Приложение А (справочное). Руководство по проведению испытаний с воспроизведением акселерограммы процесса и импульсов биений

Приложение А
(справочное)

Руководство по проведению испытаний с воспроизведением акселерограммы процесса и импульсов биений

А.1 Вводные замечания

А.1.1 Общие положения

Для того, чтобы продемонстрировать способность испытуемых изделий противостоять динамическим воздействиям, существует ряд методов испытаний - от самого простого и широко распространенного с воспроизведением непрерывного гармонического возбуждения до специализированных, применяемых в конкретных обстоятельствах и призванных имитировать динамические воздействия, встречающиеся в процессе эксплуатации этих изделий. К последним относится, в частности, рассматриваемый в настоящем стандарте метод испытаний с воспроизведением акселерограммы процесса и импульсов биений. Вместе с тем применение данного метода не обязательно должно быть связано с наблюдаемыми реальными динамическими воздействиями на изделия.

Стандартизация условий испытаний, их параметров и допусков обеспечивает получение схожих результатов испытаний при их проведении разными лабораториями. Кроме того, это позволяет классифицировать изделия по группам в зависимости от их способности противостоять воздействию вибрации определенной жесткости.

В практике испытаний с приложением вибрационных воздействий обычным является этап исследования частотной характеристики образца с целью обнаружить его критические частоты в интересующем диапазоне частот. На последующем, основном этапе испытаний, когда образец подвергается воздействию вибрации заданной жесткости, возбуждение может осуществляться на установленных критических частотах в течение определенного времени.

Обычно исследование частотной характеристики образца выполняют с использованием однонаправленного гармонического возбуждения с циклом качания частоты по заданному диапазону. При этом амплитуда вибрации не должна быть слишком большой, чтобы производимое воздействие на образец не было сопоставимо с тем, что будет иметь место на основном этапе испытаний, а скорость качания частоты должна быть достаточно медленной, чтобы не допускать проскоков критических частот.

Исследования частотной характеристики могут выполняться не только до, но и после испытаний образца на вибрацию с заданной жесткостью. В этом случае сравнение двух частотных характеристик позволяет выявить изменения, случившиеся с образцом в процессе испытаний. Обнаружение таких изменений может свидетельствовать о накопившихся усталостных повреждениях в образце и его непригодности к дальнейшей эксплуатации (см. IEC 60068-3-8).

Особого внимания требуют испытания образцов больших размеров или большой массы, у которых центр тяжести может находиться на значительном удалении от геометрического центра образца. Такие образцы провоцируют появление паразитных поперечных и угловых колебаний вибростола, при которых соблюдение допусков на воспроизводимую вибрацию становится затруднительным.

А.1.2 Испытания с воспроизведением акселерограммы процесса

Этот метод испытания обычно применяют в ситуациях, когда:

a) требуется как можно более точно воспроизвести реальные условия динамических воздействий на изделие;

b) информации об испытуемом образце недостаточно и получить ее затруднительно (например, информацию о критических частотах образца).

По сравнению с другими методами испытаний на вибрацию, данный метод позволяет избежать чрезмерного нагружения образца, поскольку используемое в нем воздействие близко по своей природе к реальным воздействиям на изделие в процессе его применения, и вероятность появления избыточных механических напряжений и усталостных повреждений меньше, чем это бывает при применении других методов.

Спектр отклика, который соответствует реальным условиям эксплуатации, устанавливают при разработке соответствующего нормативного документа. Обычно при этом используют коэффициент демпфирования, соответствующий реальному демпфированию образца. Такой спектр отклика называют заданным. Лаборатория, проводящая испытания образца, должна обеспечить воспроизведение заданного спектра отклика, однако вибрации, в действительности возбуждаемой в процессе испытаний, соответствует несколько иной спектр отклика, который называют реальным. Для проверки соблюдения условий испытаний реальный спектр отклика сравнивают с заданным. Условия считают соблюденными, если кривая реального спектра отклика не опускается ниже кривой заданного спектра отклика во всем диапазоне частот. Для получения реального спектра отклика часто проводят предварительные пробные испытания, в которых испытуемый образец заменяют эквивалентной массой. Это позволяет лаборатории корректировать возбуждаемую вибрацию, не перегружая образец и не вызывая в нем лишних усталостных повреждений.

Допуски на реальный спектр отклика должны быть указаны в соответствующем нормативном документе, однако если отдельные точки незначительно выходят за область допуска (см. рисунок 4), то условия испытаний еще можно считать выполненными. В некоторых случаях при испытании образца значительной массы или больших размеров может оказаться невозможным воспроизведение вибрации на определенных частотах в пределах заданных допусков. В этом случае нормативным документом может быть предусмотрено расширение границ допуска или выполнение испытаний другим методом (см. также 4.4.4).

Метод воспроизведения заданной акселерограммы требует использования сложной и точной аппаратуры, а также цифровой обработки данных для управления испытаниями и анализа вибрации.

А.1.3 Рекомендации по синтезу заданного спектра отклика

Данные рекомендации применяют в ситуациях, когда реальные условия возбуждения образца при эксплуатации известны неточно. В этом случае спектр отклика задают в логарифмическом масштабе по обеим осям в форме, показанной на рисунке А.1, для чего:

a) определяют диапазон частот испытаний (от f₁ до f₂) согласно таблице 2;

b) определяют ускорение нулевого периода (в единицах g_n), обычно выбирая его значение из ряда: 1, 2, 5, 10, 20;

c) на участке между f₁ и 2f₁ кривую спектра отклика задают линейно возрастающей со скоростью 12 дБ/октава;

d) уровень плоского участка максимума спектра отклика между частотами 2f₁ и f₂/3 задают в единицах ускорения нулевого периода равным

- 2,24 при коэффициенте демпфирования 10 %,

- 3 при коэффициенте демпфирования 5 %,

- 5 при коэффициенте демпфирования 2 %.

Рисунок А.1 - Рекомендуемая общая форма для заданного спектра отклика

е) на участке между f₂/3 и 2f₂/3 спектр отклика задают спадающим по линейному закону до значения ускорения нулевого периода.

Спектр отклика задают для каждого направления поступательного возбуждения отдельно или, по крайней мере, используют два спектра отклика - один для возбуждения в горизонтальном направлении и другой для возбуждения в вертикальном направлении.

Если коэффициент демпфирования образца находится в диапазоне от 2 % до 10 %, то рекомендуется при задании спектра отклика использовать значение 5 %. Если типичный коэффициент демпфирования образца меньше или равен 2 %, то рекомендуется при задании спектра отклика использовать значение 2 %, а если коэффициент демпфирования больше или равен 10 %, то рекомендуется при задании спектра отклика использовать значение 10 %.

Примечание - Если частота f₁ лежит ниже 0,8 Гц, то на участке от f₁ до 1,6 Гц спектр отклика растет по линейному закону со скоростью 12 дБ/октава.

А.1.4 Число циклов высоких напряжений

Воспроизведение эффектов малоцикловой усталости, обусловленной воздействием вибрации (например, вследствие землетрясений или взрывов), требует моделирования условий применения изделия с максимально возможной точностью. При отсутствии достаточной информации об условиях применения изделия или если моделирование таких условий сопряжено с трудностями, то жесткость условий испытаний задают с некоторым запасом. Обычно этот запас определяют, исходя из наиболее неблагоприятных возможных условий применения. Так, в случае моделирования возбуждения последовательностью импульсов биений с некоторым запасом должны быть определены уровень вибрации и число импульсов в последовательности.

В случае испытаний с воспроизведением акселерограммы процесса запас по жесткости условий испытаний обеспечивают тем, что, во-первых, кривая реального спектра отклика не должна быть ниже кривой заданного спектра отклика. Это обеспечит получение максимального требуемого отклика от каждого осциллятора. Во-вторых, длительность значимой части акселерограммы должна быть равна или больше характерной длительности соответствующего природного процесса.

Такой подход может оказаться недостаточным, поскольку не в полной мере учитывает влияние быстропеременных воздействий высокого уровня. Такие воздействия особенно опасны для образца, если они имеют место на его резонансных частотах и вызывают неупругие деформации. В этом случае помочь в выборе подходящих условий испытаний может моделирование динамических воздействий, которым изделие подвергается на практике.

Совместный анализ сигналов, моделирующих определенные воздействия в природных условиях, и свойств образца позволяет при необходимости учесть влияние циклов высоких напряжений. На практике это осуществляют, подсчитывая число циклов высоких напряжений, превышающих некоторый установленный уровень, для каждого осциллятора из ансамбля, определяющего спектр отклика. Поскольку накопление усталостных повреждений резко замедляется с уменьшением амплитуды, зачастую достаточно принимать во внимание только большие пики, превышающие заданный уровень (см. рисунок 5). Последний во многом зависит от свойств материала образца накапливать усталостные повреждения и расположения областей, где усталостные повреждения имеют место.

А.2 Испытания с воспроизведением импульсов биений

А.2.1 Общие положения

Данный метод испытаний хорошо подходит для ситуаций, когда изделие при его практическом использовании подвергается воздействию пульсаций или осцилляции короткой длительности, чьи характеристики точно не известны. В частности, это относится к испытаниям оборудования, устанавливаемого внутри сооружений, которые сами могут являться объектом случайного или полигармонического воздействия. В ответ на такое воздействие конструкция сооружения совершает колебания на резонансных частотах, которые воздействуют на установленное оборудование и могут быть хорошо описаны последовательностью синусоидальных импульсов с гармоническим заполнением. Таким образом, испытания с воспроизведением импульсов биений соответствуют реальным условиям возбуждения изделия при его использовании. Кроме того, возбуждение в форме последовательности импульсов с заполнением обеспечивает воздействие более широкополосное, а значит вызывающее меньшее повреждение образца, чем при непрерывном гармоническом возбуждении.

Частоту заполнения импульсов определяют на основе исследований частотной характеристики образца либо задают заранее. Возможна также комбинация этих двух подходов. Если никакой предварительной информации для определения частоты несущей нет, то испытания проводят с разными частотами несущей, изменяя их последовательно с шагом, не превышающим половину октавы, так чтобы охватить весь диапазон частот испытаний. Чем больше у образца критических частот, тем менее подходящим будет данный метод испытаний ввиду недостаточной репрезентативности условий испытаний для механизма накопления усталостных повреждений. В этом случае рекомендуется рассмотреть возможность применения других методов.

А.2.2 Соотношения между сигналами возбуждения в форме перемещения, скорости и ускорения

А.2.2.1 Вид сигнала возбуждения

Математическое выражение сигнала возбуждения fa(t) в форме импульса с заполнением имеет вид

,

где 0 t ;

a₀ - уровень вибрации (ускорения);

f - частота возбуждения;

- отношение частоты возбуждения к частоте модуляции.

Поскольку величины ускорения, скорости и перемещения взаимосвязаны, только одну из них используют для определения сигнала возбуждения, после чего форма сигнала возбуждения может быть пересчитана для двух других величин.

Если в качестве базовой величины взять ускорение, то значение перемещения в конце импульса будет в общем случае отлично от нуля.

Чтобы уменьшить этот эффект, в А.2.2.2 рассматриваются формы сигналов, полученных с использованием в качестве базовой величины скорости вибрации.

А.2.2.2 Взаимосвязь сигналов возбуждения для разных величин

Если в качестве базовой величины принять скорость v(t), то выражение для импульса с гармоническим заполнением будет иметь вид

или

,

где 0 t , а m - отношение частоты возбуждения к частоте модуляции для сигнала ускорения, равное 2n, где n - число периодов несущей в импульсе ускорения.

Тогда сигнал импульса для ускорения и перемещения можно записать в виде соответственно:

,

.

Примечание 1 - Сигналы, описываемые вышеприведенными формулами для случая n = 5, показаны на рисунке А.2.

Примечание 2 - Представление импульса с заполнением в виде суммы двух гармонических сигналов с близкими частотами обусловливает применение термина "биение".

А.2.3 Уровень вибрации

Соотношения между уровнями вибрации, описываемой в единицах перемещения, скорости и ускорения, могут быть определены с достаточной точностью тем же способом, что и для чисто гармонической вибрации с постоянной частотой. Так, если задан уровень вибрации для ускорения а₀, то уровни вибрации (пиковые значения) для скорости v₀ и перемещения d₀ могут быть получены по приближенным формулам:

,

.

Рисунок А.2 - Стандартизованное представление согласованных импульсов биений сигналов ускорения, скорости и перемещения (пять периодов несущей в одном импульсе для сигнала ускорения)

А.2.4 Малоцикловая усталость

См. А.1.4.