ГОСТ 28203-89 (МЭК 68-2-6-82) Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 2. Испытания. Испытание Fc и руководство: Вибрация (синусоидальная)

ПРИЛОЖЕНИЕ А (рекомендуемое). РУКОВОДСТВО ПО ИСПЫТАНИЮ Fc

ПРИЛОЖЕНИЕ А
Рекомендуемое

А1. Введение

Это испытание предусматривает метод, посредством которого нагрузки, имеющие место в реальных условиях, могут быть сравнимы с нагрузками в лабораторных условиях. Основным назначением испытания не является имитация реальных условий.

Параметры вибрационного воздействия должны быть стандартизованы и выбраны соответствующие допуски с целью обеспечения идентичности результатов испытания при их проведении в различных испытательных центрах разным обслуживающим персоналом. Стандартизация испытательных параметров позволяет также классифицировать элементы на категории в соответствии с их способностью противостоять воздействию вибрации с определенными степенями жесткости, приведенными в настоящем стандарте.

Обычным методом испытания на воздействие вибрации является выявление резонансов и затем проведение испытания на воздействие вибрации на резонансных частотах в течение установленного промежутка времени. Обычными методами определения трудно провести четкую границу выявления резонансов, которые являются причиной выхода образцов из строя, и резонансов, не оказывающих вредного воздействия на образец, даже когда образец подвергается воздействию вибрации в течение длительного времени.

Кроме того, такие методики испытания часто совершенно неприемлемы для большей части современных испытываемых изделий. Непосредственное наблюдение почти невозможно при оценке характеристик вибрации любого герметичного изделия или современных миниатюризированых узлов аппаратуры. Применение измерительных преобразователей вибрации часто приводит к изменению распределения масс и жесткости узлов аппаратуры. Если измерительные преобразователи могут быть применены, успех проведения испытания будет целиком зависеть от квалификации и опыта инженера-испытателя при выборе соответствующих измерительных точек на испытываемом узле аппаратуры.

Предлагаемая здесь методика испытания методом качания частоты исключает необходимость выявления значительных или разрушающих резонансов. Принятие этой методики обусловливается необходимостью установить методы испытаний, которые обеспечивали бы точность, соответствующую современному уровню техники испытаний на воздействие внешних факторов, и которые уменьшили бы зависимость результатов испытания от квалификации инженера-испытателя до минимума. Выдержка при качании частоты задается количеством циклов качания, которые представляют собой количество знакопеременных нагрузочных циклов.

Эта методика в некоторых случаях может привести к нежелательному увеличению длительности выдержки, когда необходимо, чтобы длительность выдержки была достаточной для гарантии сопротивления усталости в течение требуемого срока службы или неограниченного сопротивления усталости при вибрационных нагрузках, близких к реальным. Поэтому предлагаются другие методы испытания, включая выдержку на фиксированных частотах, которые или заранее определены, или выявлены в результате исследования реакции изделия на воздействие вибрации. Выдержка на фиксированных частотах применяется в том случае, когда при исследовании реакции изделия на вибрационное воздействие количество выявленных резонансных частот в каждом направлении невелико и не превышает четырех. Если резонансных частот больше четырех, то желательно использовать метод качающейся частоты. Может оказаться целесообразным проводить испытание двумя методами: методом качающейся частоты и методом воздействия на фиксированных частотах. Следует учитывать, что использование метода с применением выдержки на фиксированных частотах требует высокой инженерной квалификации. Для любой заранее определенной частоты выдержка должна быть указана в соответствующей НТД.

В случае критических частот выдержка при испытании методом возбуждения на фиксированных частотах определяется временем воздействия вибрации. Это время часто определяется оценкой количества знакопеременных циклов. Вследствие большого разнообразия материалов весьма затруднительно определить единую реальную цифру количества знакопеременных циклов нагрузки. Предполагается, что величина 10 является практически вполне приемлемой экстремальной величиной, которую следует указывать для обычного испытания на воздействие вибрации. Превышать эту величину нет необходимости (см. пп.5.3.2.1 и 5.3.2.2). Если известно, что в реальных условиях изделие, в основном, будет функционировать в условиях случайной вибрации, то в том случае, где это экономически оправдано, следует пользоваться испытанием на воздействие случайной вибрации. Это особенно целесообразно при испытании аппаратуры. При испытании образцов типа "элемент" простой конструкции обычно вполне приемлемо испытание на воздействие синусоидальной вибрации. Испытание на воздействие случайной вибрации изложено в МЭК 68-2-34 (ГОСТ 28220), МЭК 68-2-35 (ГОСТ 28221), МЭК 68-2-36 (ГОСТ 28222), МЭК 68-2-37 (ГОСТ 28223).

А2. Измерение и управление вибрационным воздействием

А2.1. Измерительные точки

В разд.3 определены два основных типа измерительных точек. Однако в процессе испытания может оказаться необходимым измерение локальной реакции на вибрационное воздействие внутри образца для того, чтобы быть уверенным, что вибрация в этих точках не превышает допустимой. В некоторых случаях может даже оказаться необходимым подавать сигналы от таких измерительных точек в цепь управления для предотвращения нежелательного ухудшения характеристик образца. Следует отметить, что эта методика не рекомендована в настоящем стандарте, так как ее невозможно стандартизовать (см. п.3.2.1).

А2.2. Погрешности, вызванные искажениями

В тех случаях, когда искажения велики, измерительная система будет регистрировать уровень вибрации, не соответствующий фактическому, так как помимо требуемой частоты в него будут входить высшие нежелательные гармоники. В результате амплитуда на требуемой частоте будет ниже указанной. Такая ошибка допустима только в заданных пределах допусков искажений, указанных в п.4.1.3; при искажениях выше указанного значения может появиться необходимость восстановить амплитуду на основной частоте до значения, равного заданному. Этого можно добиться несколькими способами, но рекомендуется пользоваться следящим фильтром. Если значение основной частоты будет восстановлено, образец будет подвергаться на требуемой частоте воздействию требуемых испытательных нагрузок. Однако уровень нежелательных гармоник тоже станет выше, что приведет к дополнительным нагрузкам при испытании. Если испытательные нагрузки станут слишком высокими, то может оказаться целесообразным отказаться от требований на уровни искажений, которые указаны в настоящем стандарте (см. п.4.1.3).

А2.3. Формирование сигнала управления

Для получения сигнала управления применяют несколько методов.

Если рекомендован усредненный сигнал управления многих проверочных точек, т.е. сигнал, полученный методом среднего арифметического усреднения, то одним из методов получения управляющего сигнала является метод, при котором усредненный сигнал получается путем обработки импульсов постоянного напряжения, пропорционального пиковым значениям уровня ускорения в каждой проверочной точке.

Когда применяют метод усреднения сигнала управления с разделением каналов во времени, то частота опроса мультиплексора каждой проверочной точки не должна превышать частоту возбуждения с целью гарантии того, что по крайней мере будет опрошен один период каждого сигнала от проверочной точки. Например, если используются четыре датчика, возбуждаемых частотой 100 Гц, то частота опроса каждой проверочной точки не должна превышать 25 Гц.

В том случае, когда система выборочных данных используется вместе со следящим фильтром, появляются определенные технические трудности, вследствие чего в этом случае необходимо предпринять специальные меры предосторожности.

Использование системы выборочных данных может оказаться затруднительным в том случае, когда испытание управляется сигналом с постоянной амплитудой перемещения, так как сигнал ускорения, интегрируемый дважды, не будет пропорциональным амплитуде перемещения вследствие искажения, вызванного различием фаз выборочных сигналов (см. п.3.3.2).

Важно, чтобы вся вибрационная установка имела низкий остаточный уровень шума, так, чтобы большинство допусков, указанных выше, могло быть обеспечено (см. п.4.1.4.1).

A3. Методика испытания

А3.1. Исследование реакции образца на воздействие вибрации (см. п.8.1)

Исследование реакции образца на воздействие вибрации наиболее целесообразно в тех случаях, когда имеется достаточная информация относительно эксплуатационных условий окружающей среды. Оно также оправдано в том случае, когда известно, что образец будет подвергаться воздействию значительной периодической вибрации, которая имеет место на кораблях, на винтовых самолетах, во вращающихся машинах. Исследование реакции образца на вибрационное воздействие также целесообразно, когда необходимо оценить динамические свойства образца, а также его усталостные характеристики.

Исследование реакции образца на воздействие вибрации до и после испытания на вибрационное воздействие может быть использовано для определения изменения резонансной частоты и других явлений, вызванных воздействием вибрации. Изменение резонансной частоты может свидетельствовать о появлении усталости и, следовательно, о возможности непригодности образца к работе в условиях эксплуатации.

Если в соответствующей НТД указывается необходимость исследования изделия на вибрационное воздействие, в них должно быть установлено, какие меры следует предпринять как во время выдержки, так и после нее. Например, увеличение динамического усиления свыше определенного предела может вызвать необходимость использования испытания на воздействие вибрации методом качающейся частоты, изменение уровня реакции выше допустимых пределов, возникновение электрического шума, изменение частоты.

Важно, чтобы все меры, предпринятые для обнаружения результатов воздействия вибрации на внутренние детали испытуемого образца во время исследования реакции образца на вибрационное воздействие, не оказывали существенного влияния на динамическое поведение образца в целом. При исследовании реакции системы на воздействие вибрации следует иметь в виду, что в случае нелинейных резонансов реакция образца будет различной в зависимости от направления воздействия вибрации во время каждого цикла качания.

Факт использования амортизаторов является вопросом первостепенной важности, если исследование реакции изделия на воздействие вибрации включено в требования соответствующей НТД. При использовании амортизаторов первое исследование реакции системы на вибрационное воздействие проводят со снятыми или блокированными амортизаторами для того, чтобы определить критические частоты самого образца. Второе исследование проводят с установленными амортизаторами для определения их влияния на изделие. На этих двух стадиях могут быть использованы различные амплитуды вибрации, учитывая передаточные характеристики амортизаторов.

При отсутствии амортизаторов необходимо руководствоваться положениями п.A5.1.

А3.2. Вибрационное возбуждение (см. п.8.2)

Для имитации воздействий, которым подвергается образец во время эксплуатации, наиболее целесообразно вибрационное возбуждение методом качания частоты (см. п.8.2.1).

Вибрационное возбуждение на фиксированных частотах целесообразно для ограниченного вида образцов, которые работают в местах, подвергающихся воздействию со стороны машин, или устанавливаются на определенный вид наземного или воздушного транспорта. В этом случае доминирующие частоты обычно известны или их можно предусмотреть. Вибрационное возбуждение на фиксированных частотах может быть использовано для быстрого накопления усталостных нагрузок для демонстрации эффекта усталости, возникающего, например, вследствие возбуждений, создаваемых движущимся наземным транспортом (см. п.8.2.2).

В некоторых случаях важно определить возможные усталостные явления на некоторых дискретных частотах, а также установить общую способность образца противостоять вибрационным нагрузкам. В этих случаях целесообразно проводить сначала возбуждение вибрацией на фиксированных частотах, за которым должно следовать вибрационное возбуждение методом качающейся частоты. В результате требуемая информация относительно усталостных явлений получается в наикратчайший срок.

При испытании элементов небольших размеров и когда есть уверенность в том, что резонансы ниже 55 или 100 Гц отсутствуют, допускается начинать вибрационное возбуждение на этих частотах.

В процессе вибрационного возбуждения аппаратура, которая обычно монтируется с амортизаторами, как правило, испытывается вместе с ними. Если невозможно провести испытание с соответствующими амортизаторами, например в том случае, когда данная аппаратура смонтирована вместе с другой аппаратурой на общем приспособлении для крепления, то аппаратура может испытываться без амортизаторов при определенном уровне вибрации, что должно быть указано в соответствующей НТД. Амплитуда вибрации определяется с учетом характеристик передачи вибрации амортизаторов в направлении каждой оси испытания. Если характеристики амортизаторов неизвестны, то необходимо руководствоваться положениями, указанными в п.А5.1. В соответствующей НТД может быть установлено дополнительное испытание образца со снятыми или блокированными наружными амортизаторами для определения минимальной приемлемой устойчивости аппаратуры к воздействию вибрации. В этом случае степень жесткости, используемая при испытании, должна быть указана в соответствующей НТД.

А4. Степени жесткости испытания

А4.1. Выбор степеней жесткости

Указанные частоты и амплитуды вибрационного воздействия выбраны с тем расчетом, чтобы перекрыть частотные реакции образца в широкой области его применения. Если образец предназначен для использования только в одной области, то степень жесткости вибрации желательно выбирать на основе реальных вибрационных характеристик, если они известны. Если реальные условия вибрации неизвестны, то соответствующие степени жесткости могут быть выбраны из приложения С, где указаны примеры степеней жесткости для элементов в зависимости от условий применения.

Так как значение амплитуды перемещения связано с соответствующим значением амплитуды ускорения таким образом, что уровень вибрации одинаковый на частоте перехода, качание частоты в диапазоне частот можно осуществлять непрерывно, переходя от поддержания постоянной амплитуды перемещения к поддержанию постоянной амплитуды ускорения вибрации и, наоборот, на частоте перехода. В настоящем стандарте представлены частоты перехода в пределах 8-9 и 57-62 Гц. При необходимости имитирования реальных условий (если они известны) могут использоваться другие частоты перехода. Если в этом случае потребуется использовать высокое значение частоты перехода, необходимо обратить особое внимание на технические возможности вибростендов. Важно, чтобы в низкочастотной области выбранная амплитуда перемещения не соответствовала амплитуде ускорения, сравнимой с уровнем остаточного шума вибрационной системы (см. п.5.2).

А4.2. Выбор степеней жесткости для элементов

Выбор степеней жесткости для элементов усложняется тем, что во многих случаях аппаратура, в которой они будут установлены, и нагрузки, которым они будут подвергаться, неизвестны. Даже в тех случаях, когда элементы изготовлены для применения в определенной аппаратуре, необходимо иметь в виду тот факт, что вибрационные нагрузки, воздействующие на элемент, могут быть отличными от расчетных величин вследствие динамических реакций конструкции, аппаратуры, отдельных входящих в нее узлов и т.д.

При выборе степеней жесткости для элементов необходимо учитывать степень жесткости, требуемую для аппаратуры, и обязательно предусмотреть определенный запас прочности для учета воздействия вышеупомянутых динамических реакций.

В том случае, когда элементы устанавливаются в аппаратуре таким образом, чтобы не подвергаться воздействию вибрации, при испытании следует использовать степень жесткости, требуемую для аппаратуры, или даже более низкую.

Одним из методов выбора степеней жестокости для элементов являются их классификация и испытание по степеням жестокости в зависимости от условий применения, что дает возможность разработчику аппаратуры выбирать соответствующие элементы с учетом реальных условий.

Необходимо также учитывать требования приложения В, в котором указаны примеры степеней жесткости для различного применения элементов.

А4.3. Качание

При качании требуется, чтобы частота изменялась во времени по экспоненциальному закону:

,

где - частота;

- нижний предел частоты качания;

- коэффициент, зависящий от скорости качания;

- время.

Для данного испытания скорость качания равна 1 октава/мин (см. п.4.1.6) и, следовательно, , если время выражено в минутах.

Количество октав () для цикла качания рассчитывают по формуле

,

где - нижний предел частоты качания;

- верхний предел частоты качания.

Значения, полученные при использовании вышеуказанной формулы, представлены в таблице А1 и содержат округленные значения времени воздействия вибрации в зависимости от рекомендуемого количества циклов качания и частотного диапазона (см. п.5.3.1).

Таблица А1

Количество циклов качания на каждую ось и связанное с ним время выдержки

Примечания:

1. Время выдержки, указанное в таблице, подсчитано для скорости качания 1 октава/мин и округлено. Погрешность расчета времени выдержки не превышает 10%.

2. Подчеркнутые значения взяты из приложений В и С.

А5. Аппаратура, используемая с амортизаторами

А5.1. Характеристики передачи вибрации для амортизаторов

В том случае, когда образец, обычно используемый с амортизаторами, испытывается без последних, а также когда характеристики амортизаторов неизвестны, указанный уровень вибрации необходимо изменить таким образом, чтобы воздействующая на образец вибрация максимально соответствовала реальной. Этот измененный уровень может быть получен с помощью кривых, представленных на рис.А.1:

Рис.А1. Обобщенные характеристики передачи вибрации для амортизаторов

Обобщенные характеристики передачи вибрации для амортизаторов

Рис.А1

а) кривая А соответствует нагруженному амортизатору, представленному системой с одной степенью свободы, имеющему собственную частоту не выше 10 Гц и высокую степень упругости;

б) кривая В соответствует нагруженному амортизатору, представленному системой с одной степенью свободы, имеющему собственную частоту в диапазоне 10-20 Гц и среднюю степень упругости;

в) кривая С соответствует нагруженному амортизатору, представленному системой с одной степенью свободы, имеющему собственную частоту в диапазоне 20-35 Гц и низкую степень упругости.

Кривая В получена в результате измерения вибраций на обычной авиационной аппаратуре, закрепленной с помощью крепежного приспособления с высокими демпфирующими свойствами, имеющего собственную частоту около 15 Гц, и которое может быть представлено системой с одной степенью свободы.

Очень ограниченное количество данных получено для амортизаторов, представленных на кривых А и С. Данные были получены методом интерполяции из кривой С с учетом собственных частот 8 и 25 Гц соответственно.

Кривые передачи вибрации рассчитаны по огибающим передаточных характеристик вибрации, включающей в себя несколько видов колебаний, которые могут иметь место в вибрационных установках. Использование этих кривых допускает наличие вибрации определенного уровня на периферийных участках образца вследствие комбинированного воздействия поступательного и вращательного движений.

Необходимо выбрать наиболее подходящую кривую коэффициента передачи вибрации, затем указанные уровни вибрации должны быть умножены на коэффициент передачи вибрации для амортизаторов по всему диапазону частот.

Произведение значений, полученное с помощью двух кривых, может привести к получению уровня испытания, который инженер-испытатель будет не в состоянии воспроизвести в лаборатории. В этом случае инженер-испытатель должен выбрать такие уровни испытания, чтобы максимально использовать возможности испытательного оборудования во всем диапазоне частот. Чрезвычайно важно зарегистрировать фактически полученные результаты.

А5.2. Влияние температуры

Многие амортизаторы содержат материалы, характеристики которых зависят от температуры. Если собственная резонансная частота образца с установленными амортизаторами находится в пределах частотного диапазона, необходимо очень точно определить длительность вибрационного возбуждения. В некоторых случаях может оказаться нецелесообразным подвергать образец длительному вибрационному возбуждению без необходимого периода восстановления. Если фактическое время возбуждения на основной частоте известно, то следует стремиться к его воспроизведению. Если фактическое время возбуждения на основной частоте неизвестно, то следует избегать чрезмерного перегрева образца путем ограничения длительности периодов возбуждения, руководствуясь опытом инженера-испытателя, с учетом положений п.5.3.

А6. Длительность

A6.1. Общие положения (см. п.5.3.1)

Многие существующие НТД определяют фазу вибрационного возбуждения при качании частоты через время воздействия вибрации. Этот факт делает совершенно невозможным сравнение реакции одного резонирующего образца с другим, если их частотные диапазоны испытания отличны, так как количество возбуждений резонансов будет разным. Например, принято считать, что для данного уровня ускорения и длительности испытание будет более жестким при широком частотном диапазоне, чем при узком. Это неправильно. Введение понятия количества циклов качания как параметра вибрационного возбуждения отвечает на вышепоставленный вопрос, так как количество возбуждений резонансов будет одинаково вне зависимости от частотного диапазона.

Очевидно, что для различных условий применения образца необходим ряд значений числа циклов качания.

А6.2. Испытания

В случае, когда целью испытания является выявление способности образца выдерживать воздействие вибрации и/или функционировать при соответствующих уровнях вибрационного возбуждения, достаточна длительность испытания, позволяющая определить соответствие образца этим требованиям в указанном диапазоне частот. Если необходимо определить способность изделия выдерживать кумулятивные эффекты вибрационного воздействия, например усталость, механическую деформацию и т.д., испытание должно быть достаточно длительным для обеспечения необходимого количества циклов нагрузки. Количество циклов нагрузки, равное 10, обычно считается достаточным для подтверждения неограниченного срока службы при усталостных нагрузках.

А7. Динамическая реакция

Одной из основных причин разрушения изделий являются динамические напряжения, возникающие внутри испытуемых изделий. Классическим примером являются напряжения внутри системы, состоящей из массы и пружины, когда эта система прикреплена к вибрирующему телу, инерция которого велика по сравнению с инерцией массы. На резонансной частоте амплитуда колебаний пружины (массы) возрастает, вызывая увеличение напряжения в пружине. Проведение испытания на вибрационное возбуждение на резонансной частоте требует высокой инженерной квалификации. Основная трудность заключается в определении таких резонансов, которые являются наиболее опасными. Другой трудностью является поддержание вибрационного возбуждения на резонансной частоте.

Резонансы, в особенности на высоких частотах, могут быть выражены слабо, но, тем не менее, они могут вызывать высокие уровни напряжений на некоторых участках испытываемых изделий. В некоторых НТД определяются перегрузки при резонансе путем произвольного увеличения динамических напряжений на какое-то произвольно выбранное значение; однако этот метод не был принят в качестве приемлемого для данного испытания.

Методика проведения данного испытания предполагает, что амплитуда вибрации (перемещения или ускорения) должна поддерживаться на постоянном уровне независимо от динамического поведения образца. Эта методика находится в соответствии с существующим состоянием общего испытания на воздействие вибрации и вполне приемлема для стандартизации.

Известно, что, когда образец подвергается воздействию вибрации на резонансной частоте, его фактическая масса может быть большой по сравнению с массой крепежного приспособления. В таком случае реакция образца на вибрационное воздействие может быть очень сильной. Сила возбуждения и полное механическое сопротивление обычно неизвестны и часто чрезвычайно трудно дать приблизительную оценку этим параметрам.

Для уменьшения вышеуказанных трудностей предусмотрен контроль выталкивающей силы, однако этот контроль не включен в предлагаемое испытание, так как в настоящее время отсутствует информация по методике контроля выталкивающей силы, измерениям и допускам. Когда в соответствующей НТД предусматривается именно такое испытание, то возможно или использовать измерительный преобразователь силы, или ограничиться измерением тока возбуждения. Последний метод имеет ряд недостатков, так как ток возбуждения может быть не пропорционален силе в некоторых участках частотного диапазона, заданного для испытания. Тем не менее, имея достаточную инженерную квалификацию, можно пользоваться этим методом, особенно на ограниченном участке частотного диапазона.

Таким образом, хотя испытание, при котором применяется контроль выталкивающей силы, может показаться наиболее удобным, пользоваться им следует весьма осторожно. Безусловно, в некоторых случаях, например в отношении элементов, испытание с применением метода контроля амплитуды почти всегда более целесообразно (см. разд.8).

А8. Проверка рабочих характеристик

Если это требуется, то испытуемые изделия должны функционировать или на протяжении всего испытания, или на определенных стадиях испытания, причем режим работы образца должен соответствовать требуемым условиям эксплуатации. Рекомендуется проводить функциональные проверки образца через определенные интервалы времени на протяжении выдержки и в ее конце.

Для образцов, у которых вибрация может повлиять на включение или выключение (например, работа реле), эти операции должны повторяться многократно для подтверждения сохранения удовлетворительного качества в этом отношении или во всем диапазоне частот, или на тех частотах, которые вероятнее всего вызывают нарушение его работоспособности.

Если целью испытания является только демонстрация прочности, то функциональные характеристики образцов могут быть оценены после окончания воздействия вибрации (см. п.8.2).

А9. Первоначальные и заключительные измерения

Целью первоначальных и заключительных измерений является сравнение определенных параметров образца для оценки степени воздействия вибрации на образец.

Кроме визуального осмотра, первоначальные и заключительные измерения могут включать проверку электрических параметров образца и/или проверку его механических функциональных характеристик, размеров и т.д. (см. разд.7 и 11).