Приложение 7. Методы измерения параметров удара

Приложение 7
Обязательное

Методы измерения параметров удара

1. Общие положения

1.1. При измерении параметров удара необходимо регистрировать:

пиковое ударное ускорение;

длительность действия ударного ускорения;

форму импульса ударного ускорения.

Кроме того, для характеристики испытательного режима в случае, когда амплитуда ускорения наложенных колебаний составляет более 5% амплитуды ускорения ударного импульса, необходимо учитывать относительную амплитуду ускорения и частоту наложенных колебаний. Рекомендуется также регистрировать длительность фронта ударного ускорения.

1.2. Измерение параметров удара должно проводиться одним из следующих методов:

с помощью пьезоэлектрического измерительного преобразователя (ИП) с известным коэффициентом преобразования;

по изменению скорости при ударе с использованием ИП с неизвестным коэффициентом преобразования;

крешерным методом (только для измерения ускорения).

Предпочтительным является первый метод. Однако применение его может быть затруднено из-за отсутствия возможности определения коэффициента преобразования ИП в ударном режиме при ускорениях выше 30000 . В этом случае рекомендуются два других метода.

Причем измерения параметров удара по изменению скорости рекомендуются для стендов, у которых удар о неподвижную преграду формируется при принудительном разгоне метаемого тела, а также для стендов со свободно падающим столом.

Крешерный метод, как правило, является дополнительным.

2. Метод измерения параметров удара с помощью ИП с известным коэффициентом преобразования

2.1. Требования к измерительной аппаратуре

2.1.1. Для измерений следует использовать аппаратуру, структурная схема которой представлена на черт. 20 настоящего приложения:

1 - измерительный преобразователь (ИП), предназначенный для преобразования ускорения в электрический сигнал; в качестве ИП следует использовать пьезоэлектрический преобразователь ускорения (пьезоэлектрический акселерометр);

2 - согласующий усилитель (СУ), служащий для согласования выходного сопротивления пьезоэлектрического измерительного преобразователя с входным сопротивлением регистрирующего прибора (для этой цели могут быть использованы катодный или истоковый повторитель, усилитель заряда и т.п.);

3 - фильтр, необходимый для снижения уровня шумов согласующего усилителя, исключения влияния резонанса измерительного преобразователя и уменьшения амплитуды наложенных колебаний на кривой ударного импульса с целью улучшения различимости осциллограммы при измерении;

4 - регистрирующий прибор (РП), служащий для непосредственного наблюдения формы ударного импульса и отсчета его параметров.

В качестве РП рекомендуется использовать электронные осциллографы со ждущей разверткой и с временем запоминания, превышающим минимально необходимое время считывания параметров осциллограммы.

Для документального оформления результатов измерения удара рекомендуется фотографировать осциллограммы импульса ударного ускорения или переводить их с экрана осциллографа на прозрачную бумагу.

Фотографирование изображений импульса с экрана осциллографа возможно с помощью любой зеркальной фотокамеры (например, "Зенит"), Для уменьшения расстояния от фотографируемого объекта до величины, согласованной с длиной тубуса осциллографа, объектив с фокусным расстоянием 50 мм устанавливают в специальный тубус (кольцо, переходник) длиной 8-9 мм, в случае необходимости длину его уточняют экспериментально.

2.1.2. Измерительный преобразователь должен быть жестко закреплен в контрольной точке. Измерительный преобразователь с резьбовым креплением должен быть ввернут до упора с моментом затяжки, указанным в нормативно-технической документации. При отсутствии в нормативно-технической документации такого указания рекомендуется:

для резьб с диаметром до б мм момент затяжки 1,5-2 ;

для резьб большого диаметра момент затяжки должен увеличиваться на 1,5-2 на каждый миллиметр увеличения диаметра резьбы.

2.1.3. Амплитудно-частотная характеристика аппаратуры (включая измерительный преобразователь) должна соответствовать черт. 21 настоящего приложения. При этом неравномерность амплитудно-частотной характеристики в децибелах должна определяться относительно частоты 400 Гц.

Зависимость нижней и верхней частот среза фильтра, а также частоты, за пределами которой характеристика может подниматься выше  дБ, от длительности импульса представлена в таблице.

Длительность импульса, мс	Нижняя частота среза, Гц		Верхняя частота среза, кГц	Частота, за пределом которой характеристика может подниматься выше +1 дБ, кГц
	4	16	30	40
	4	16	15	40
	4	16	5	25
	1	4	5	25

2.1.4. Первая резонансная частота закрепленного измерительного преобразователя должна быть:

не менее 50 кГц для измерения импульсов с длительностью фронта 0,05 мс и более:

не менее 25 кГц для измерения импульсов с длительностью фронта 0,1 мс и более;

не менее 10 кГц для измерения импульсов с длительностью фронта 0,5 мс и более.

2.1.5. Нелинейность амплитудной характеристики измерительного преобразователя не должна превышать % в диапазоне измеряемых амплитуд ускорений.

Примечание. Значение первой резонансной частоты закрепленного ИП и нелинейность амплитудной характеристики ИП определяют по паспортным данным или по результатам поверки.

2.1.6. Постоянная времени входной цепи согласующего усилителя RC должна быть не менее 0,2 с, где R - входное сопротивление согласующего усилителя, Ом; С - суммарная емкость измерительного преобразователя, кабеля и входа усилителя, Ф.

2.1.7. Аппаратура для измерения параметров удара должна проходить периодическую поверку. Поверку должна проводить государственная или ведомственная метрологическая служба согласно ГОСТ 8.002*, ГОСТ 8.513** и МИ 1826.

2.2. Измерение пикового ударного ускорения

Измерение пикового ударного ускорения следует проводить по осциллограммам ударного импульса и по известному коэффициенту преобразования измерительного преобразователя. Примеры осциллограмм приведены на черт. 22 настоящего приложения.

Значение пикового ударного ускорения вычисляют по формуле

, (1)

где Р - чувствительность осциллографа по вертикальной оси, мВ/мм (деление сетки);

- амплитуда усредненного импульса, изображенного на чертеже пунктирной линией, мм (деление сетки);

К - коэффициент преобразования ИП, определенный при поверке совместно с согласующим усилителем, (мВ/g) (напряжение и ускорение в амплитудных значениях).

Для повышения точности измерения амплитуды ускорения путем исключения погрешности, вносимой осциллографом, величину Р рекомендуется определять с помощью поверенных приборов класса не менее 2,5 (звукового генератора с ламповым вольтметром или источника постоянного напряжения с вольтметром).

Если импульс ударного ускорения не содержит наложенных колебаний (черт. 22б), то за следует принимать максимальное отклонение луча по вертикали.

Если импульс ударного ускорения содержит наложенные колебания (черт. 22а), то для определения необходимо:

отметить точки, соответствующие серединам участков осциллограммы, которые заключены между двумя соседними экстремумами (максимумами и минимумами) наложенных колебаний;

соединить эти точки плавной линией (пунктирная линия на черт. 22а), максимум этой линии принять за .

Коэффициент преобразования K должен определяться при градуировке в ударном режиме. При этом для измерения амплитуды ускорения   (1000 g) и длительности  мс допускается градуировка в вибрационном режиме.

2.3. Измерение длительности действия ударного ускорения и длительности фронта ударного ускорения

2.3.1. За длительность действия ударного ускорения следует принимать время, в течение которого действуют мгновенные значения ускорения одного знака, удовлетворяющие условию .

Для измерения длительности необходимо зафиксировать на экране осциллографа или на осциллограмме (черт. 22б) горизонтальное отклонение луча n' мм (дел. сетки), которое соответствует отрезку времени на уровне 0,1 , расположенному между передним и задним фронтами импульса, и рассчитать длительность по формуле

, (2)

где - масштаб горизонтальной оси на осциллографе, с/мм (дел. сетки).

Для импульсов с крутыми фронтами (трапецеидальный, полусинусоидальный с большим ускорением и малой длительностью и т.п.) за длительность действия ударного ускорения допускается принимать время, определенное по основанию импульса (черт. 22а).

2.3.2. За длительность фронта ударного ускорения (время фронта удара) следует принимать время, в течение которого происходит нарастание ускорения от нуля до значения , где - пиковое ударное ускорение.

Для измерения длительности фронта ударного ускорения необходимо зафиксировать горизонтальное отклонение луча в мм (дел. сетки) от начала процесса до соответствующего вертикального отклонения (черт. 22а) и провести подсчет по формуле

(3)

2.4. Определение формы импульса ударного ускорения

2.4.1. Определение формы импульса ударного ускорения следует проводить путем сравнения с формами импульсов, изображенными на черт. 23 настоящего приложения.

Для определения формы исходного импульса необходимо получить его изображение на экране осциллографа. При этом временная развертка должна быть выбрана такой, чтобы наблюдать на экране импульс на временном участие, включающем в себя 0,4 до начала импульса, длительность действия ударного ускорения и время, равное после импульса ударного ускорения.

Если осциллограмму импульса ударного ускорения можно заключить между пунктирными линиями, соответствующими допуску на пилообразный импульс (черт. 23а), то форму импульса ударного ускорения следует классифицировать как пилообразную (или треугольную).

Если осциллограмму импульса ударного ускорения можно заключить между пунктирными линиями, соответствующими допуску на полусинусоиду (черт 23б), то форму импульса ударного ускорения следует классифицировать как полусинусоидальную.

Если осциллограмму импульса ударного ускорения можно заключить между пунктирными линиями, соответствующими допуску на трапецеидальный импульс (черт. 23в), то форму импульса ударного ускорения следует классифицировать как трапецеидальную.

2.4.2. Если осциллограмму импульса ударного ускорения нельзя заключить между пунктирными линиями, соответствующими допускам для приведенных на черт. 23 импульсов, то для характеристики формы необходимо указать:

название одной из подходящих геометрических фигур (близкая к пилообразной, близкая к полусинусоидальной, близкая к трапецеидальной, колоколообразная, близкая к пилообразной с наложенными колебаниями, имеющими частоту кГц, и амплитуду ускорения , составляющую n % пикового ударного ускорения и т.п.);

- длительность фронта ударного ускорения;

- длительность действия ударного ускорения.

Например, форма импульса ударного ускорения близка к пилообразной с длительностью фронта ударного импульса  мс при длительности  мс с наложенными колебаниями, имеющими частоту  кГц и амплитуду ускорения .

2.4.3. Оценку частоты наложенных колебаний на кривой импульса ударного ускорения следует проводить путем подсчета на осциллограмме числа периодов наложенных колебаний , приходящихся на любой отрезок горизонтальной оси осциллограммы, который составляет не менее пяти периодов наложенных колебаний. Рекомендуется за такой отрезок принимать отрезок, соответствующий длительности действия ударного ускорения.

Если наложенные колебания лучше просматриваются во временном отрезке, следующем за действием импульса, то допускается подсчет их периодов проводить на этом участке остаточных колебаний.

Частоту наложенных колебаний в Гц рассчитывают по формуле

, (4)

где - число периодов наложенных колебаний на учитываемом отрезке осциллограммы;

t - время, соответствующее длине учитываемого отрезка.

2.4.4. Для оценки формы импульса ударного ускорения рекомендуется следующее:

а) перевести на кальку (или на фотобумагу) осциллограмму импульса;

б) отметить на ней значения, соответствующие длительности и амплитуде ускорения , исключив при этом из максимального отклонения луча по вертикали амплитуду ускорения наложенных колебаний ;

в) для значений и вычертить на кальке одну из трех нормированных форм импульсов, в одном масштабе с исходным импульсом, наиболее подходящую для сравнения с исходным импульсом, приняв для нее:

- для пилообразной формы;

- для полусинусоидальной формы;

- для трапецеидальной формы.

Нанести на эту же кальку по данным черт. 23 пунктирные линии, соответствующие границам допусков выбранного для сравнения нормированного импульса;

г) наложить кальку с вычерченными границами допусков на осциллограмму исходного импульса и оценить его форму по размещению внутри граничных линий; если исходный импульс ударного ускорения не размещается внутри граничных линий, оценить форму исходного импульса по данным и согласно пп. 2.4.2 и 2.4.3.

На черт. 24 приведена последовательность операций, необходимая для оценки полусинусоидальной формы импульса.

2.4.5. Для более оперативной оценки формы импульса ударного ускорения допускается пользоваться трафаретами нормированных форм, изготовленными заранее для ряда фиксированных значений длительности.

Для этого следует:

на изображение импульса ударного ускорения на экране осциллографа наложить трафарет таким образом, чтобы совместить отрезки, соответствующие длительности ;

варьируя величиной вертикального усиления осциллографа, установить значение исходного импульса ударного ускорения на одном горизонтальном уровне с амплитудой ускорения нормированного импульса на трафарете;

по размещению исходного импульса внутри границ трафарета или за их пределами оценить форму исходного импульса ударного ускорения в соответствии с п. 2.4.1 или пп. 2.4.2 и 2.4.3.

2.5. Определение относительной амплитуды ускорения наложенных колебаний

Определение относительной амплитуды ускорения наложенных колебаний проводят по осциллограмме импульса ударного ускорения по формуле

, (5)

где - отклонение луча осциллографа от линии усредненного профиля импульса, соответствующее амплитуде наложенных колебаний, мм (делений сетки);

Р - чувствительность осциллографа по вертикальной оси, мВ/мм (делений сетки);

K - коэффициент преобразования ИП, определенный совместное согласующим усилителем, (мВ/g) (напряжение и ускорение в амплитудных значениях);

- амплитуда импульса ударного ускорения, (g).

3. Метод измерения параметров удара по изменению скорости с использованием ИП с неизвестным коэффициентом преобразования

Это метод косвенных измерений. Суть его заключается в измерении осциллограммы ударного импульса ускорения, определении изменения скорости при ударе и расчете на основании этих данных пикового ускорения.

3.1. Аппаратура

Схема измерений и требования к аппаратуре - в соответствии с требованиями п. 2.1 настоящего приложения, за исключением пп. 2.1.5 и 2.1.7.

3.2. Определение пикового ударного ускорения

3.2.1. Для любой формы ударного импульса пиковое ударное ускорение вычисляют по формуле

, (6)

где N - вертикальное отклонение луча осциллографа, соответствующее пиковому ускорению при ударе, мм;

- изменение скорости при ударе, ;

- площадь осциллограммы импульса ударного ускорения, , которая ограничена кривой ускорения и участком оси времени, равным T и включающим в себя длительность действия ударного ускорения tau и время 0,4 до удара 0,1 после удара.

;

- масштаб горизонтальной шкалы осциллографа, с/мм.

3.2.2. Изменение скорости при ударе определяется разностью векторов скоростей прохождения мерной базы до и после удара и вычисляется по формуле

, (7)

где L - размер мерной базы;

- время прохождения мерной базы до и после удара соответственно, с.

Мерная база должна быть жестко закреплена на стенде и определение ее размера L должно проводиться с точностью до сотых долей миллиметра.

Измерение времени прохождения мерной базы рекомендуется проводить с помощью фотодиода и осциллографа согласно схеме черт. 25 настоящего приложения.

Мерная база является подвижной заслонкой луча света, падающего на фотодиод. При перекрытии луча света перед ударом происходит затемнение фотодиода и одновременный запуск луча осциллографа. При этом электронный луч зафиксирует на экране время в течение которого фотодиод находится в затемненном состоянии.

Время соответствует времени прохождения мерной базы перед ударом.

После удара мерная база вновь перекроет луч света и затемнит фотодиод при движении стола стенда в обратном направлении в течение времени , соответствующего времени прохождения мерной базы при отскоке.

Расположение фотодиода, диафрагм и источника света, а также конструкция мерной базы должны быть такими, чтобы измерение времени прохождения мерной базы проводилось на участке, расположенном на расстоянии 1-2 мм от поверхности соударения.

Допускается применение любых других способов измерения изменения скорости, обеспечивающих погрешность измерения не более %.

Если можно пренебречь эффектом торможения (для ударных стендов со свободно падающим столом), то изменение скорости при ударе рассчитывают по формуле

, (8)

где H, h - высоты падения и отскока соответственно.

3.2.3. Если форму импульса ударного ускорения можно классифицировать как пилообразную, то ударное пиковое ускорение можно определить по формуле

. (9)

Если форму импульса ударного ускорения можно классифицировать как полусинусоидальную, то ударное пиковое ускорение можно приближенно определить по формуле

. (10)

3.2.4. Измерение остальных параметров удара

Измерение длительности действия ударного ускорения , длительности фронта ударного ускорения , определение формы импульса ударного ускорения, частоты и относительного ускорения наложенных колебаний следует проводить в полном соответствии с пп. 2.3-2.5 настоящего приложения.

4. Метод измерения ускрения крешерным методом

4.1. Принцип метода

Крешерный метод измерения больших ускорений при ударе основан на равенстве произведенной работы при медленном воздействии силы, прилагаемой при тарировании крешеров, и работы, произведенной ударом в измеряемом процессе, что имеет место при условии

,

где - собственная частота инерционного элемента крешера, кГц;

- длительность действия ударного ускорения, мс.

Это условие выполняется при подборе размеров массы и материалов инерционного элемента и крешера. Ускорение определяют по величине отпечатка, полученного при ударе в результате накола крешера острием инерционного элемента, путем сравнения размеров отпечатка с данными тарировочной кривой.

4.2. Конструкция крешерных устройств

Одна из возможных конструкций крешерного устройства, пригодного для измерения ускорений до 500000 (50000 g), приведена на черт. 26 настоящего приложения. Инерционное тело такого устройства изготовляют из закаленной инструментальной стали с твердостью 61... 63 . Масса инерционного тела рекомендуется в пределах 5,0-10 г при значении измеряемого ускорения 10000-500000  (1000-50000 g) соответственно. Угол конуса подбирают экспериментально в пределах 90-120° в зависимости от материала крешера и длительности импульса. Длина цилиндрической части инерционного тела рекомендуется в пределах (2-3) d.

Для измерений ускорений свыше 50000 (5000 g) крешер изготовляют из алюминия. Диаметр крешера D рекомендуется в пределах 10-15 мм, а высота (0,5-0,7) D. Меньший диаметр применяют при измерении больших ускорений. Торцовые поверхности крешера полируют.

Для измерений ускорений меньше 50000 (5000 g) крешер изготовляют из свинца в соответствии с черт. 27 настоящего приложения. Чашку изготовляют из стали, латуни с толщиной стенок 2-3 мм. При заливке чашку нагревают до температуры плавления свинца и после заполнения медленно охлаждают до нормальной температуры (время понижения температуры - не менее 1 ч). С внутренним диаметром корпуса инерционный элемент и крешер сопрягаются по скользящей посадке.

В крешерных устройствах, основанных на продольной остаточной деформации, об ускорении судят по величине деформации, в устройствах, работающих на смятие острия крешера, - по диаметру площади на острие.

4.3. Тарирование крешеров

Для выполнения серии измерений требуется партия крешеров не менее 24 шт., изготовленных из одного прутка алюминия, меди или одного курса свинца; 12 крешеров необходимы для статической тарировки, остальные используют для измерений ускорений.

Для статической калибровки крешеров устройство устанавливают на прессе (черт. 28), где последовательно задают статические нагрузки , контролируемые динамометром, причем значение Q выбирают в зависимости от массы инерционного элемента и измеряемых в процессе удара ускорений

, (11)

где - сила, Н;

- ускорение, соответствующее ;

m - масса инерционного тела, кг.

Для каждой ступени нагрузок используют не менее трех крешеров.

Диаметр лунки, оставляемый инерционным элементом на крешере, измеряют с помощью микроскопа, при этом необходимо делать не менее трех измерений в каждом из двух взаимно перпендикулярных направлений. За окончательный диаметр лунки принимают среднеарифметическое из 18 измерений (шесть измерений на каждый из трех крешеров).

По результатам усредненных измерений с учетом уравнения (11) строится зависимость (черт. 29)

,

где - усредненный диаметр лунки на крешере, мм;

j - ускорение, g.

4.4. Измерение пикового ударного ускорения

Для измерения пикового ударного ускорения крешерное устройство устанавливают на стол ударного стенда. После выполнения удара крешер снимают, проводят измерения диаметра лунки и по графику тарировки (черт. 29) определяют значение ускорения. Если крешерный метод - основное средство измерения ускорений, то для получения более достоверных данных о значении ускорения необходимо произвести три удара, каждый раз устанавливая новый крешер. В этом случае значение ускорения определяют по средним данным от трех крешеров.

5. Определение длительности действия ударного ускорения

5.1. Длительность действия ударного ускорения может быть измерена как время нахождения в контакте металлических соударяющихся поверхностей с помощью осциллографа (черт. 30) или любым иным методом. При измерениях с помощью схемы черт. 30 порог срабатывания осциллографа настраивают несколько выше падения напряжения на , при разомкнутой цепи бойка-наковальни. Сопротивление резистора рекомендуется принимать 0,1-1,0 кОм, , напряжение источника питания 1-12 В.

Допускается измерение длительности действия ударного ускорения с помощью ИП, имеющего неизвестный коэффициент преобразования и имеющего собственную частоту, удовлетворяющую условию .

______________________________

* На территории Российской Федерации действуют ПР 50.2.002-94.

** На территории Российской Федерации действуют ПР 50.2.006-94.