Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 57209-2016 "Вибрация. Руководство по выбору вибростендов. Оборудование для определения динамических свойств конструкций" (утв. и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 2 ноября 2016 г. N 1572-ст)

Vibration. Guidance for selection of vibration generating machines. Equipment for measurements of dynamic properties of structures

ОКС 17.160
Т34

Дата введения - 1 октября 2017 г.
Введен впервые

Предисловие

1 Разработан Федеральным государственным унитарным предприятием "Крыловский государственный научный центр" (ФГУП "КГНЦ"), Открытым акционерным обществом "Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем" (АО "НИЦ КД")

2 Внесен Техническим комитетом по стандартизации ТК 183 "Вибрация, удар и контроль технического состояния"

3 Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 2 ноября 2016 г. N 1572-ст

4 Введен впервые

Введение

Задача выбора вибростенда встает каждый раз, когда необходимо провести испытания на воздействие вибрации для новой продукции или провести эти испытания в режиме, ранее для данной продукции не применявшемся. При этом приходится решать, какому из вариантов отдать предпочтение: приобрести новое испытательное оборудование, модернизировать имеющееся, арендовать оборудование у другой испытательной лаборатории или передать проведение испытаний в полном объеме специализированной лаборатории. В процессе принятия решения следует учитывать ряд факторов:

- цель испытаний [например, определение вибропрочности и (или) виброустойчивости в заданных условиях окружающей среды (в режиме обычных или ускоренных испытаний); определение динамических характеристик конструкции; диагностирование; калибровка];

- требования к испытаниям;

- условия проведения испытаний [например, с возбуждением одного или нескольких типов вибрации; только на вибрацию или в сочетании с другими воздействиями (например, одновременное проведение вибрационных и климатических испытаний)];

- особенности испытуемого объекта.

Настоящий стандарт распространяется только на оборудование, применяемое в испытаниях с целью определения динамических свойств конструкций разного вида. Установленная стандартом процедура выбора исходит, в первую очередь, из требований к таким испытаниям. Однако пользователь стандарта должен иметь в виду, что на выбор испытательного оборудования может существенно повлиять специфика как условий испытаний, так и испытуемого объекта.

Если испытательное оборудование предполагается использовать в испытаниях разных видов, то это также должно быть учтено при его выборе. Так, если оборудование будет использовано и в испытаниях на вибропрочность или виброустойчивость, и в испытаниях для определения динамических свойств конструкций, то при выборе следует вместе с настоящим стандартом руководствоваться рекомендациями ГОСТ Р ИСО 10813-1. В настоящем стандарте предполагается, что выбор оборудования определяется, прежде всего, его способностью возбудить в испытуемой конструкции вибрацию определенного уровня. Чтобы в возбуждаемой вибрации отсутствовали нежелательные составляющие, необходимо использовать соответствующую систему управления испытаниями, однако вопрос выбора системы управления в настоящем стандарте не рассматривается.

Необходимо иметь в виду, что вибростенд (вибровозбудитель) относится к сложным видам оборудования, правильный выбор которого возможен лишь при соответствующей квалификации. В такой ситуации покупатель зачастую вынужден обращаться к помощи третьей стороны. Использование настоящего стандарта может помочь покупателю оценить, насколько обоснованным будет решение по выбору вибростенда, предложенное ему третьей стороной. Кроме того, настоящий стандарт могут использовать проектировщики и изготовители испытательного оборудования, чтобы оценить современные требования рынка данной продукции.

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает руководство по выбору вибростенда (вибровозбудителя) для проведения испытаний с целью определения частотных характеристик конструкции и степени усиления или ослабления вибрации при ее распространении по конструкции (далее - испытания). Такие испытания могут быть выполнены в натурных или в лабораторных условиях (см. ГОСТ ИСО 7626-1, ГОСТ ИСО 7626-2, ГОСТ ИСО 7626-5 и ГОСТ Р ИСО 10846-1, а также [1]-[4]).

Процедура выбора основана на возможности развивать требуемую вынуждающую силу одним вибровозбудителем. В то же время для возбуждения массивных конструкций, таких как дамбы и мосты, обычно применяют одновременно несколько вибровозбудителей с соответствующим согласованием фаз возбуждения. В этом случае развиваемая суммарная сила должна быть такой же, как и рассчитанная по 6.4 для единственного вибровозбудителя.

Рекомендации настоящего стандарта могут быть использованы при выборе оборудования для модальных испытаний (определение собственных частот, форм колебаний и коэффициентов демпфирования конструкции), однако такие испытания, как правило, требуют учета большего числа факторов, чем рассмотрено в настоящем стандарте.

Настоящий стандарт распространяется на возбуждение поступательной вибрации. Рекомендации по выбору испытательного оборудования для возбуждения угловой вибрации приведены в [5].

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ ИСО 7626-1 Вибрация и удар. Экспериментальное определение механической подвижности. Основные положения

ГОСТ ИСО 7626-2 Вибрация и удар. Экспериментальное определение механической подвижности. Измерения, использующие одноточечное поступательное возбуждение присоединенным вибровозбудителем

ГОСТ ИСО 7626-5 Вибрация и удар. Экспериментальное определение механической подвижности. Часть 5. Измерения, использующие ударное возбуждение возбудителем, не прикрепляемым к конструкции

ГОСТ Р ИСО 2041 Вибрация, удар и контроль технического состояния. Термины и определения

ГОСТ Р ИСО 10813-1 Вибрация. Руководство по выбору вибростендов. Часть 1. Оборудование для испытаний на воздействие вибрации

ГОСТ Р ИСО 10846-1 Вибрация. Измерения виброакустических передаточных характеристик упругих элементов конструкций в лабораторных условиях. Часть 1. Общие принципы измерений

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р ИСО 2041, ГОСТ ИСО 7626-1 и ГОСТ Р ИСО 10846-1.

4 Испытания

4.1 Общие положения

Целью испытаний может быть определение:

- частотных характеристик объектов (в общем случае - комплексных) в широком диапазоне частот;

- степени ослабления или усиления вибрации при ее распространении по конструкции;

- модальных характеристик объектов (собственных частот, форм мод, коэффициентов демпфирования).

Знание динамических характеристик конструкции может быть использовано, например, в целях:

- проектирования механических систем (зданий, машин, транспортных средств и их частей) с низкими уровнями вибрации;

- расчета систем виброизоляции и оценки эффективности средств, используемых для ослабления вибрации.

В данном виде испытаний уровень возбуждения не столь важен, как в испытаниях на воздействие внешних факторов (см. ГОСТ Р ИСО 10813-1), при условии сохранения линейности отклика конструкции. Однако этот уровень должен быть достаточным, чтобы отклик конструкции значительно превышал уровень шумового пьедестала на частотах, на которых механический импеданс конструкции достигает своих максимальных значений. В случае конструкций с нелинейным поведением возбуждают вибрацию того же уровня, что наблюдают в реальных условиях ее применения.

При испытаниях в лабораторных условиях испытуемую конструкцию свободно вывешивают или устанавливают на жесткой опоре в зависимости от того, как определено в соответствующих технических условиях (см., например, ГОСТ ИСО 7626-2). Возбуждение может быть одноточечным или распределенным по нескольким точкам.

В полевых условиях вибровозбудитель либо присоединяют, либо не присоединяют к испытуемой конструкции. Как правило, при установке вибровозбудителя необходимо обеспечить высокую жесткость его соединения с объектом в направлении возбуждения. При этом в поперечном направлении соединение должно быть податливым, допускающим угловые колебания вибровозбудителя.

4.2 Виды возбуждения

ГОСТ ИСО 7626-2 и ГОСТ ИСО 7626-5 устанавливают различные возможные виды возбуждения, которые могут быть применены в испытаниях для определения динамических характеристик конструкций.

В случае линейного поведения испытуемой конструкции можно использовать любой вид возбуждения из установленных ГОСТ ИСО 7626-2 и ГОСТ ИСО 7626-5. В противном случае допускается возбуждение только гармонической вибрации.

5 Вибровозбудители

5.1 Основные типы вибровозбудителей

Вибровозбудитель представляет собой исполнительное устройство системы воспроизведения вибрации, предназначенное для силового или кинематического возбуждения испытуемого объекта. Параметры такого возбуждения определяются задачами и условиями проведения испытаний.

Для испытаний с целью определения динамических характеристик конструкций обычно используют электродинамические, электромагнитные, пьезоэлектрические или магнитострикционные вибровозбудители. Для эффективного решения проблем воспроизведения вибрации в низкочастотной области может оказаться более предпочтительным использование пневматических, гидравлических или механических вибровозбудителей.

5.2 Основные характеристики вибровозбудителей

Наиболее важными с точки зрения правильного выбора вибровозбудителя в целях его применения для определения динамических свойств конструкций являются следующие характеристики:

- номинальная вынуждающая сила;

- допустимая статическая нагрузка;

- номинальный диапазон частот;

- пределы воспроизведения перемещения, скорости и ускорения;

- коэффициент гармонических искажений;

- паразитные колебания в точке передачи возбуждения;

- резонансные частоты.

Другой важной характеристикой вибровозбудителя является способ его соединения с испытуемой конструкцией, требуется ли для установки вибровозбудителя использовать механический упор. Кроме того, для передачи силового возбуждения на конструкцию входной импеданс вибровозбудителя должен быть много меньше входного импеданса испытуемой конструкции в точке возбуждения.

5.3 Особенности вибровозбудителей разных типов

5.3.1 Электродинамический вибровозбудитель

Электродинамический вибровозбудитель представляет собой устройство для возбуждения колебаний, в котором использован электродинамический принцип преобразования электрической энергии в механическую, основанный на эффекте силового воздействия постоянного магнитного поля на проводник с переменными током. В большинстве конструкций электродинамического возбудителя проводник с током выполняется в виде катушки, расположенной в кольцевом зазоре магнитопровода, подмагничивание которого осуществляется с помощью обмотки с постоянным током или постоянного магнита.

Условия работы электродинамического возбудителя таковы, что создаваемая им вынуждающая сила пропорциональна току возбуждения. Это свойство электродинамического вибровозбудителя позволяет эффективно использовать его в самом широком диапазоне испытаний.

Другим важным достоинством вибровозбудителя данного типа является его широкополосность (до 15000 Гц) и возможность относительно простого согласования электрического сопротивления с выходным сопротивлением усилителя мощности в рабочем диапазоне частот.

В большинстве моделей электродинамических вибровозбудителей магнитопровод жестко закреплен в корпусе, а катушка с жестко соединенным с ней вибростолом установлена в корпусе с помощью неравножестких упругих элементов (мембран).

Основные параметры типового ряда электродинамических вибровозбудителей приведены в ГОСТ Р ИСО 10813-1.

Установка и крепление электродинамических вибровозбудителей определяются целью и условиями испытаний. Обычно такие вибровозбудители не могут выдерживать значительные статические нагрузки, поэтому при необходимости создать в ходе испытаний большие статические деформации конструкции применяют специальные разгружающие устройства и установочную арматуру.

5.3.2 Электромагнитный вибровозбудитель

Электромагнитный вибровозбудитель представляет собой устройство для возбуждения колебаний испытуемого объекта, в котором использован электромагнитный принцип преобразования электрической энергии в механическую, основанный на эффекте силового воздействия переменного поля на ферромагнитные тела. Вынуждающая сила изменяется пропорционально квадрату силы тока в обмотке возбуждения. Для линеаризации процесса магнитный поток в магнитопроводе вибровозбудителя поляризуют, например, посредством постоянного магнитного поля. Конструктивно электромагнитные вибровозбудители имеют однотактное или двухтактное (дифференциальное) исполнение. Двухтактное исполнение позволяет добиться более низкого значения коэффициента гармонических искажений.

При подготовке к испытаниям, как правило, приходится принимать во внимание постоянные составляющие силы электромагнитного взаимодействия, а также массу якоря вибровозбудителя, особенно когда объектами испытаний являются легкие и/или упругие конструкции. В этих случаях применяют разгрузочные устройства и элементы компенсации отрицательной жесткости, обусловленной постоянными составляющими электромагнитных сил.

К основным достоинствам электромагнитных вибровозбудителей относятся их повышенная эффективность и надежность, а к недостаткам - значительные нелинейные искажения и ограниченный рабочий диапазон.

5.3.3 Пьезоэлектрический вибровозбудитель

Пьезоэлектрический вибровозбудитель представляет собой устройство для возбуждения колебаний испытуемого объекта с использованием принципа деформации (изменения размеров) пьезоэлектрических элементов при воздействии на них электрического поля. В направлении силовых линий переменного электрического поля такие деформации могут достигать тысячных долей размеров пьезоэлемента.

Особенностью пьезоэлектрических вибровозбудителей является возможность обеспечения кинематического возбуждения тяжелых и сложных механических конструкций в широкой полосе частот (до 15 кГц). К другим преимуществам относится способность работать при высоких статических нагрузках (до 2000 кг/см²), обеспечивая при этом высоконаправленное возбуждение. Недостатки пьезоэлектрического возбудителя связаны с техническими сложностями создания усилителя, способного эффективно передавать широкополосный сигнал на пьезоэлектрическое исполнительное устройство.

5.3.4 Пьезомагнитный вибровозбудитель

Работа пьезомагнитного вибровозбудителя основана на эффекте магнитострикции, заключающемся в деформации (изменении размеров) ферромагнитных материалов при воздействии на них магнитного поля.

Подобно пьезоэлектрическому вибровозбудителю, магнитострикционный вибровозбудитель способен осуществлять кинематическое широкополосное возбуждение (в диапазоне до 1 кГц) сложных и тяжелых конструкций. Кроме того, он допускает использование относительно дешевых усилителей мощности. Недостатком магнитострикционного вибровозбудителя является высокое энергопотребление.

5.3.5 Гидравлический вибровозбудитель

Гидравлический вибровозбудитель представляет собой устройство, в котором возбуждение колебаний испытуемого объекта обеспечивается за счет пульсаций давления жидкости в гидравлическом исполнительном механизме, управляемым сервоклапаном.

Основными достоинствами гидравлических вибровозбудителей являются:

- высокий уровень создаваемых перемещений (до 200 мм) и вынуждающих сил (до 10 мН);

- малый уровень поперечных колебаний рабочего органа (вибростола);

- большая допустимая статическая нагрузка (до нескольких тонн);

- простота и надежность конструкции.

К недостаткам гидравлических вибровозбудителей можно отнести:

- повышенный уровень нелинейных искажений в низкочастотной области (до 15 %);

- относительно узкий частотный диапазон, не превышающий, как правило, 200 Гц.

Технические параметры типичных гидравлических вибровозбудителей приведены в ГОСТ Р ИСО 10813-1.

5.3.6 Механический вибровозбудитель

Механический вибровозбудитель представляет собой устройство, преобразующее механическую энергию привода. По принципу действия механические вибровозбудители делятся на вибровозбудители с принудительным кинематическим и центробежным возбуждением вибрации. Основными достоинствами механических вибровозбудителей являются:

- высокая эффективность;

- простота и надежность конструкции.

К основным недостаткам механических вибровозбудителей относятся:

- ограниченный рабочий диапазон частот (обычно от 5 до 100 Гц);

- повышенный уровень нелинейных искажений;

- отсутствие возможности возбуждения полигармонической вибрации.

Технические характеристики механических вибровозбудителей приведены в ГОСТ Р ИСО 10813-1.

5.3.7 Ударник

Типичный ударник молоткового типа состоит из жесткой массы, к которой с одной стороны может быть прикреплен датчик силы, а с другой - упругая насадка. Возможны варианты, когда датчик силы отсутствует, а на тыльный торец массы прикреплен датчик ускорения. Если основная масса ударника колеблется как жесткое тело, то выходной сигнал акселерометра будет пропорционален силе, приложенной к испытуемому объекту.

Ударник обеспечивает передачу на испытуемый объект усилия до 10⁵ Н в диапазоне частот от 2 до 10000 Гц. Диапазон частот ударного возбуждения можно регулировать с помощью насадок (см. ГОСТ ИСО 7626-5).

Для испытания крупных объектов может использоваться ударник в виде большой массы либо подвешенной на тросах, либо свободно падающей вертикально вниз.

6 Рекомендации по выбору

6.1 Общие положения

Выбор испытательного оборудования определяется, в первую очередь, его функциональными возможностями и практичностью применения в конкретных условиях испытаний, включая требования к размерам, условиям установки, доступу к точкам возбуждения и пр. Кроме того, оборудование должно обеспечить требуемую точность оценки частотной характеристики испытуемого объекта. Это означает, что оно должно обладать способностью воспроизводить вибрацию достаточного уровня в пределах установленных допусков (по направлению возбуждения, по частотному составу) в диапазоне частот испытаний.

Минимально необходимый уровень возбуждения определяется, в свою очередь, фоновой вибрацией испытуемой конструкции и шумами в измерительной цепи. Возбуждаемая вибрация должна значительно превышать фоновую вибрацию в каждой точке измерений на каждой частоте испытаний, а электрический сигнал с датчика вибрации должен значительно превышать уровень собственных помех измерительного канала.

Если вибровозбудитель способен развивать постоянную силу во всем диапазоне частот испытаний, то требуемая сила будет зависеть от механического импеданса Z(f) возбуждаемой конструкции и минимально необходимой скорости v(f) в диапазоне частот испытаний [см. формулу (1)].

6.2 Процедура выбора

6.2.1 Определяют измерительную задачу (испытуемый объект, какие частотные характеристики и в каком диапазоне частот должны быть получены).

6.2.2 Собирают данные об объекте испытаний и условиях проведения испытаний, включая:

- тип испытуемого объекта (рамная конструкция, машина, виброизолятор, фундамент и т.д.);

- размеры и массу испытуемого объекта;

- условия испытаний (полевые или в лаборатории, доступ к точкам возбуждения и измерения вибрации, возможные способы установки вибровозбудителя и его согласования с испытуемым объектом и т.д.);

- уровень фоновой вибрации.

6.2.3 Оценивают и устанавливают ограничения на такие факторы, как направленность возбуждения, поперечные колебания, коэффициент искажений и т.п., которые могут повлиять на результат испытаний.

Примечание - Влияние некоторых факторов можно уменьшить за счет повторных измерений с последующим усреднением. Например, если в технических условиях установлено, что удары молотком по конструкции наносят несколько раз, то этим можно добиться направленности возбуждения в пределах  5° от заданного направления. При соблюдении такого ограничения вносимая данным фактором погрешность в результат измерения модуля механического импеданса не превысит 1 %.

6.2.4 Зная уровень фоновой вибрации, рассчитывают минимально необходимые среднеквадратичные значения ускорения a_rms,min(f), скорости v_rms,min(f) или перемещения s_rms,min(f) которые должен будет обеспечить выбранный вибровозбудитель.

Примечание 1 - Обычно вибрация, создаваемая вибровозбудителем, должна в пять-десять раз превышать фоновую вибрацию во всем диапазоне частот испытаний.

Примечание 2 - Если ускорение фоновой вибрации равномерно распределено во всем диапазоне частот испытаний, то минимально необходимые среднеквадратичные значения скорости v_rms,min(f) и перемещения v_rms,min(f) достигнут своего максимума на нижней границе этого диапазона.

Примечание 3 - Высокий уровень ускорения фоновой вибрации, равномерно распределенной по всему диапазону частот испытаний, не позволяет использовать вибровозбудители, не способные создать значительных перемещений на низких частотах (например, пьезоэлектрического типа).

6.2.5 С помощью физического моделирования, испытаний на прототипах, справочных данных и т.п. получают предварительную грубую оценку механического импеданса Z(f) конструкции в диапазоне частот испытаний. Рекомендации по получению оценки Z(f) для конструкций некоторых видов приведены в приложении А.

6.2.6 Оценивают вибрационную силу F_rms,min(f) по формуле

,

(1)

где - минимальное среднеквадратичное значение скорости, которую должен обеспечить вибровозбудитель на частоте возбуждения f.

- механический импеданс испытуемой конструкции, входной или переходный в зависимости от целей испытаний;

- частота возбуждения.

Находят частоту возбуждения f_max, на которой F_rms,min(f) достигает своего максимума F_max, т.е. .

Если для возбуждения конструкции одновременно используют несколько вибровозбудителей, тогда в совокупности они должны развить ту же силу F_rms,min(f), что рассчитана по формуле (1), т.е.

,

(2)

где - сила, развиваемая n-м вибровозбудителем;

- число применяемых вибровозбудителей.

6.2.7 Выбирают вибровозбудитель, удовлетворяющий требованиям:

1) к условиям испытаний и характеристикам вибровозбудителя по 6.2.1-6.2.3;

2) к параметрам возбуждения:

- вибрационной силе F_max на частоте f_max и силе F_rms,min(f) во всем диапазоне частот испытаний;

- минимально необходимым среднеквадратичным значениям ускорения a_rms,min(f), скорости v_rms,min(f) и перемещения s_rms,min(f).

Примеры выбора вибровозбудителя в различных измерительных задачах приведены в приложении Б.

6.2.8 Выбирают преобразователь вибрации.

Преобразователь вибрации и устройства согласования выбирают из предположения, что электрическое напряжение на выходе преобразователя , соответствующее минимально необходимой скорости v_rms,min(f) в 5-10 раз превысит внутренние шумы измерительной цепи U_n. При заданном значении коэффициент преобразования S(f) преобразователя может быть рассчитан по формуле

.

(3)

Библиография

[1]	ГОСТ Р ИСО 10846-2-2010 Вибрация. Измерения виброакустических передаточных характеристик упругих элементов конструкций в лабораторных условиях. Часть 2. Прямой метод определения динамической жесткости упругих опор для поступательной вибрации
[2]	ГОСТ 31368.3-2008 (ИСО 10846-3:2002) Вибрация. Измерения виброакустических передаточных характеристик упругих элементов конструкций в лабораторных условиях. Часть 3. Косвенный метод определения динамической жесткости упругих опор для поступательной вибрации
[3]	ГОСТ 31368.4-2008 (ИСО 10846-4:2003) Вибрация. Измерения виброакустических передаточных характеристик упругих элементов конструкций в лабораторных условиях. Часть 4. Динамическая жесткость неопорных упругих элементов конструкций для поступательной вибрации
[4]	ГОСТ Р ИСО 10846-5-2010 Вибрация. Измерения виброакустических передаточных характеристик упругих элементов конструкций в лабораторных условиях. Часть 5. Метод входной частотной характеристики для определения переходной динамической жесткости упругих опор в области низких частот для поступательной вибрации
[5]	Попков В.И., Попков С.В. Колебания механизмов и конструкций. - СПб: Сударыня, 2009. - 490 с.