Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА ПЕРВАЯ Методы и средства виброиспытаний приборов и аппаратуры на основе электродинамических вибростендов 18
1.1. Обзор методов и средств виброиспытаний приборов и аппаратуры 18
1.2. Математические модели вибропроцессов 27
1.3. Системы для испытаний на широкополосную случайную вибрацию на основе электродинамических стендов 39
1.4. Постановка задачи 52
ГЛАВА ВТОРАЯ Оптимизация подсистем формирования и анализа широкополосной случайной вибрации 55
2.1. Оптимизация системы для виброиспытаний путем выбора параметров формирующих и анализирующих каналов 55
2.2. Повышение качества подсистем формирования и анализа за счет применения модулированных фильтров 61
2.3. Эквивалентность метода со случайной частотной модуляцией полигармонического сигнала модели широкополосной случайной вибрации 77
Выводы по второй главе 80
ГЛАВА ТРЕТЬЯ Системы виброиспытаний на широкополосную случайную нестационарную вибрацию 81
3.1. Анализ эксплуатационных вибропроцессов и системы для испытаний с имитацией эксплуатационной вибрации 81
3.2. Система формирования и анализа широкополосной случайной нестационарной вибрации на электродинамическом стенде 89
3.3. Частотно-временной анализ нестационарных вибропроцессов 95 Выводы по третьей главе 101
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ Разработка системы виброиспытаний на широкополосную случайную нестационарную вибрацию. экспериментальные исследования динамических характеристик вибро тракта 102
4.1. Реализация аппаратно-программного комплекса 102
4.2. Программная реализация подсистем формирования и анализа 105
4.3. Контроль динамических характеристик электродинамического вибростенда при нагружении испытываемым изделием 112
4.4. Методика экспериментальных исследований динамических характеристик изделия 118
4.4.1. Расчет частотной характеристики вибровозбудителя 118
4.4.2. Методика определения вибрационной амплитудно-частотной характеристики изделия 124
Выводы по четвертой главе 131
Заключение 132
Библиографический список 135
Приложения 145
- Системы для испытаний на широкополосную случайную вибрацию на основе электродинамических стендов
- Повышение качества подсистем формирования и анализа за счет применения модулированных фильтров
- Система формирования и анализа широкополосной случайной нестационарной вибрации на электродинамическом стенде
- Контроль динамических характеристик электродинамического вибростенда при нагружении испытываемым изделием
Введение к работе
В современных рыночных условиях наибольшим спросом обладают только конкурентоспособные товары, имеющие лучшие показатели качества по сравнению с аналогами. Для ряда объектов важнейшим показателем качества является их надежность (военная и космическая техника, транспортные средства и др.). Ввиду того, что в условиях эксплуатации на многих объектах происходят процессы, порождающие вибрацию, которая отрицательно влияет на их прочность и работоспособность, вопросам вибрационной надежности необходимо уделять должное внимание, особенно на этапах проектирования, разработки и испытаний.
В настоящее время повышение скорости и мощности этих объектов, снижение их весогабаритных характеристик приводит к увеличению вибрационных нагрузок на детали, узлы и оборудование, с другой стороны, повышается чувствительность приборов, растет сложность точных механизмов, ужесточаются требования к их безотказной работе. В связи с этим вопросы отработки вибрационной надежности с имитацией условий эксплуатации являются актуальными и требуют развития методов и средств испытаний на механические воздействия.
Анализ вибрации различных объектов показывает, что при эксплуатации механические воздействия носят случайный характер, а их статистические характеристики - дисперсия и функция корреляции - меняются с течением времени, что указывает на явно выраженную нестационарность процессов. Известные методы формирования и анализа широкополосных случайных стационарных вибраций для испытаний приборов и аппаратуры в лабораторных условиях позволяют получить достоверные оценки вибрационной надежности. Однако для нестационарных вибраций эти методы малопригодны из-за специфических дополнительных погрешностей, возникающих при формировании и анализе этих процессов. Дополнительные погрешности обусловлены: аппроксимацией спектральных характеристик сигналов
7 возбуждения для вибрационных стендов и неравномерностью амплитудно-частотных характеристик испытательного лабораторного оборудования, величиной соотношения периода нестационарности и времени анализа, а также увеличением случайной составляющей погрешности анализа. Эти факторы приводят к низкой достоверности оценки вибрационных характеристик испытываемых изделий и, как следствие, к снижению показателей качества испытаний.
Актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью повышения эффективности виброиспытательного оборудования путем разработки новых методов и средств воспроизведения широкополосной случайной нестационарной вибрации в лабораторных условиях с заданными показателями качества для испытаний приборов и аппаратуры.
Цель работы
Целью настоящей диссертационной работы является повышение точности воспроизведения широкополосной случайной нестационарной вибрации в лабораторных условиях для испытаний приборов и аппаратуры путем формирования возбуждающих сигналов на основе амплитудной и частотной модуляции полигармонических процессов. Для достижения поставленной цели обобщены отечественные и зарубежные достижения в области вибрационных испытаний.
Общая задача
Общей задачей в диссертации является разработка метода и системы формирования и анализа широкополосной случайной нестационарной вибрации с заданными показателями качества для испытаний приборов и аппаратуры.
Частные задачи
Частными задачами диссертационной работы являются: — анализ метрологических характеристик систем воспроизведения широкополосной случайной вибрации;
параметрическая оптимизация системы воспроизведения широкополосной случайной стационарной вибрации на основе выбора оптимальной частотной характеристики анализирующих фильтров;
разработка методов формирования и анализа широкополосной случайной нестационарной вибрации на основе амплитудной и частотной модуляции полигармонических процессов;
разработка методики экспериментальных исследований динамических характеристик изделий при виброиспытаниях;
разработка автоматизированной системы воспроизведения широкополосной случайной нестационарной вибрации с применением среды программирования Lab VIEW.
Методы исследований
Для решения поставленных задач систематизированы и обобщены знания в области вибрационных испытаний приборов и аппаратуры, а также в области аппаратурного спектрального анализа детерминированных и случайных процессов.
Теоретические исследования базируются на современных методах теории вероятностей, теории случайных сигналов, математической статистики и спектрального анализа стационарных и нестационарных случайных процессов.
Экспериментальные исследования проведены на современном испытательном оборудовании с использованием электродинамических стендов и цифровой многоканальной аппаратуры формирования и анализа случайных нестационарных процессов.
Научная новизна работы
1. Проведена параметрическая оптимизация системы воспроизведения широкополосной случайной стационарной вибрации по частотной характеристике анализирующих фильтров. Установлено, что частотная характеристика оптимального анализирующего фильтра зависит от формируемого спектра.
Предложен метод формирования и анализа широкополосной случайной стационарной вибрации на основе применения частотной модуляции полигармонического процесса и анализирующих модулированных фильтров. Показано, что формируемые широкополосные случайные стационарные процессы имеют нормальный закон распределения, а подсистема анализа имеет высокую точность оценки спектральных характеристик за счет высокого разрешения по частоте и большого динамического диапазона.
Разработан метод формирования и анализа широкополосной случайной нестационарной вибрации, основанный на знании характеристик и параметров нестационарного процесса формирования возбуждающего сигнала вибростенда. Показано, что качество спектрального анализа в этом методе не зависит от характеристик и параметров нестационарного процесса.
Разработан метод экспериментальных исследований динамических характеристик изделия при виброиспытаниях. Установлено, что параметры собственных резонансов вибровозбудителя зависят от динамических свойств испытуемого изделия, и предложена экспериментально-расчетная методика разделения частотных свойств изделия и вибровозбудителя.
Практическая ценность диссертационной работы
Разработана автоматизированная система воспроизведения широкополосной случайной нестационарной вибрации на основе среды программирования LabVIEW для вибростендов с электродинамическими возбудителями.
Разработанный метод определения динамических характеристик изделий по результатам анализа данных, полученных при виброиспытаниях, позволяет выработать рекомендации для конструкторских доработок, повышающих надежность этого изделия в условиях эксплуатационных вибронагрузок.
Реализация результатов работы
Теоретические и практические результаты диссертации внедрены в учебный процесс на кафедре теоретических основ электротехники Казанского
10 государственного энергетического университета и использованы при проведении экспериментов в ОАО "Радиоприбор".
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на аспирантско-магистерском научном семинаре, КГЭУ, Казань 2004, Республиканской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Автоматика и электронное приборостроение", КГТУ им. Туполева, Казань 2004, 16-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий", КФМВАУ, Казань 2004, Международной молодежной научной конференции "XII Туполевские чтения", КГТУ им. Туполева, Казань 2004, 11-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ, Москва 2005, Международной молодежной научной конференции "Туполевские чтения", КГТУ им. Туполева, Казань 2005, и на аспирантско-магистерском научном семинаре, КГЭУ, Казань 2005. Доложенные результаты работы одобрены специалистами в области разработки методов и средств виброиспытаний приборов и аппаратуры, получены 4 диплома международных научно-технических конференций.
Структура и содержание работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 108 наименований и 27 приложений. Работа изложена на 167 страницах, содержит 35 рисунков и 8 таблиц.
Во введении обоснована актуальность задачи разработки системы формирования и анализа широкополосной случайной нестационарной вибрации (ШСНВ) с повышенными метрологическими характеристиками, сформулированы цель и задачи диссертационной работы. Приведены научная
новизна, структура, содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены методы и средства виброиспытаний приборов и аппаратуры на основе применения электродинамических стендов, математические модели вибропроцессов, методические погрешности формирования и анализа систем для испытаний на широкополосную случайную вибрацию (ШСВ), структурная схема системы воспроизведения широкополосных случайных стационарных вибраций (ШССВ) и ее математическая модель.
Проведенные исследования и анализ вибропроцессов подвижных объектов позволили уточнить математические модели и представить их во временной и частотной областях. Многообразие моделей вибропроцессов требует разработки соответствующих методов и средств формирования и анализа. В настоящее время при воспроизведении вибраций в лабораторных условиях наиболее широко применяются электродинамические стенды, которые в сравнении с вибраторами иного принципа возбуждения возмущающей силы выгодно отличаются по большинству технических характеристик: более широкий динамический и частотный диапазон формируемых вибраций, гибкость управления, простота настройки и др.
Однако неравномерность частотной характеристики этих стендов приводит к необходимости создания многоканальных систем для испытаний на ШССВ. В таких системах появляются специфические погрешности: при формировании - погрешность аппроксимации, а при спектральном анализе -погрешность неортогональности анализирующих фильтров, погрешности случайная и смещения.
Вибропроцессы, возникающие в подвижных объектах при их эксплуатации, носят случайный нестационарный характер, то есть статистические характеристики этих механических колебаний непостоянны и меняются с течением времени. Воспроизведение в лабораторных условиях нестационарных вибропроцессов известными методами приводит к появлению
12 дополнительной погрешности нестационарности. Совокупность указанных погрешностей приводит к уменьшению точности воспроизведения заданного спектра вибрации, тем самым понижается качество систем для испытаний на ШСНВ.
Исходя из анализа эксплуатационных вибронагрузок приборов и аппаратуры и современных систем для виброиспытаний на ШСВ, а также с учетом требований, предъявляемых к таким системам, сформулированы следующие задачи:
1) разработка методов:
повышения точности воспроизведения ШССВ для испытаний приборов и аппаратуры;
имитации ШСНВ с повышенными метрологическими характеристиками для испытаний приборов и аппаратуры;
2) разработка систем:
-для испытаний приборов и аппаратуры на ШССВ на основе разработанных методов, обладающих требуемыми показателями точности воспроизведения заданных спектров вибрации;
- для испытаний приборов и аппаратуры на воздействие ШСНВ на основе
методов с повышенными метрологическими характеристиками
воспроизведения вибропроцессов;
3) реализация разработанных систем для испытаний на ШССВ и ШСНВ
приборов и аппаратуры в виде аппаратно-программных комплексов на
современном испытательном оборудовании с применением
электродинамических стендов.
Во второй главе рассматриваются параметрическая оптимизация системы для виброиспытаний на ШССВ на основе выбора параметров анализирующих фильтров, новый метод формирования и анализа ШССВ, основанный на применении частотной модуляции гармонических сигналов низкочастотным случайным процессом, эквивалентность по плотности распределения вероятности мгновенных значений и по спектральным характеристикам
13 воспроизводимых вибропроцессов предложенного метода формирования и анализа ШССВ.
Для повышения качества виброиспытаний необходимо учитывать особенности средств формирования и анализа вибраций и решать задачи их параметрической оптимизации. Точность воспроизведения заданных спектров широкополосных случайных вибропроцессов определяется рядом факторов, в том числе степенью перекрытия амплитудно-частотных характеристик формирующих и анализирующих фильтров. Показано, что оптимальная частотная характеристика анализирующего канала системы воспроизведения скалярной однокомпонентной вибрации зависит от вида спектров узкополосных сигналов на выходах соседних формирующих каналов.
Предложенный метод формирования и анализа ШССВ на основе применения частотной модуляции гармонических сигналов позволяет уменьшить погрешности спектрального анализа воспроизводимой ШССВ за счет получения квазиортогональных каналов формирования и анализа. В работе приведены формула расчета погрешности спектрального анализа воспроизводимой ШССВ с учетом плотности распределения средней частоты узкополосного анализирующего частотно-модулированного фильтра (ЧМФ) и соотношение для сравнения погрешностей, вызванных неортогональностыо каналов, в предложенном и традиционном методах анализа. Приведен пример вычисления минимальной эффективности предложенного метода формирования и анализа, рассчитываемой без учета плотности распределения средней частоты анализирующего ЧМФ, при условии максимально возможного перекрытия их АЧХ.
В работе рассмотрена эквивалентность предложенного метода формирования и традиционного, основанная на соответствии их спектральных характеристик и плотностей распределения вероятности. Показано, что гармонического сигнал, модулированный по частоте по случайному закону, имеет узкополосный спектр, а сигнал, состоящий из суммы гармоник, которые модулируются низкочастотным шумом в неперекрывающихся между собой частотных диапазонах, имеет широкополосный спектр.
14 Приведен вывод формулы плотности распределения вероятности
синусоидального сигнала со случайной угловой модуляцией. Установлено, что распределение суммы гармонических сигналов со случайной угловой модуляцией при увеличении количества слагаемых имеет нормальное гауссово распределение. Показано, что гауссова случайная величина в результате линейных преобразований сохраняет свой характер, поэтому сигнал после усилителя мощности вибростенда создает колебания стола вибратора также с нормальным распределением.
Результаты исследований по формированию стохастических сигналов разработанным методом позволили вывести формулы, характеризующие его эквивалентность традиционному методу воспроизведения ШССВ по числу гармоник и по времени формирования спектра.
В третьей главе рассматриваются эксплуатационные вибропроцессы, возникающие в приборах и аппаратуре, предложены методы формирования и анализа ШСНВ на электродинамических вибростендах, а также частотно-временной анализ нестационарных вибраций.
Анализ условий эксплуатации ряда приборов и аппаратуры показывает, что действующие на них вибрации носят широкополосный случайный нестационарный характер. Энергетический спектр и дисперсия вибронагрузки этого оборудования претерпевают сильные изменения в течение работы. Поэтому наиболее перспективным направлением в теории виброиспытаний для повышения достоверности оценок вибрационной устойчивости и прочности испытываемых изделий является развитие методов и средств для воспроизведения в лабораторных условиях ШСНВ с имитацией условий эксплуатации. При испытаниях на ШСНВ на основе методов, рассмотренных во второй главе, возникает специфическая погрешность спектрального анализа, обусловленная нестационарностью процесса. Выведено соотношение для расчета оптимального значения времени анализа, минимизирующее суммарную погрешность спектрального анализа ШСНВ.
В работе предлагается метод формирования и анализа ШСНВ, в котором при измерении спектральных характеристик не требуется учитывать погрешность нестационарности. В основе метода лежит идея формирования ШСВ путем частотной модуляции гармонических сигналов, предложенная во второй главе. Применение в вышеизложенном методе модулирующих усилителей вносит нестационарность в формируемые вибропроцессы, а за счет использования в анализаторе усилителей, имеющих обратные коэффициенты усиления, нестационарность устраняется.
Для оценки спектральных характеристик нестационарных вибропроцессов, происходящих в условиях эксплуатации, а также для оценки спектральных характеристик при стендовых испытаниях на виброустойчивость целесообразно использовать методы частотно-временного анализа (ЧВА). В работе для этой цели используется преобразование Габора, которое является разновидностью оконного преобразования Фурье, где в качестве скользящего окна используется гауссова функция. Выбор оконной функции обоснован по критерию минимума произведения ширины сигнала во временной и частотной областях. Применение ЧВА позволило исследовать изменения частотных свойств воспроизводимой нестационарной вибрации во времени.
В четвертой главе рассматриваются программная реализация предложенного метода формирования и анализа ШСНВ, метод контроля динамических характеристик электродинамического вибростенда и методика экспериментальных исследований динамических характеристик испытываемых изделий во время проведения испытаний.
По результатам изложенных выше теоретических исследований разработан алгоритм программы формирования и анализа ШСНВ, который реализован в среде программирования Lab VIEW. В главе изложены принцип работы системы, режимы ее работы и технические характеристики. Разработанная программа, помимо основных задач, производит запись в соответствующие файлы осциллограммы вибрации стола возбудителя и АЧХ вибротракта, нагруженного на изделие. Создана дополнительная программа,
16 осуществляющая частотно-временное преобразование Габора осциллограммы виброиспытаний. Для контроля динамических характеристик электродинамического вибростенда при проведении испытаний в программе предусмотрены модуляторы гармоник, осуществляющие подстройку формируемых вибраций под неравномерности АЧХ вибротракта, нагруженного на изделие. В работе предложена методика определения вибрационной АЧХ изделия, которая основана на сравнении результатов измерений, проводимых в процессе испытаний, и расчетов собственных резонансов вибротракта, нагруженного на безрезонансную массу. Формулы для расчета собственных резонансов вибротракта получены путем представления механической колебательной системы вибровозбудителя в виде электрического колебательного контура. Представленная методика позволяет проводить по результатам испытаний конструкторские доработки.
В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе. Они показывают, что в работе решены задачи, заключающиеся в: анализе метрологических характеристик систем воспроизведения широкополосной случайной вибрации; параметрической оптимизации этих систем путем определения оптимальных частотных характеристик фильтров подсистемы анализа; разработке новых методов формирования и анализа широкополосных случайных стационарных и нестационарных вибропроцессов и реализации этих методов в созданной автоматизированной системе с использованием среды программирования LabVIEW; разработке экспериментально-расчетной методики определения вибрационных динамических характеристик изделий при испытаниях на механические колебания.
Приложения содержат АЧХ различных вибротрактов, ненагруженных и нагруженных на различные массы и изделия, фотографии разработанной цифровой системы для испытаний на ШСНВ, вибростендов и возбудителей, примеры графиков частотно-временных преобразований воспроизводимой вибрации, акты об использовании результатов диссертационной работы, подтверждающие практическую значимость.
17 Положения, выносимые на защиту
На основе полученных в диссертационной работе результатов на защиту выносятся следующие положения:
параметрическая оптимизация системы воспроизведения широкополосной случайной стационарной вибрации по частотной характеристике анализирующих фильтров;
метод формирования и анализа широкополосной случайной стационарной вибрации на основе частотной модуляции полигармонического процесса и применения анализирующих модулированных фильтров;
метод формирования и анализа широкополосной случайной нестационарной вибрации, основанный на знании характеристик и параметров нестационарного процесса формирования возбуждающего сигнала вибростенда;
методика определения динамических характеристик изделий при испытаниях на широкополосную случайную вибрацию.
Системы для испытаний на широкополосную случайную вибрацию на основе электродинамических стендов
В качестве преобразователей механических колебаний в электрические сигналы используются различные типы вибродатчиков: трансформаторные, индуктивные, индукционные, емкостные, омические и пьезоэлектрические. Каждый из указанный типов виброизмерительных преобразователей обладает своими преимуществами и недостатками. Индуктивные и трансформаторные вибропреобразователи малочувствительны к изменению внешних условий, но требуют подвода электрической энергии извне, имеют малый участок линейности амплитудной характеристики, ограничены в частотном диапазоне сверху. Электродинамические и электромагнитные вибропреобразователи, обладая значительной чувствительностью и простотой конструкции, ограничены в частотном диапазоне снизу, имеют большие массы и габариты. Емкостные датчики вибрации, обладающие низким порогом чувствительности, требуют применения сложной аппаратуры и весьма чувствительны к внешним воздействиям. Омические вибропреобразователи с изменяющимся сопротивлением просты по конструкции, но велика их относительная чувствительность к неизмеряемым компонентам вибрации.
Из всех перечисленных типов в практике виброиспытаний нашли широкое применение пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи. Это объясняется тем, что они по своим техническим возможностям (чувствительности, частотному и динамическому диапазону, простоте и надежности конструкции) превосходят другие известные вибропреобразователи высоким значением пьезоэлектрических постоянных, электрическими и механическими характеристиками, простотой изготовления пьезоэлементов с заданными габаритами и формой, относительно невысокой стоимостью.
Контрольно-измерительная аппаратура вибростенда является важным элементом виброустановки, так как предназначена для определения характеристик возбуждаемой вибрации, проверки ее соответствия заданным параметрам и управления формированием возмущающих механических колебаний [88, 89]. Поэтому контрольно-измерительной аппаратуре предъявляются жесткие требования по надежности, точности, скорости обработки результатов и управления стендом. В настоящее время выпущено много различной задающей аппаратуры для управления виброиспытаниями, которую можно разделить на: - аппаратуру управления синусоидальной вибрацией; - аппаратуру управления узкополосной случайной вибрацией; - аппаратуру управления широкополосной случайной вибрацией. При испытаниях на синусоидальную вибрацию измерительные устройства обычно представляют собой простой регистратор амплитуды, а при испытаниях на случайные механические колебания, когда контроль осуществляется по спектральным характеристикам, используются сложные многоканальные анализирующие устройства. Задающая аппаратура управления является универсальным оборудованием и может быть использована в работе с электродинамическими виброустановками различной мощности.
В последнее время с развитием цифровой техники аналоговое контрольно-измерительное оборудование вибростендов заменяется компьютером с программным обеспечением и платой сбора и вывода сигналов. Известны цифровые системы для управления виброиспытаниями "LASER", "COMET" [94], "АСУ" [5], "ЦУВ САНТЕК-ВИБРО", "LMS Test.Lab" [1], "LDS DVC48" и др. Внедрение таких автоматизированных систем существенно повышает качество испытаний благодаря тому, что они обладают лучшими метрологическими характеристиками, компактны, надежны и удобны в работе. Многозадачность этих систем позволяет проводить виброиспытания различными методами, управлять процессами испытаний одновременно на нескольких стендах, а также отображать, записывать и хранить осциллограммы вибросигналов, определять все характеристики периодических и стохастических воспроизводимых механических возмущений.
Для обеспечения надежности приборов и аппаратуры, подвергающихся эксплуатационным механическим воздействиям, в настоящее время широко применяются методы экспериментальной механики, лежащие в основе лабораторных виброиспытаний с имитацией эксплуатационной вибрации. Развитие авиационной и космической техники водного и сухопутного транспорта и других объектов, на которых в условиях работы возникают переменные силы и моменты, порождающие вибрацию, способствовало изучению эксплуатационных механических колебаний и созданию соответствующих методов виброиспытаний. Исследования показали, что в большинстве случаев вибрация носит случайный характер; для ее описания используются модели случайных событий, величин, процессов, методов теории вероятности и математической статистики.
Выбор модели вибрации, то есть некоторой совокупности числовых и функциональных характеристик, представляющих ее свойства, является важнейшей стадией в процессе виброиспытаний, так как принятое описание эксплуатационной вибрации определяет метод и средства оценки параметров вибрации и обработки результатов измерений.
При этом к модели вибрации в общем случае предъявляются следующие требования [85]: принятое описание вибрации должно быть, во-первых, достаточно полным с точки зрения корректной постановки задачи виброиспытаний конкретного вида или класса изделий; во-вторых, обоснованным и, в-третьих, легко интерпретируемым.
Повышение качества подсистем формирования и анализа за счет применения модулированных фильтров
Очевидно, что достоверность оценки вибронадежности приборов и аппаратуры зависит от степени соответствия условий испытаний и эксплуатации. Однако в большинстве практических задач точное воспроизведение эксплуатационных условий во всем их многообразии в подавляющем большинстве ситуаций практически невозможно вследствие несовершенства методов и средств виброиспытаний. Поэтому натурные вибронагрузки заменяют некоторыми модельными механическими колебаниями, эквивалентными в определенном смысле эксплуатационным. Степень близости натурных и испытательных воздействий определяется требованиями точности имитации и спецификой конкретных поставленных задач. В частности, при испытаниях на виброустойчивость модель вибрации должна быть эквивалентна эксплуатационной в статистическом смысле, а при испытаниях на вибропрочность - в энергетическом.
В теории виброиспытаний разработаны методы замены одних видов испытаний другими, эквивалентными, видами, когда в качестве критерия сравнения служит характеристика выхода из строя конструктивных деталей или приборов [76]. Считается, что если два вида испытаний по своей эффективности воздействия одинаковы, то при достоверных критериях сравнения их можно считать взаимозаменяемыми. Причем для заменяемых видов испытаний обязательно должны выполняться два условия эквивалентности различных механических воздействий: 1) эквивалентность двух воздействий на одну и ту же деталь характеризуется равенством степеней повреждения; 2) параметр эквивалентности воздействий (в условиях испытаний или условиях эксплуатации) не зависит от уровней воздействий, когда нагрузки соответствуют максимальному повреждающему действию. На основе гипотезы накапливаемых повреждений Майнера, линий усталостных характеристик В ел ера и с учетом вышеупомянутых условий разработаны методики расчета характеристик вибрации, эквивалентной вибрации другого вида. Как правило, заменяют сложное широкополосное случайное колебание, имитирующее рабочие условия, простым детерминированным колебанием, например, гармоническим с плавно изменяющейся или фиксированной частотой. В зависимости от характеристик заменяемого механического воздействия находят характеристики эквивалентного воздействия, такие, как частотный диапазон, амплитуда и длительность испытаний. Замечено, что использование методов замены эксплуатационной вибрации синусоидальной ведет к увеличению времени испытаний и уровня воздействий. Применение же стохастических вибраций дает возможность сократить длительность испытаний и позволяет уменьшить общий уровень воспроизводимой вибрации. Согласно отечественным и международным стандартам: ГОСТ 28203-89, ГОСТ 28220-89, ГОСТ 28221-89, ГОСТ 28222-89, ГОСТ 28223-89, ГОСТ 30630.1.2-99, ГОСТ 30630.1.8-2002, ГОСТ 30630.1.9-2002, ИСО 2671:1982, МЭК 60068-2-6:1995, поправка 1:1995, МЭК 60068-2-55:1987, МЭК 60068-2-57:1999, МЭК 60068-2-59:1990, МЭК 60068-2-64:1993, поправка 1:1993,- для разрабатываемых образцов приборов и аппаратуры проводят различные испытания на воздействие вибрации. Возбуждаемые вибрации различаются величиной и характером внешних воздействий и могут быть разделены на следующие виды: 1) испытание на фиксированных режимах гармонической вибрации; 2) испытание на гармоническую вибрацию с частотной модуляцией в некотором частотном диапазоне (метод качающейся частоты); 3) испытание на полигармонические вибрации; 4) испытание на широкополосную случайную стационарную вибрацию; 5) испытание на узкополосную случайную стационарную вибрацию; 6) испытание на натурные вибрации. Математические модели указанных воздействий во временной и частотной областях представлены в табл. 1.5. Результаты некоторых испытаний, как правило, не соответствуют условиям эксплуатации в силу того, что при стендовых вибрационных испытаниях на изделие воздействует вибрация одной частоты. Эта частота может быть постоянной и соответствовать определенной резонансной частоте изделия или же быть переменной и, изменяясь в определенном диапазоне, поочередно возбуждать все резонансные частоты изделия. В условиях же эксплуатации обычно одновременно присутствует не одна частота, а спектр частот, и все имеющиеся резонансы изделия возбуждаются сразу, но уровень отдельных гармонических составляющих действующего спектра частот обычно меняется по случайному закону. Такое различие в воздействующей нагрузке и обусловливает несопоставимость результатов лабораторных испытаний при гармоническом воздействии и в условиях эксплуатации.
Система формирования и анализа широкополосной случайной нестационарной вибрации на электродинамическом стенде
Совокупность допустимых значений воспроизводимой спектральной плотности мощности для формируемого спектра G(co). Выполнение условий (2.38) и (2.39) осуществляется путем выбора амплитуды А, средней частоты сос, девиации частоты Лео, фазы S и скорости частотной модуляции hz{t - т) для каждой из гармоник, входящих в (2.37).
Для спектрального анализа вибрации, формируемой согласно выражению (2.37), можно использовать [8, 10, 11] частотно-модулированные фильтры (ЧМФ), представляющие собой нестационарные частотно-избирательные системы с параметрами, изменяющимися во времени по заданным законам. При правильной настройке такой фильтр способен с высокой разрешающей способностью отслеживать ЧМ-сигнал [25,46].
Особенностью систем для виброиспытаний является то, что формируемые сигналы для механических колебаний стола вибратора могут быть использованы в анализаторе. Поэтому по известным случайным законам модуляции гармонических сигналов, формирующих ШССВ, можно адекватно настраивать ЧМФ.
На рис. 2.2 представлена структурная схема системы для виброиспытаний на ШССВ, основанная на формировании случайного сигнала согласно выражению (2.37) и применении модулированных фильтров для анализа (АМФ). В каждом канале формирователи частотной модуляции ФЧМ, состоящие из последовательно соединенных шумового генератора ГШ и фильтра нижних частот ФНЧ, вырабатывают случайные сигналы управления частотой соответствующих генераторов гармонических сигналов ГГС и средней частотой АМФ. Сигналы с ГГС после усилителя УФС поступают на сумматор I, выход которого соединен с входом усилителя мощности УМ вибростенда ВС. Возбудитель вибрации ВВ преобразует сигнал в механические колебания стола, на котором закреплены испытываемое изделие ИИ и датчик вибрации ДВ. Сигнал с ДВ поступает в многоканальный анализатор, каждый канал которого содержит последовательно соединенные АМФ и амплитудный детектор АД. Устройство сравнения вырабатывает управляющие сигналы на УФС по результатам обработки сигналов с АМФ и заданного значения дисперсии D3. С выходов АД сигналы поступают на индикаторное устройство ИУ, отображающее график спектра воспроизводимой вибрации.
На рис. 2.3 приведены нормированные АЧХ анализирующих фильтров ф і (со) с полосой пропускания Асомф, используемых в рассмотренной системе воспроизведения ШССВ. Из рисунка видно, что если средние частоты фильтров сомф настроены на средние частоты рабочих подполос Асодиап, то значение Єф в выражении (1.44) пренебрежимо мало, что говорит о высокой степени ортогонализации и разрешающей способности этих фильтров.
Рис. 2.4 иллюстрирует максимально возможное перекрытие АЧХ модулированных фильтров, возникающее в случаях, когда анализирующие фильтры в соседних каналах будут настроены так, что средние частоты окажутся на границах рабочих поддиапазонов. Погрешность, обусловленная перекрытием характеристик частотно-избирательных систем, в этом примере для статического режима может быть найдена по формуле
Вследствие того, что анализирующие ЧМФ в предложенном методе перестраиваются по случайному закону, в формулу для расчета погрешности неортогональности необходимо ввести величины, оценивающие вероятность перекрытия АЧХ ЧМ-фильтров. Если обозначить р{1-\,щ) плотность распределения вероятности перекрытия АЧХ /-1-го и /-го ЧМФ, а і?(а /,со/+і) -плотность распределения вероятности перекрытия АЧХ /-го и /+1-го ЧМФ, тогда погрешность неортогональности /-го анализирующего ЧМФ для предложенной системы формирования и анализа ШССВ
Контроль динамических характеристик электродинамического вибростенда при нагружении испытываемым изделием
Для повышения достоверности оценок вибрационной устойчивости и прочности испытываемых изделий наиболее перспективным направлением в теории виброиспытаний является развитие методов и средств для воспроизведения в лабораторных условиях вибрации с имитацией по выбранному способу описания условий эксплуатации.
Ввиду отсутствия единого методологического подхода для классификации нестационарных эксплуатационных процессов и в связи с принятой в теории виброиспытаний концепцией о том, что формирование ШСВ осуществляется по спектральной функции определенного вида с заданными параметрами, к системам для имитации эксплуатационной вибрации предъявляются требования по воспроизведению случайной вибрации с изменяющимся спектром G3((D,t). Уровни спектральной плотности мощности формируемых вибрационных процессов и их изменение в процессе испытаний необходимо воспроизводить по заданной программе, регламентированной соответствующими нормативными документами.
Для реализации испытаний на ШСНВ можно использовать систему воспроизведения ШССВ, описанную в параграфе 1.3, предусмотрев в ней управление усилителями РУ по заданным модулирующим законам. Однако в этом случае при анализе возникает известная погрешность нестационарности єнс (1.50), с учетом которой суммарная методическая погрешность спектрального анализа системы для испытаний найдется [20, 21] по формуле
В настоящее время существуют различные способы уменьшения погрешности нестационарности для формирования заданной ШСНВ. С этой целью, например, можно использовать запатентованное устройство [3], в котором предварительно измеряют АЧХ вибростенда Кв+и((о), нагруженного изделием, для настройки корректирующего формирователя, частотный коэффициент передачи которого должен быть обратно-пропорциональным АГв+и(ю). Во время испытаний сформированный по заданной программе случайный нестационарный сигнал подается для преобразования в механические колебания на последовательно соединенные корректор и вибростенд, частотная характеристика которых в совокупности равномерна. Таким образом, воспроизводят ШСНВ, учитывая неравномерности АЧХ вибростенда с испытуемым образцом. Необходимо отметить, что на основе описанной системы возможно проведение испытаний на натурные вибрации, однако достоверность оценки вибрационной надежности в этом случае будет определяться эргодичностью воспроизводимого эксплуатационного процесса. Недостатком указанной системы является отсутствие контроля над воспроизводимой вибрацией, что в процессе испытаний, при изменений динамических характеристик вибровозбудителя или изделия, может привести к существенным отклонениям параметров механических возмущений от заданных. Как известно, погрешность нестационарности в системе имитации ШСНВ добавляется анализатором, который стоит в цепи обратной связи (рис. 1.6) и предназначен для поддержания заданного уровня вибрации в рабочей точке контроля и коррекции нестабильности АЧХ вибротракта, обусловленной изменением его механических параметров в процессе испытаний. Особенностью измерения спектра вибрации в системе имитации является то, что нестационарность процесса известна и определена заданием. На основе этой особенности разработано устройство для испытаний на ШСНВ [2], которое отличается от системы, описанной в параграфе 1.3, тем, что содержит в каналах формирования дополнительные управляемые усилители (УУ), а в каждом канале анализатора - управляемые делители (УД). Каждый выход за датчика нестационарности соединен с управляющими входами УУ и УД, расположенными в соответствующих каналах системы. Устройство работает следующим образом: предварительно производится настройка усилителей РУ для выравнивания общей АЧХ корректора и вибростенда с изделием, затем включают задатчик нестационарности, который изменяет уровни формируемой спектральной плотности мощности по программе. Введение в каждый канал формирования второго усилителя, управляемого синхронно с управляющим делителем одноименной цепи обратной связи с выхода программного задатчика, позволяет сделать независимыми цепи управления равномерностью АЧХ вибротракта и управления заданной нестационарностью. Таким образом, рассмотренное устройство по сравнению с известными позволяет проводить испытания изделий на случайные нестационарные вибрации на вибростендах с неравномерными АЧХ без дополнительной погрешности анализа из-за нестационарности воспроизводимых вибраций.
