПбПУ) занимается разработками мехатронных испытательных стендов с 1947 г. (тогда кафедра "Автоматы" ЛПИ им. М.И. Калинина). Традиционными направлениями высшей школы можно считать создание испытательных и градуировочных центрифуг, а также стендов одиночных ударов. На эту тематику написано множество научных статей, монографий и диссертаций [4, 5, 6,7,8 и др.]. Продолжая работы по разработке и исследованию центрифуг и стендов одиночных ударов, коллектив ВШ АиР осваивает новое перспективное направление - создание и исследование стендов многократных ударов.

Начиная с 2016 года спроектировано и создано 3 стенда многократных ударов нового типа (глава 4), в работах над которыми автор принимал непосредственное участие. В начале работ по созданию стендов многие научно-технические вопросы решались на основе анализа доступной информации, в основном из зарубежных источников. В процессе работы в результате проб и ошибок появилось понимание многих проблем, связанных с созданием стендов. Для разработки новых стендов требуется обобщить накопленный опыт, выполнить

теоретические и экспериментальные исследования стендов многократных ударов и подготовить рекомендации по их научно-обоснованной разработке.

Актуальность работы. Требования к параметрам испытаний на воздействие многократных ударов содержит соответствующая типу испытуемого изделия регламентирующая документация. С увеличением сложности устройства изделий, связанной с развитием военной и гражданской промышленности, растут требования к испытаниям, а, следовательно, и к ударным стендам. Из-за этого становятся актуальными исследования и разработка стендов многократных ударов с новыми функциональными свойствами, такими как высокое быстродействие и воспроизводимость, наличие автоматических настройки, контроля и поддержания параметров ударных испытаний.

Степень разработанности темы исследования. Значимыми работами прошлого столетия по нормированным ударным испытаниям являются работы ученых и инженеров Батуева Г.С., Бегларяна В. Х., Бездетко Е.М., Фатькина В.А., Хамидолова Н.В., Шумского А.С. и др. Также следует отметить основных производителей и разработчиков ударных стендов того времени: станкостроительный комбинат Фритца Геккерта (ГДР), майский машиностроительный завод, VEB Thurmger Industriewerk Rauenstein (ГДР) и др. Отличительной особенностью стендов этого периода является использование электромеханического привода при их синтезе.

В последние годы проблемам разработки и исследования стендов многократных ударов уделяли внимание Виленский О.Ю., Гусеница Я.Н., Ефремов А.К., Лагута В.С., Нелюциков М.А., Панасик А.М., Роганов М.М., Роганов М.Л. и многие другие исследователи. Мировыми лидерами в области производства и разработки ударных стендов являются, такие компании как Lansmont (США), Elstar (Швейцария), Dongling (Китай) и Shinyei (Япония). Среди отечественных компаний наиболее известна компания ООО «Вибросервистест».

Сегодня испытания на воздействие многократных ударов проводятся на многих стратегически важных отечественных предприятиях: ОАО «Корпорация

«ВНИИЭМ», АО «ЗРТО», АО «НПО «Электромашина», АО «Концерн Калашников», АО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение» и др.

Значительный вклад в теорию и практику проектирования ударных стендов внесли ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, в течение многих лет работавшие по заданиям промышленности. В первую очередь следует выделить работы ученых ВШ АиР Полищука М.Н., Попова А.Н., Тимофеева А.Н., Челпанова И. Б. Из других коллективов стоит отметить специалистов ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ», в частности М.В. Пустобаева. Диссертация М.В. Пустобаева и его публикации посвящены исследованию и разработке ударных стендов для воспроизведения ударного спектра.

Среди зарубежных авторов стоит выделить работы Piersol A.G., Christian Lalanne, Carl Sisemore, Jingjing Wen, Xiaoqiu Xu, Wen Jingjing, Jahangir Rastegar и др.

Работы Бегларяна В.Х.[9], Батуева Г.С.[10], Christian Lalanne [11] и Carl Sisemore [12] можно рассматривать в качестве теоретической основы для исследований в области синтеза ударных стендов.

Проблемам разработки и выбора типа привода стенда многократных ударов посвящены работы [13-22]. Работы [23-31] направлены на изучение свойств формирователей ударного импульса, главным образом на учет их нелинейности при предсказании реального ударного импульса. Проблеме обработки сигнала ударного акселерометра, которая заключается в том, что на основном сигнале появляются высокочастотные наложенные колебания, посвящены работы [32-36].

Остаются нерешенными проблемы получения требуемых документацией сочетаний функциональных параметров стендов, особенно в области высокой частоты следования ударов. За исключением работ [37-38] практически не освещен вопрос о воспроизводимости параметров ударного импульса при большом количестве ударов в испытании. Не рассмотрены принципы создания алгоритмов и систем управления стендами, которые позволяют реализовать автоматические настройку и контроль параметров стенда.

Известны статьи, посвященные обзору существующего ударного оборудования [39-41]. В этих статьях рассматриваются характеристики ударных стендов, а также методы воспроизведения ударов. Однако акцент в них направлен на анализ стендов одиночного удара, также отсутствует сопоставление между требованиями стандартов и характеристиками стендов.

Стоит отметить, что зарубежные исследователи уделяют основное внимание синтезу стендов одиночного удара с высокой энергией удара [17, 18, 42, 43]. Такие стенды позволяют исследовать предельные характеристики изделий, но исследование ресурса и надежности изделий при многократных ударах на них невозможно.

Объектом исследования является мехатронный испытательный стенд для воспроизведения многократных ударов, который является важнейшим средством создания ударных механических воздействий при ресурсных испытаниях различных изделий.

Целью работы является разработка высокоавтоматизированных испытательных стендов многократных ударов нового типа с мехатронным приводом и системой управления, их экспериментально-теоретические исследования и разработка методики их использования.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Анализ и сравнение отечественных и зарубежных стандартов в области испытаний на многократный удар, выявление достоинств и недостатков известного оборудования для воспроизведения многократных ударов.

2. Формирование требований к современному мехатронному ударному стенду и предложений по построению стенда на основе анализа стандартов испытаний и известного оборудования.

3. Обоснование и разработка мехатронного привода стенда и его системы управления, обеспечивающих высокую степень автоматизации стенда.

4. Разработка математической модели стенда и определение на её основе диапазона сочетаний функциональных параметров стенда, а также разработка

алгоритма автоматической настройки и поддержания пикового ударного ускорения.

5. Исследование условий и критериев стабильного воспроизведения параметров ударного импульса методом компьютерного моделирования, получение предложений по расширению диапазона функциональных параметров стенда.

6. Создание и экспериментальные исследования мехатронных стендов многократных ударов, апробация предложенных принципов построения и разработанного алгоритма настройки стендов. Разработка методики использования созданных стендов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложен новый (патент RU 174 534 Ш) принцип построения пневматического привода и системы управления мехатронного стенда многократных ударов. Он отличается от известных тем, что между источником сжатого воздуха и каждым приводным цилиндром установлены последовательно электрорегулятор давления и распределитель. Регулятор и распределитель управляется контроллером, который получает информацию о текущих параметрах ударного импульса от интегрированного в стенд акселерометра. Предложенный принцип позволяет реализовать автоматическую настройку, контроль и поддержание функциональных параметров стенда, а также увеличить частоту следования ударов по сравнению с известными решениями.

2. С помощью созданной математической модели стенда обосновано устройство его нового привода. Выявлен и проанализирован диапазон сочетаний функциональных параметров стенда с новым приводом. Полученные математические зависимости являются частью методического обеспечения при разработке новых стендов.

3. Предложены критерии выбора параметров пневматической подвески стенда, метод прогнозирования параметров импульсов ускорения и метод оценки влияния воспроизводимости параметров привода на стабильность ударного

импульса. Применение предложенных методов и критериев позволяет расширить диапазон сочетаний функциональных параметров стенда.

4. Предложен новый вид рабочей диаграммы мехатронных стендов (working area), отличающийся от известных тем, что на диаграмме указана максимальная частота следования ударов. Указанная диаграмма построена при использовании имитатора изделия. Такая диаграмма позволяет более полно оценить применимость и эффективность созданных стендов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Принцип построения мехатронного пневматического привода и системы управления стенда многократных ударов.

2. Метод и результаты теоретической оценки диапазонов и сочетаний функциональных и управляемых параметров стенда с новым приводом.

3. Алгоритм автоматической настройки управляемых параметров привода и автоматического поддержания параметров испытаний.

4. Критерии выбора параметров подвески стенда многократных ударов.

5. Метод прогнозирования параметров импульсов ускорения, основанный на экспериментальных данных.

6. Метод оценки влияния воспроизводимости параметров привода на стабильность ударного импульса.

7. Рабочие диаграммы созданных стендов, подтверждающие корректность предложенного принципа построения стендов.

8. Методика использования созданных стендов многократных ударов.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертационная работа соответствует трем пунктам паспорта специальности 05.02.05 - «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», а именно: п.2. Математическое моделирование мехатронных и робототехнических систем, анализ их характеристик методами компьютерного моделирования, разработка новых методов управления и проектирования таких систем; п.5. Методы расчета и проектирования отдельных компонентов, входящих в состав робототехнических и мехатронных систем и машин, в том числе на основе принципов оптимизации; п.7.

Повышение эффективности функционирования создаваемых систем, разработка безопасных методов их эксплуатации, взаимодействие роботов и систем с человеком-оператором.

Методы исследования: использовались как расчетные методы на базе аналитической механики и компьютерного моделирования (Ansys, МайаЬ Simulink) - для предварительной оценки значений параметров стенда, так и экспериментальные (испытания) - для подтверждения и корректировки результатов расчетов.

Практическая и теоретическая значимость работы. Создана серия мехатронных стендов многократных ударов, позволяющая испытывать по отечественным стандартам изделия массой до 1200 кг. Разработан новый мехатронный пневматический привод стенда. Разработан и применен алгоритм автоматической настройки стенда, позволяющий сократить время на подготовку к испытаниям в несколько раз. Разработано методическое руководство по использованию созданных стендов.

Внедрение. Результаты работы внедрены в АО «Завод радиотехнического оборудования» (АО «ЗРТО»). (приложение А).

Достоверность полученных результатов, подтверждается применением при решении поставленных задач апробированных инженерных методик, в том числе всесторонним анализом предшествующих работ, соответствием экспериментальных данных теоретическим и верификацией предложенных решений на трех созданных стендах многократных ударов различной грузоподъемности.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: 6-я, 8-я и 9-я международная научно-практическая конференция «Современное машиностроение: Наука и образование MMESE» (Санкт-Петербург, 2017, 2019, 2020), научная конференция с международным участием «Неделя науки СПбПУ» в 2018, 2019 и 2020 годах, научная конференция «Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: IPDME-2021».

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования представлены в 14-и научных публикациях. Из них 3 статьи входят в международную базу данных SCOPUS. Одна статья входит в перечень журналов, рекомендованных ВАК, а остальные 9 - в базу данных РИНЦ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Список использованной литературы содержит 96 наименований. Общий объем диссертации 132 страницы, в тексте имеется 67 рисунков и 7 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СТАНДАРТОВ И СРЕДСТВ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОКРАТНЫХ УДАРОВ ПРИ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ

В промышленности проводятся как натурные, так и стендовые испытания изделий. Стендовые испытания экономически выгоднее и позволяют добиться высокой повторяемости параметров испытаний. Также при стендовых испытаниях удается получить высокую степень автоматизации испытаний [44]. Здесь и далее в работе рассматриваются стендовые испытания и соответствующие им стандарты и средства.

1.1 Проблематика разработки стендов многократных ударов для механических испытаний изделий

В этом разделе описаны и проанализированы проблемы, с которыми столкнулся автор и его коллеги в процессе разработки ударных стендов.

Ударные стенды создают регламентированный стандартами импульс ускорения, который характеризуется пиковым значением, формой и длительностью. Пиковое значение зависит от скорости соударения платформы, на которой закреплено испытуемое изделие, и формообразующего устройства (далее формирователя). Пиковое значение ускорения также зависит от жесткости формирователя. Длительность и форма импульса зависят от формирователя [45]. Например, для полусинусоидального импульса Ьа1аие [11] приводит следующие зависимости:

п- V Ш

А =-; т = п • I—

т Л1 с

где А - пиковое ускорение; V - скорость соударения; т - длительность импульса; т - масса подвижной платформы с изделием; с - жесткость формирователя.

Для стендов многократных ударов дополнительно вводится требование к частоте следования ударов, что накладывает ограничения на выбор типа привода стенда. Высокая частота следования ударов необходима для повышения производительности испытаний, так как количество ударов в испытании по стандартам РФ может достигать 400000.

Проблематика выбора привода стенда многократных ударов

Существуют стенды многократных ударов с электромеханическим, электродинамическим, сервогидравлическим и пневматическим приводом.

В стендах с электромеханическим приводом применяются рычажные или кулачковые устройства, главным недостатком которых является недостаточная скорость объекта испытаний перед ударом, сложность регулировок и настроек на режимы испытаний [46].

Стенды с сервогидравлическим и электродинамическим приводом обладают высокой универсальностью. Они предназначены в основном для вибрационных испытаний, но на них можно проводить и испытания на многократный удар. Из-за отсутствия упоров и тормозов появляется необходимость в формировании специальных компенсирующих импульсов, которые регулируют длительность и форму основного импульса [14]. Кроме того, эти стенды не могут обеспечить высокую энергию удара и, как следствие, высокое ускорение и большую длительность ударного импульса.

Разработке и исследованию сервогидравлического привода в ударных стендах посвящены работы Роганова Л. Л. [13, 15, 16]. Автор предлагает использовать привод в виде гидроцилиндра, который одновременно служит формообразующим устройством. Ударный импульс формируется при движении штока гидроцилиндра, который связан с платформой и изделием. Характерной особенностью такого привода является высокая грузоподъемность при

относительно невысокой скорости движения платформы. Проблема его применения - сложность [19] получения импульса востребованной [47] полусинусоидальной формы. В работах [20, 48] обозначенная проблема частично решена благодаря использованию промежуточной упругой полости.

Стенды с пневматическим приводом более распространены на рынке РФ чем стенды с гидравлическим приводом [13, 39, 40, 41], что связано с известными преимуществами пневматики: высокое быстродействие, простота обслуживания, дешевизна и экологичность [49]. Ударный импульс возникает вследствие торможения формирователем (упором) движущейся платформы с изделием. В процессе сжатия формирователя создается передний фронт импульса, а в процессе восстановления - задний. Требуемая скорость соударения обеспечивается при свободном падении платформы с заданной высоты. Подъем на заданную высоту обеспечивается пневматическим цилиндром. Для обеспечения воспроизводимости параметров импульса актуальна проблема точности позиционирования платформы перед падением, а для обеспечения требуемой частоты следования ударов актуальна проблема скорости позиционирования. Готовые решения от производителей пневматических компонентов позволяют добиваться высокой точности позиционирования (до 0,1 мм), однако скорость позиционирования при этом сравнительно низкая [50].

Известно несколько способов позиционирования платформы стенда при многократных ударах. Например, в работе [21] предлагается использовать механические регулируемые упоры, которые ограничивают подъем платформы. Преимуществом этого решения является простота, недостатком - нежелательный удар об упоры при подъеме платформы. Более популярно решение, в котором подъем платформы ограничивает фрикционный тормоз [22]. Главными недостатками схемы с фрикционным тормозом являются: невысокая точность позиционирования платформы, недостаточная скорость срабатывания тормоза и быстрый износ фрикционных накладок.

Актуальна проблема получения высокой скорости соударения при минимизации габаритов ударных стендов. Например, в работе [18] предлагается

использовать устройство встречного удара. В стендах производителя ЕЫаг [41] и стенде [17] используют для дополнительного разгона силу, создаваемую натянутыми упругими тросами. Оба варианта исключают возможность автоматической настройки величины разгоняющего усилия.

Проблема математического описания свойств формирователя

Для получения ударного импульса полусинусоидальной формы используют формирователи из упругого полимерного материала. Чтобы связать свойства формирователя и параметры получаемого импульса, можно воспользоваться зависимостями (1). Однако, эксперименты показывают [28], что отклонение между теоретическими и экспериментальными данными при таком подходе будет равно 20...40%. Отклонение объясняется явной зависимостью жесткости формирователя от его деформации. Существуют подходы, уменьшающие отклонение до 5.10%, например, в работе [27] для этого применяются методы машинного обучения. В статье [23] для учета переменной жесткости формирователя авторы предложили предварительно исследовать формирователи: определить характеристику их сил упругости для каждого вида материала, формы и размера формирователя. Имея характеристику сил упругости, можно прогнозировать вид и значения параметров ударного импульса.

Наиболее эффективен подход, при котором применяются методы компьютерного моделирования [29, 30, 31] с использованием различных моделей гиперупругого материала.

В процессе многократных ударов изменение свойств формирователя приводит к выходу параметров ударного импульса за пределы допуска. Математическое описание изменения свойств формирователя при серии повторяющихся ударов отсутствует, прежде всего, из-за сложности математической модели.

Проблема обработки сигнала акселерометра

Известна проблема обработки сигнала акселерометра [32], которая заключается в том, что на основной сигнал накладываются сигналы

высокочастотных колебаний. Эта проблема возникает, как правило, при испытании крупногабаритных и тяжелых изделий при малой длительности и высоких пиковых значениях ударного импульса. Наложенные сигналы затрудняют выявление параметров ударного импульса, что вызывает ошибки в алгоритме управления стендом [51].

К.К. МеИег [33] и С.В. Леньков [34] для решения проблемы обработки сигнала акселерометра предлагают использовать математическую фильтрацию. Однако в известных работах и в стандартах на испытания не указаны допуски на величину наложенных колебаний, что вносит неопределенность в использовании этих методов. Более надежным решением является одновременное использование рекомендаций [33, 34] и рекомендаций [9, 35, 36], которые заключаются в повышении собственной частоты системы «платформа-изделие» за счет рационального конструирования платформы стенда и крепежной оснастки.

Воспроизводимость параметров ударного импульса

Актуальным и практически неосвещенным остается вопрос о воспроизводимости параметров ударного импульса при серии ударов. Под воспроизводимостью понимается возможность выполнять большое количество ударов без выхода параметров импульса за пределы допуска.

Частично вопрос воспроизводимости затронут в статьях [37] и [38], в которых при моделировании работы пневматических стендов предлагается учитывать наличие пневматической подвески стенда. Авторами не предложены критерии выбора подвески в зависимости от частоты следования ударов. Также помимо подвески на воспроизводимость влияют и другие факторы, которые не учитывают авторы, например, изменение свойств формирователя в процессе работы.

Проведенный обзор работ по получению многократных ударов выявил значительное количество научных и технических проблем, которые до настоящего времени не решены. Некоторые из них частично или полностью решены в настоящей работе.

1.2 Анализ и сравнение требований отечественных и зарубежных стандартов в области ударных испытаний

Основным документом, регламентирующим испытания на воздействие внешних факторов, является комплекс государственных стандартов ГОСТ 30630.0 «Методы испытаний на стойкость к внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий». Испытаниям на воздействие ударов посвящен стандарт комплекса ГОСТ Р 51371-99 [52]. Согласно стандарту, различают испытания на устойчивость и на прочность при воздействии механических ударов многократного действия. В первом случае проводится проверка способности изделия выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах норм во время воздействия ударов, во втором - после ударов. Стандарт регламентирует формы применяемых ударных импульсов. Эти формы изображены на рисунке 1.

а)

б)

На рисунке пунктирной линией показан номинальный импульс, толстыми линиями - диапазон допуска, за границы которого не должен выходить реальный импульс. Величина А - это пиковое ускорение, как правило, измеряемое в единицах g; т - длительность ударного импульса, измеряемая в мс. При многократных ударах форма ударного импульса должна быть полусинусоидальной, если в стандартах и ТУ на изделия не установлены другие требования.

При испытаниях на устойчивость проводят небольшое количество ударов: обычно 20 ударов в трех взаимно перпендикулярных направлениях. При испытаниях на прочность количество ударов значительно выше и устанавливается отдельно в зависимости от типа изделия: от 1000 ударов до 12000 ударов за одно испытание. Частота ударов, при этом, может достигать 120 ударов в минуту. Пиковое значение ускорения зависит от степени жесткости испытания и лежит в диапазоне от 3 g до 150 g. Длительность импульса зависит от собственной частоты изделия и лежит в диапазоне от 1 мс до 40 мс.

В отличие от стандарта [52] стандарт ГОСТ 28215-89 [53] (переведенный стандарт международной электротехнической комиссии International Electrotechnical Commission IEC 60068-2-29-87) целиком посвящен многократным ударам и распространяется на изделия электротехники. В этом стандарте регламентированная форма ударного импульса - полусинусоидальная, реальное значение каждого ударного импульса должно находиться в пределах, показанных на рисунке 2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Васильев Алексей Константинович, 2021 год

// \

гтГ-'" ^Л /

0 0.071 0.141 0.212 0.283 0.35

Время, С

Рисунок 18. Перемещение платформы без ускорителя. 1 - зависимость, найденная по модели (14); 2 - экспериментальная зависимость

1 •ч ,_ \ / 2 1 г

' // V \ V

0 0. 188 N. 0* ¿7 0. ч чх :б5

5 Х- и

Время, с

Рисунок 19. Скорость платформы без ускорителя.

1 - зависимость, найденная по модели (14);

2 - экспериментальная зависимость

Видно, что в эксперименте высота подъема платформы больше, а фаза движения вниз длительнее, чем при математическом моделировании, что может быть связано с разным значением силы трения при движении вверх и вниз.

Второй удар (рисунки 20, 21) выполнен с управляемыми параметрами подъема равными: Д£п = 110 мс; рп = 3,1 атм; и управляемыми параметрами ускорителя равными: ру = 2.8 атм; Д£у = 90 мс.

-2

-41

2 У

V / 1 1 / ко / / ' 1 / — ' т ■ / » • I ч 1 1 1 /

0 0. >69 0. 38 > X. 0. % X \ »7 1 1 1 I ^^ ' 1 / 0

Время, с

Рисунок 20. Перемещение объекта с

ускорителем 1 - зависимость, найденная по модели (14); 2 - экспериментальная зависимость

Рисунок 21. Скорость объекта с ускорителем 1 - зависимость, найденная по модели (14); 2 - экспериментальная зависимость.

При использовании ускорителя ситуация меняется: в эксперименте фаза падения происходит быстрее, чем при математическом моделировании.

В целом отличия экспериментальных зависимостей от теоретических обусловлены допущениями, принятыми в начале раздела. Расхождение экспериментальных и теоретических зависимостей не превышает 20%, что позволяет использовать математическую модель для оценки диапазонов изменения функциональных и управляемых параметров.

2.5 Оценка диапазонов и сочетаний функциональных и управляемых параметров стенда

Оценка диапазонов и сочетаний функциональных и управляемых параметров необходима при разработке нового ударного стенда. Она должна применяться после выбора основных параметров, перечисленных в разделе 2.2.

Цель оценки - проверка корректности выбора неуправляемых параметров посредством сравнения результатов оценки и требований технического задания (ТЗ), технических условий (ТУ) и программы испытаний (ПИ). Предлагаемый

способ оценки является частью методического обеспечения при разработке новых стендов с применением привода, предложенного в разделе 2.3.

Другая причина необходимости этой оценки - поиск области, в которой наиболее рационально использовать для настройки один из управляемых параметров при зафиксированных остальных. Теоретически, для реализации позиционного привода, достаточно подавать в поршневые полости на заданное время воздух под давлением без программного изменения этого давления, тогда потребуется только один параметр - Д£п. Однако такой подход не всегда эффективен и существуют режимы, при которых эффективнее управлять давлением при зафиксированной длительности подачи воздуха.

При выключенном ускорителе этап 3 пропускается (рисунок 17) и система (14) принимает следующий вид:

ад =

г

т

2т

г1 + 0 <г

(£- г^)2 + й0; t1 <t <t2

2т

Рп^п - + Л+ 2 ^ + ч2 , и , ^ ,

----ДС £2)2 + ; 12<1<1г

2т 2

Лт2 и

51п(-(£ - Г3)) + й0; £3 <£ <т + £3;

(15)

п1

V Б

^ = Д^; г2 = п " Д^п; ¿з =

+ ^

Рп^п

+ ^

+

N

Рп^п - +

тд

Д^

где - момент времени окончания подъема платформы под действием давления Рп; ^2 - момент времени окончания подъема платформы под действием силы инерции; £3 - момент соударения платформы и формирователя.

Из зависимостей (15) можно получить выражение для пикового ускорения:

Л(рп, ДО

N

Рп^п •(Рп^п -шд- -

ш2 • (тд +

Д^

(16)

В математических моделях (14) и (15) принято допущение о постоянной длительности импульса для установленного формирователя. Длительность импульса, согласно приближенным зависимостям [11], не будет зависеть от управляемых параметров:

т = и

N

т сф

Е • 5,

— - сф —

ф

(17)

где Сф - жескость формирователя, Е - модуль упругости материала формирователя; 5ф - площадь поперечного сечения; Ь - высота формирователя. Частота следования ударов будет равна:

/(Рп, ДО =

£з(Рп- ДО + £и '

(18)

где tи - время на запись и обработку сигнала. Время Ьи определяется видом анализатора и системы измерения и, как правило, лежит в районе от 300 мс до 500 мс. Для стенда СМУ400 это значение равно 400 мс.

Для проверки зависимостей (16) и (18) на стенде СМУ400 проведена серия экспериментов. Масса подвижных частей равна т=64 кг. Формирователь позволяет получить длительность т= 10 мс.

В результате эксперимента получены зависимости:

• зависимость пикового ускорения от времени подачи воздуха при зафиксированном давлении А(рп = 2 атм, Д£п) представлена на рисунке 22 а;

• зависимость пикового ускорения от величины давления подачи воздуха при зафиксированной длительности подачи А(рп, А£п — 80 мс) представлена на рисунке 22 б;

• зависимость частоты следования ударов от длительности подачи воздуха при зафиксированном значении давления /(рп = 2 атм, А£п) представлена на рисунке 23 а;

• зависимость частоты следования ударов от значения давления при зафиксированном значении длительности подачи воздуха /(рп, А£п = 80мс) представлена на рисунке 23 б.

Рп = 2 атм теори я

экс 1еримент

*

23.75

47.5

71.25

118.75

142.5

166.25

Длительность подачи давления в поршневую полость, мс

а)

2 2.5 3 3.5

Давление в поршневой полости, атм б)

Рисунок 22. Зависимости пикового ускорения от давления и длительности подачи воздуха в

поршневую полость

Видно, что с увеличением пикового значения ускорения наблюдается расхождение около 15%-20% между теоритическими и экспериментальными значениями, которое связано с принятыми допущениями.

\ \ \ Рп=2 атм

\ \ тео[ / ия

/

экс перимен т/

2.2

§ 11

1.6

1.4

1.2

Atn = 80 MC

экспери мент /

24 48 71 95 119 143 166 190 Длительность подачи давления в поршневую полость, мс

1.5 2 2.5 3

Давление в поршневой полости, атм

а) б)

Рисунок 23. Зависимости частоты следования ударов ускорения от давления и длительности

подачи воздуха в поршневую полость

Теоретическая частота выше, чем полученная экспериментально, что может быть связано с заниженным относительно реального временем Ьи. Однако в целом расхождения не превышают 20%.

Для оценки диапазонов параметров по зависимостям (16) и (18) предлагается использовать диаграмму, представленную на рисунке 24. Поскольку выражения (16) и (18) имеют зависимость от двух переменных, нагляднее всего использовать линии уровня поверхностей А(рп, Д£п) и /(рп, Д£п) в проекции на плоскость (рп, Д£п). Пунктирными линиями обозначена максимальная частота следования ударов, сплошными - пиковое ударное ускорение.

Максимальное пиковое значение ускорения, которое можно получить, ограничено ходом пневматического цилиндра и равно 48 g. Для получения максимального пикового значения можно использовать сочетания управляемых параметров из всего их диапазона. Видно, что с уменьшением пикового ускорения диапазон изменения давления и длительности подачи воздуха уменьшается. Слева от пунктирной линии уровня частоты можно добиться значения частоты (соответствующего этой линии) программно с помощью задания дополнительной

паузы между ударами. Пунктирные линии отсекают возможные сочетания управляемых параметров для получения требуемого пикового ускорения при требуемой частоте следования ударов.

Давление в поршневой полости, атм Рисунок 24. Диаграмма линий уровня функции пикового ускорения и частоты

Например, максимальное пиковое значение при частоте следования ударов 2 Гц равно 12 а частоты 1,2 Гц можно добиться при любых параметрах. При максимальном пиковом значении ускорения равном 48 g возможная частота следования ударов равна 1,4 Гц.

Изучение чувствительности влияния управляемых параметров (во всем их диапазоне) на функцию А(рп,А£п) позволяет определить, каким параметром рациональнее всего проводить настройку, а также, согласно [77], позволяет

предсказать его значение в окрестности известного решения путем линейной экстраполяции. Это понадобится при разработке алгоритма автоматической настройки управляемых параметров.

Воспользуемся функцией относительной чувствительности по каждому из параметров [77]:

дА(рп, Ар дРп

$ Ар (.А^, Рп) = т •ЛР, (19)

дА(рп Мп) , ^ААс(Рп) = -дА^--^, (20)

где БАр, БАА1 - функция чувствительности пикового ускорения к давлению и к длительности подачи воздуха соответственно, g; dP - дискрета, с которой позволяет менять давление электропневматический регулятор, атм; & - дискрета, с которой можно изменять длительность включения распределителя, мс.

Физический смысл функции чувствительности заключается в том, что её значение показывает, на сколько изменится пиковое ускорение при изменении управляемого параметра на дискрету dP или & (при условии, что эта дискрета мала по сравнению с диапазоном изменения управляемого параметра). Следовательно, чем меньше значение функции чувствительности, тем более плавно можно проводить настройку. На рисунках 25 и 26 приведены графики зависимостей функции чувствительности пикового ускорения к изменению давления (линии уровня) и длительности подачи воздуха для стенда СМУ400, у которого йР = 0,1 атм и йЬ = 1мс.

1 2 3 4 5 6 7

Давление в поршневой полости, атм

Рисунок 25. Линии уровня функции чувствительности ускорения к изменению давления подачи

5 1&

Mt,g 1.4

1.2 Ь 0.S-

0.6

0.+

0.2

/

/ /

/

1 2 3 4 5 6 7

Давление в поршневой полости, атм

Рисунок 26. Функция чувствительности ускорения к изменению длительности подачи воздуха

На рисунке 25 сплошной линией показаны линии уровня пикового ускорения (выражение (16)), пунктирной линией - линии уровня функции чувствительности пикового ускорения к изменению давления (выражение (19)). Для каждого сочетания управляемых параметров значение функции чувствительности к давлению разное. Видно, что у функции чувствительности есть горизонтальные участки в области, в которой длительность подачи давления от 20 мс до 77 мс, что означает линейность зависимости А (рп, Atn — const). С увеличением длительности подачи горизонтальные участки пропадают, а значение функции чувствительности растет. Найдена граница, на которой функции чувствительности пикового ускорения к управляемым параметрам равны (линия SAp —SAAt). Справа от границы значение функции чувствительности к давлению ниже, чем значение функции чувствительности к длительности подачи, слева - наоборот. Отсюда следует: если для реализации сочетания требуемого (для испытаний) пикового ускорения и частоты следования ударов необходимо выбирать управляемые параметры из области справа от границы, рациональней проводить настройку

изменением давления. Если выбраны управляемые параметры слева от границы, рациональней проводить настройку изменением времени подачи.

Значение функции чувствительности ускорения к изменению длительности подачи (рисунок 26) не зависит от длительности подачи, что означает линейность А(рп = сопб1, А^ во всем диапазоне управляемых параметров.

Диапазоны функциональных параметров ударного стенда можно значительно расширить, используя ускоритель.

При включенном ускорителе согласно математической модели (14) выражения (16) и (18) приобретут следующий вид:

л

А(рп, А1т ру, А1у )=-•

^тах (рп, А1п, Ру, А1у ), (21)

где Утах и £4 следуют из выражения (12).

Для проверки выражений (21) и (22) проведена серия ударов на стенде СМУ400. Управляемые параметры выбирались вручную так, чтобы получить пиковое ударное ускорение с шагом в 10g для каждого последующего удара. На рисунке 27 показаны значения пиковых ускорений при разных сочетаниях управляемых параметров для 6-ти ударов от 5g до 50g. Ромбическими маркерами помечены теоретические точки, а круглыми - экспериментальные.

Видно, что так же, как и в случае работы без ускорителя, с увеличением пикового ускорения растет разница между теоретическими и экспериментальными значениями, которая не превышает 20%.

50

ао 40

ai s

X Ш Q. O

ЭС

■-J <¡>

o a O

s С

30

20

10

• Ж.

• Ж

W •

•

• Номер удара

o 2

<

S i-

ro

(J 2

1 2 3 4 5 б

о О О О О §

i/i Ш СП О О

. ^ • *ч ю vH гН

•¿f ш . ^ • к

о" о о" о" о" <т> о гЧ i-T

о" г^ ЯГ о г-» C-Í о> «N <э о тгН (N о о гН см* сГ о ▼Н <N

Значения параметров удара

< 2

Рисунок 27. Значения пиковых ускорений при разных сочетаниях управляющих параметров

Логично ограничиться исследованием обозначенных функций (21) и (22) относительно влияния на них значений управляемых параметров ускорителя Ру и Aty, так как цель использования ускорителя - расширение диапазонов функциональных параметров стенда. Управляемые параметры подъема рп, Atn зафиксированы и соответствуют максимальной высоте подъема платформы, ограниченной ходом пневмоцилиндра.

Функции чувствительности аналогично (19) и (20) будут равны:

с (М. Л дЛ(рп' Atn, Ру Aty)

SAp(Aty, Ру)—-—--dP, (23)

( л дА(рп, Atn, ру, Aty ) , SAAt(Aty, ру)=-—--dt,

dAU

Для получения графиков, показанных на рисунках 28-31, использовались те же параметры стенда СМУ400, что и при получении графиков на рисунках 24-26.

На рисунке 28 показаны линии уровня функций А(рп = const, Atn — const, Ру, Aty ) и f(pn — const, Atn — const, Py, Aty).

Сплошными толстыми линиями показаны ограничения по длительности подачи давления Atmax (условие выключения ускорителя до этапа удара) и Atmin (условие выключения ускорителя после этапа движения вверх по инерции) (см. раздел 2.2). Видно, что при использовании ускорителя пиковые ускорения возросли в 2 раза по сравнению с работой без ускорителя. Линии уровня функции частоты (пунктирные линии) пересекаются с линиями уровня функции пикового ускорения (сплошные линии), ограничивая возможные сочетания управляемых параметров для получения требуемых функциональных параметров. Например, при пиковом ускорении в 100 g максимальная частота следования ударов равна 1,8 Гц, а при 60 g - 1,7 Гц. Понижать частоту следования ударов можно, добавляя программно паузы между ударами, либо меняя сочетание управляемых параметров.

На рисунке 29 показаны линии уровня функции чувствительности пикового ускорения к изменению давления воздуха ускорителя (пунктирными линиями). С ростом давления воздуха ускорителя линии уровня функции чувствительности приближаются к горизонтальным, что означает близость функции А(рп = const, Atn = const, Py, Aty = const ) к линейной зависимости.

190

2 3 4 5 6 Давление ускорителя, атм

Рисунок 28. Линии уровня функции пикового ускорения и частоты

2 3 4 5 6 7 Давление ускорителя, атм Рисунок 29. Линии уровня функции чувствительности ускорения к изменению давления ускорителя

На рисунке 30 показаны линии уровня функции чувствительности пикового ускорения к изменению длительности подачи воздуха ускорителя (пунктирными линиями). С уменьшением давления ускорителя линии уровня функции чувствительности приближаются к вертикальным, что означает близость функции А(рп — const, Atn — const, Ру — const , Aty) к линейной зависимости.

На рисунке 31 показана граница равенства значений функций чувствительности к управляемым параметрам ускорителя. Справа от границы рациональнее настраивать пиковое ускорение давлением ускорителя, слева -длительностью подачи воздуха ускорителя. Также эта граница условно разделяет области с близкими к горизонтали и вертикали участками линий уровня функций чувствительности, где рациональней всего выполнять линейную экстраполяцию в ходе настройки одним из управляемых параметров.

190

190

и 2

ее

5

I-^

а о х

•л

X

01 ^

0 га

с£ з: т гз

1

с л

0

1

л ^

ш

158

127

95

63

32

1 \

1 •А \ \

\ \ \ \ \\ V \ \ 1. \ \ \ \ д ^тах

\ \ \ ч ч 5М1< \ \ ч Б \ Ар V Ч \ V ч ч ч ч ^ ч ч

5 = -тш ч 5М1> " ч с- ч V

А1т п/

012345678

Давление ускорителя, атм Рисунок 30. Линии уровня функции чувствительности ускорения к изменению длительности подачи давления ускорителя

012345678

Давление ускорителя, атм Рисунок 31. Граница равенства значений функций чувствительности к управляющим параметрам ускорителя

Включение ускорителя может понадобиться не только для увеличения пикового значения ускорения при достижении максимальной высоты подъема. Другая причина - необходимость увеличения максимальной частоты следования ударов. На рисунке 32 и 33 представлена линия уровня функции пикового ускорения, соответствующая значению в 30 g.

На рисунке 32 ускоритель выключен, максимальная частота следования ударов - 1,8 Гц. На рисунке 33 ускоритель включен на высоте подъема объекта равной 30% от высоты, которая требуется для получения 30g без ускорителя, при этом максимальная частота следования ударов - 2,2 Гц. Таким образом, включение ускорителя позволило увеличить частоту на 22%.

о 190 г

0 ^

с 156 ^

>

3

01 I

3 а

0 122

а

к х х ь

а

п 88 <1

7

1

I

С

54

20

/ ч 1,4 Гц

1

11,5 Гц

\ \ 1,6 Гц \

1,8 ГЦ

2 3 4 5 6

Давление в поршневой полости, атм

Рисунок 32. Линия уровня значения 30§ без Рисунок 33. Линия уровня значения 30§ включения ускорителя с включенным ускорителем

Предложенная методика позволяет оценить диапазон функциональных и управляемых параметров для стендов различных размеров и грузоподъемности, построенных по схеме, показанной на рисунке 14 с использованием пневматического привода, предложенного в разделе 2.1. Предложенный способ оценки является проверкой корректности выбора неуправляемых параметров стенда, тем самым вносит вклад в методическое обеспечение для разработки новых стендов.

Оценка параметров показала, что существуют диапазоны, в которых настройка давлением рациональнее. Таким образом, обосновано использование электропневматического регулятора давления в разработанном приводе.

Наличие ускорителя позволяет увеличить пиковое ударное ускорение в 2 раза при том же ходе цилиндра, а также увеличить частоту следования ударов на 20%.

2.6 Разработка алгоритма автоматической настройки управляемых параметров привода

Процесс настройки можно разделить на два этапа [51, 78]. Во время первого этапа вычисляются управляемые параметры для первого удара при заданных оператором требуемых функциональных параметрах. Во время второго этапа сравнивается пиковое ускорение уставки и фактическое ускорение, полученное при предыдущем ударе. По результатам сравнения управляемые параметры либо корректируются, либо оставляются неизменными. Второй этап необходим для поддержания параметров ударного импульса при большом количестве ударов в одном испытании.

Схема первого этапа алгоритма автоматической настройки представлена на рисунке 34. В скобках даны ссылки на формулы, представленные ниже.

ввод параметров оператором

фиксация параметров подъема (30)

фиксация параметров подъема (31)

Выбор параметров подъема (28,29)

Удар

Выбор параметров ускорителя

Рисунок 34. Схема алгоритма первого этапа автоматической настройки

Работа на стенде начинается с автоматического или ручного взвешивания изделия, а также с выбора (по таблице) и установки оператором формирователя, который обеспечит требуемую длительность. Номер формирователя и масса изделия вводятся в специальное окно интерфейса. Далее оператор вводит требуемые значения пикового ускорения, частоты следования ударов и запускает испытания. Все дальнейшие вычисления и корректировки выполняются автоматически контроллером, а на экран с интерфейсом выводятся измерения акселерометра по каждому удару.

На основе полученных данных программа определяет, необходимо ли включение ускорителя для получения требуемого пикового ускорения. Условие для включения ускорителя на первом этапе выглядит следующим образом [23]:

п

Ат>-

г9Кт{\ --¡¿Л, (25)

\ тд/

где АТ - требуемое пиковое ускорение; - максимально возможная высота подъема платформы с изделием относительно формирователя: кт = 1 —

Если включение ускорителя для получения требуемого пикового ускорения не требуется, выполняется проверка необходимости включения ускорителя для получения требуемой частоты следования ударов. Для этого нужно решить численно систему из уравнений (16) и (18) относительно параметров подъема:

г

п

Т

N

Р^п •(Рп^п -тд- Р3)(тд -

/т =

т2 •(тд + Р3) 1

(26)

где ^ - требуемая частота следования ударов.

Ускоритель включать не нужно, если корни системы (26) удовлетворяют условию:

Рп< Рм У > Л^птт (27)

Выполнение условия (27) означает, что точка пересечения кривых (16) и (18) лежит внутри диапазона параметров подъема или выше него.

Если по условиям (25) и (27) включение ускорителя не требуется, происходит выбор параметров подъема. Чтобы обеспечить запас для второго этапа настройки, параметры подъема выбираются следующим образом. Длительность подачи воздуха в поршневую полость:

а ^ ^п ^птт . ^

Л£пв =-;-+ ^пшт, (28)

где Д£п - корень системы (26), Д£пв - выбранная длительность подачи воздуха в поршневую полость.

Выбранное давление воздуха в поршневой полости рпв вычисляется из уравнения (16):

А(рпв, Мпв)= АТ. (29)

Вычисление параметров подъема можно представить графически (рисунок 35). Предположим, что оператор ввел значения: требуемое пиковое ускорение равное 30g; требуемая частота следования ударов - 1,5 Гц (90 уд/мин).

156

122

88

54

20

■ 1

\ \

|1

2" ч

-•^ЗОя .1,5 Гц .............

Дав

звление в поршневой полости, атм

Рисунок 35. Характерные точки для выбора управляемых параметров первого удара

Точка 1 лежит в диапазоне и отсекает часть сочетаний параметров подъема сверху. Для значений 30g и 1,5 Гц параметры подъема для первого удара выбраны в точке 2.

После выбора параметров подъема происходит удар. Далее начинается второй этап настройки.

Если по условию (25) требуется включение ускорителя, параметры подъема фиксируются так, чтобы получить максимальную высоту подъема (7):

Ках{Рп, ^п) = 1

(30)

При этом сочетания параметров рп и Д£п выбираются в средней точке кривой (30). Если ускоритель необходим по условию (27), параметры фиксируются так, чтобы получить неполную высоту подъема:

Ьтах(рп, Ып) = 0,31

(31)

Параметры ускорителя выбираются аналогично параметрам подъема при работе без ускорителя (рис. 35).

Кривая к(рп = соп51, Ып = соп51, ру, ) может быть отсечена сверху пересечением с кривой ^рп = сопз1, А^ = сопз1, Ру, А1у) или с кривой А1тах (см. рис. 29). Параметры ускорителя Ру, АЬу выбираются в средней точке на не отсеченной части кривой А(рп = сопз1, А1п = сопз1, ру, АЦ ).

Второй этап автоматической настройки возможен только при интегрированном в систему управления акселерометре. Схема алгоритма второго этапа настройки показана на рисунке 36.

Удар

Рисунок 36. Схема алгоритма второго этапа автоматической настройки

После выполненного удара система управления анализирует полученное значение пикового ударного ускорения Аф и сравнивает его с требуемым значением Ат. На основании сравнения корректируется один из управляемых параметров.

На рисунке 37 графически показан процесс корректировки управляемых параметров. По горизонтальной оси отмечен номер удара, по вертикальной -пиковое ударное ускорение. Выделена зона допуска ±15% от Ат, штриховкой отмечена зона ±5% от Ат, в которой корректировка параметра не проводится.

1,15 А.

Р2;Л*„Т Зона допуска

Рисунок 37. Процесс корректировки управляемых параметров

Например, на схеме корректировка проводится при ударе №1, №2 и №7. Корректировка проводится следующим образом:

1. Для управляемых параметров р1Т, Д^т, которые вычислены на первом этапе настройки (или использованы для предыдущего удара), вычисляются значения функций БАр и БАДг по формулам (19) и (20) или (23) и (24) при работе с ускорителем.

2. Идет сравнение значений функций $Ар и $ад1 : в качестве корректирующего выбирается параметр, для которого функция чувствительности имеет меньшее значение. Параметр, например давление, корректируется на значение р2 = Ргг + Др, где корректировка Др = К • йР,

^А^-Аф _ , (з2)

^Ар

где К - коэффициент корректировки; к - промежуточный коэффициент, который зависит от разности требуемого и фактического ускорения

Коэффициент к округляется до целого значения К и равен нулю если Аф попало в зону ±5% от Ат. Таким образом, второй этап настройки реализован с

помощью линейной экстраполяции. Для работы без ускорителя достаточно определить значения БАр и БААг один раз, для работы с ускорителем эти значения уточняются после каждой корректировки параметра.

2.7 Выводы

Сформированы основные требования к современному мехатронному стенду многократных ударов. Предложен новый (патент ЯИ 174 534 Ш) принцип построения пневматического привода и системы управления мехатронного стенда многократных ударов. Предложенный принцип позволяет реализовать автоматические настройку и контроль функциональных параметров стенда, а также увеличить частоту следования ударов по сравнению с известными решениями.

Разработана и экспериментально апробирована математическая модель стенда с предложенным приводом. Найденные теоретические зависимости имеют расхождение с экспериментальными не более 20%. На основе математической модели предложен способ оценки диапазона функциональных параметров стенда. Эта оценка применяется при разработке нового стенда для проверки корректности выбора неуправляемых параметров. Тем самым она является частью методического обеспечения при разработке новых стендов.

Анализ математической модели выявил, что существуют области сочетаний функциональных параметров, в которых настройка давлением рациональнее, чем настройка временем подачи давления. Таким образом, обосновано использование электропневматического регулятора давления в разработанном приводе.

Найденные с помощью математического моделирования аналитические зависимости позволяют предложить алгоритм автоматической настройки, который повышает удобство эксплуатации стенда и снижает время на подготовку перед испытаниями, а также число пробных ударов, которые могут быть нежелательны для некоторых типов изделий.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УСЛОВИЙ СТАБИЛЬНОГО ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ УДАРНЫХ ИМПУЛЬСОВ

3.1 Анализ факторов, влияющих на стабильность воспроизведения импульса

Из-за большого количества ударов в испытании важной характеристикой стенда становится стабильность воспроизведения импульса. Под стабильностью воспроизведения понимается возможность выполнять большое количество ударов подряд без выхода параметров ударного импульса за пределы допуска [79].

Реальную нестабильность воспроизведения ударного импульса можно показать, фиксируя сигнал акселерометра, встроенного в платформу стенда. На ударном стенде СМУ400 выполнена серия из 2000 одинаковых ударов. На рисунке 38 представлен график пиковых значений ускорения в зависимости от номера удара.

Рисунок 38. 2000 ударов на одном формирователе

Применив линейную интерполяцию, можно заметить, что помимо разброса значений пикового ускорения наблюдается тенденция к его увеличению с ростом количества ударов. При этом видно, что скорость соударения не имеет тенденции роста с количеством ударов (рисунок 39). Скорость соударения фиксировалась датчиками перемещения.

2,55 2,5 2,45 2,4 2,35 2,3 (

и 0 . « • л • „ * /V- „

*лл - Vе а. 1

ь и к ^ »7 у.ЛуУ •..л • •. ч •• —•• •

о а I 0)

о ^ а го % •

и > о и 500 1000 1500 2000 Номер удара

Рисунок 39. Разброс скорости соударения

Таким образом, можно выделить два вида нестабильности воспроизведения параметров ударного импульса: разброс пиковых значений импульса из-за разброса значения скорости соударения, а также уход среднего значения пикового ускорения из-за изменения свойств формирователя в процессе работы. Дальнейшие эксперименты показывают, что разброс значения скорости перед соударением вызван нестабильностью воспроизведения управляемых параметров, а также колебаниями инерционного блока на пневматической подвеске.

3.2 Методы прогнозирования параметров импульса ускорения с учетом нелинейных упругих свойств формирователя

Чаще всего при ударных испытаниях требуется получить импульсы ускорения полусинусоидальной формы. Самый распространенный способ получения полусинусоидального импульса - это удар по формирователю, выполненному из материала с упругими свойствами. На рисунке 40 показаны формирователи, разработанные и изготовленные автором и его коллегами [59].

Рисунок 40. Формирователи из отечественных полимерных композиций [59]

Рабочая часть формирователя ударного импульса представляет собой деталь цилиндрической формы, выполненную из материала с упругими свойствами, например, из полиуретана. Верхняя часть формирователя имеет коническую форму. Это сделано для того, чтобы материал формирователя под действием ударной нагрузки деформировался постепенно и равномерно в направлении к периферии. В случае если верхняя часть формирователя плоская, в начале импульса наблюдаются значительные высокочастотные колебания, что искажает его форму [11]. Эти колебания вызваны тем, что платформа стенда в реальности падает под некоторым углом к горизонту. Из-за этого взаимодействие платформы и формирователя начинается на его периферии, что вызывает неравномерную деформацию плоского формирователя.

В предыдущей главе при расчете длительности импульса жесткость формирователя вычислялась по приближенной формуле (17). В реальных условиях зависимость «сила-деформация» при соударении - нелинейная. Нелинейность обусловлена многими факторами, но прежде всего геометрической формой и размерами формирователя, а также свойствами его материала. Таким образом, при изменении пикового ускорения меняется длительность импульса, полученная на установленном формирователе. Это важно учитывать при наладке и эксплуатации стенда.

Известен метод определения характеристики силы упругости формирователя Б(х), где х - деформация формирователя. Найденную характеристику Б(х) используют для прогнозирования параметров реального импульса. Этот метод [23] (далее метод 1) заключается в следующем:

1. На стенде выполняют тестовый удар и получают зависимость ускорения от времени а(11).

2. Методом численного интегрирования зависимости а(1) вычисляют деформацию формирователя - х(1), а также его силу упругости - Б(11)=ш а(1). При этом предполагается, что сила упругости равна по величине силе инерции.

3. По известным зависимостям х(1) и Б(1) получают характеристику силы упругости формирователя- Р(х).

Имея характеристику Р(х), можно прогнозировать значения параметров ударного импульса при использовании данного формирователя для испытания объектов разных масс с различными скоростями перед ударом. Для решения этой задачи удобнее всего использовать метод компьютерного моделирования в среде МайаЬ БтиНпк. На рисунке 41 приведен упрощенный вариант компьютерной модели.

Рисунок 41. Модель определения ударного ускорения в Simulink

В модели задается масса объекта т, скорость соударения Ушах, а также характеристика F(x). В результате численного интегрирования дифференциального уравнения вида:

тх = —F(x), х(0) = 0, х(0) = vmax (33)

на виртуальном осциллографе (scope 1) выводится ударный импульс а(1;).

Другой метод прогнозирования параметров импульса - компьютерное моделирование удара методом конечных элементов (далее метод 2). Известны работы [29, 30, 31], в которых проводятся расчеты для определения параметров ударного импульса методом конечных элементов с использованием гиперупругой модели материала формирователя. Гиперупругая модель используется при определении взаимосвязи между напряжениями и деформациями для материала, который способен деформироваться на 40-200%, а потом возвращаться в исходное состояние. При таких больших деформациях не может быть применен закон Гука.

Взаимосвязь между напряжением и деформацией для таких материалов задается с помощью потенциала энергии деформаций [80].