Принцип действия ударного стенда заключается в относительно длительном накоплении необходимой для воспроизведения удара энергии и последующем ее высвобождении в устройстве преобразования энергии в течение короткого времени.

В стендах свободного падения необходимую энергию накапливают за счет работы против силы тяжести. Если направление удара должно отличаться от вертикального, а также если стенд свободного падения не обеспечивает необходимых характеристик удара, например, не позволяет достичь требуемой скорости, то применяют ударные стенды, использующие потенциальную энергию эластичных шнуров, пружин, пневмо- и гидроаккумуляторов. Для создания ударного воздействия используют также такие физические процессы, как высвобождение энергии сжатого газа, взрыв, передача движения от одной движущейся массы к другой.

1.2 Формирование ударного воздействия

В соответствии с физическим процессом, лежащим в основе работы ударного стенда, их подразделяют на стенды свободного падения, стенды с принудительным разгоном, газовые пушки, стенды взрывного действия, стенды с пневмо- и гидроприводом и вибростенды (электродинамические или гидравлические).

Требуемую форму ударного импульса (простую или сложную) обеспечивают применением формообразующего устройства, размещаемого либо на столе (каретке) ударного стенда, либо на наковальне, либо на том и другом. В зависимости от способа преобразования кинетической энергии формообразующим устройством может быть получено большое разнообразие форм импульсов. Рекомендации по выбору формообразующего устройства приведены в приложении А.

Конструкция формообразующего устройства зависит от того, реализовано ли ударное воздействие с отскоком или без отскока испытуемого образца. Обычно устройство, к которому крепят испытуемый образец, разгоняют до соударения с неподвижной массой с последующим отскоком от нее, во время которого происходит формирование ударного импульса. Однако в ряде случаев (испытания образцов большой массы, нежелание подвергать образец ускорению до удара и др.) применяют другой механизм: разгону подвергают не испытуемый образец, а инерционное тело (молот), при этом ударный импульс формируется в процессе столкновения инерционного тела с устройством, на котором закреплен образец. Такой режим называют режимом без отскока.

Другой способ формирования ударного воздействия состоит в воспроизведении импульсного сигнала с заданным ударным спектром с помощью вибростенда. Вибростенды электродинамического и гидравлического типов способны воспроизвести движение как в форме классического импульса (трапецеидального, пилообразного или полусинусоидального), так и в форме заданной акселерограммы процесса с известным ударным спектром. В последнем случае вибростенд должен иметь систему управления, обычно цифровую. Недостатком применения вибростендов для воспроизведения ударов являются их ограниченные возможности в создании импульсов с большими значениями скорости и перемещения. Возможности применения вибростендов для создания ударных воздействий рассмотрены в приложении С. Характеристики вибростендов - по [1]-[3].

1.3 Классификация по видам испытаний

1.3.1 Стенды для испытаний с воспроизведением классического ударного импульса

Такие стенды используют при испытаниях с воспроизведением ударных импульсов стандартизованной формы по МЭК 60068-2-27, включающих участки предударного и послеударного действия, необходимые для ограничения скорости и перемещения образца. Максимумы предударного и послеударного действия ограничивают некоторой заданной долей пикового значения основного импульса.

1.3.2 Стенды для испытаний с воспроизведением ударного спектра

Такие стенды создают воздействие в виде суммы кратковременных переходных процессов. Измеряют ударный спектр воспроизведенного воздействия, сравнивают его с заданным и полученную разность используют для изменения формы следующего импульса. Обычно для получения удовлетворительной точности воспроизведения ударного спектра описанную процедуру необходимо повторить несколько раз. После этого сформированное ударное воздействие прикладывают к испытуемому образцу. Заданный ударный спектр может быть либо стандартизованным (см. приложение В), либо полученным по результатам измерений вибрации в реальных условиях применения изделия.

1.4 Состав ударного стенда

Ударный стенд включает в себя следующие узлы:

a) жесткий стол или каретку с элементами крепления объекта испытаний и формообразующего устройства;

b) систему направляющих для задания движения каретки;

c) средства накопления потенциальной энергии, необходимой для воспроизведения удара, например, устройства для сжатия или растягивания пружин или шнуров, прикрепленных к каретке;

d) устройство для закрепления каретки на заданной высоте (в заданном положении) перед воспроизведением удара;

e) механизм высвобождения;

f) наковальню или инерционное тело, с которым происходит соударение каретки;

g) систему формообразования импульса, торможения и возврата или систему генерирования сигнала по заданному ударному спектру;

h) систему управления;

i) систему измерения параметров ударного движения;

j) вспомогательные системы энергообеспечения, охлаждения и др. (при необходимости).

2, Характеристики ударного стенда

Ударное движение стола (каретки) должно быть задано либо ударным спектром, либо зависимостью параметров движения от времени. В зависимости от типа ударного стенда (специализированный ударный стенд или вибростенд, работающий в режиме удара) следует, по возможности, заявлять следующие характеристики с допустимыми отклонениями:

a) формы воспроизводимых импульсов;

b) максимальное изменение скорости;

c) максимальное перемещение;

d) диапазоны пиковых ускорений воспроизводимых импульсов в зависимости от их длительности;

е) ускорение в предударном и послеударном участках сигнала;

f) минимальную длительность импульса;

g) диапазон частот вейвлетов, используемых для синтеза сигнала с заданным ударным спектром;

h) отклонение ударного спектра от постоянного значения в пределах 1/3 октавы, 1/6 октавы или 1/12 октавы;

i) максимальную высоту падения, предварительное давление или заряд;

j) массу ненагруженного стола (каретки) и общую массу движущихся частей;

k) максимально допустимое осевое усилие, прилагаемое при закреплении образца;

I) собственные частоты колебаний стола или каретки;

m) собственные частоты колебаний установленного ударного стенда;

n) требуемое давление и объем газа или жидкости;

о) количество и расход жидкости или газа, необходимые для функционирования стенда;

р) тип возвратно-тормозного устройства и значение тормозящей силы;

q) габаритные размеры ударного стенда и его частей, в частности, стола и его принадлежностей;

r) размеры, массу и метод закрепления инерционных тел и требования к несущей способности пола;

s) максимальные размер и массу испытуемого изделия (образца);

t) средства крепления испытуемого изделия и датчиков;

u) частоту воспроизводимых ударов (число ударных импульсов в единицу времени) или минимальный период времени между ударами;

v) характеристики используемой системы измерений;

w) расположение центра тяжести стола ударного стенда и возможные последствия, если центры тяжести стола и испытуемого изделия не будут находиться на одной вертикальной линии;

х) допустимый диапазон изменений условий окружающей среды (температуры воздуха, относительной влажности и др.).

3, Требования к ударным стендам

3.1 Общие требования

В технической документации на ударный стенд изготовитель должен:

- предоставить подробные инструкции по установке, эксплуатации и обслуживанию стенда;

- указать признаки износа заменяемых элементов стенда и возможные неисправности, а также способы их устранения, в частности восстановления изношенных или поврежденных устройств формирования импульсов, устранения негерметичности в гидравлических и пневматических системах;

- описать способы установки испытуемых изделий и крепления переходников и приспособлений к столу стенда, указав при этом, каким образом неправильное (несимметричное) нагружение стола стенда будет влиять на результаты испытаний;

- указать требования к размерам помещения, где будет установлен стенд; к допустимым зазорам между стендом и потолком (стенами) помещения; к зонам передвижения персонала при проведении испытаний и обслуживании стенда;

- указать требования к электропитанию. Нормальное функционирование ударного стенда не должно вызывать появления помех в электросети, способных повлиять на работу измерительной системы и исказить результаты измерений.

Для предотвращения выбросов рабочих жидкостей должны применяться надежные уплотнительные элементы. Все поперечные сечения стволов, цилиндров и трубопроводов должны иметь достаточный коэффициент запаса прочности. При этом в качестве расчетных должны приниматься максимально возможные давления, возникающие в самом неблагоприятном режиме испытаний.

3.2 Требования безопасности

Конструкция стенда и условия его установки должны обеспечивать защиту обслуживающего персонала от осколков в случае разрушения образца в процессе испытаний.

Пушки следует снабжать взрывонепроницаемыми оболочками и размещать в удаленных зонах с ограниченным доступом персонала. Должно быть указано максимальное давление газа, закачиваемого в пушку и максимальные уровни звукового давления, создаваемые ею.

Должен быть предусмотрен способ надежного отведения и закрепления стола, каретки или поршня перед нанесением удара. Необходимо принять меры по предотвращению удара стола или каретки по наковальне во время установки обслуживающим персоналом устройств формирования импульса.

Срабатывание стенда (выполнение удара) должно быть возможно только по команде. Механизм высвобождения (удержания) должен иметь защиту от непреднамеренного срабатывания, например посредством использования двух одновременно включаемых переключателей, один из которых запирается ключом.

Газы, сжимаемые в процессе испытаний, не должны самовоспламеняться.

Поскольку ударные стенды могут быть использованы для испытаний на воздействие удара на человека, они должны иметь свидетельство, подтверждающее их надежность и безопасность в эксплуатации. В таких стендах должен быть обеспечен немедленный доступ к столу (каретке) после нанесения удара, чтобы при необходимости быстро высвободить испытуемого и вывести его из опасной зоны.

Должны быть приняты меры, исключающие возможность поражения персонала и лиц, участвующих в испытаниях, электрическим током.

3.3 Стол или каретка

Столы, каретки, поршни, трубы, направляющие движения или втулки, а также все элементы, участвующие в создании движения образца во время испытаний на ударное воздействие, должны иметь максимальную жесткость, прочность и обладать высоким демпфированием.

Должны быть указаны устройства крепления образца к столу и предельное значение момента затяжки при креплении.

Для столов должно быть указано, снабжены ли они сменными резьбовыми втулками, и способ их установки: заподлицо или с выступом над поверхностью стола. Поверхности, к которым крепят образец, должны быть гладкими и плоскими в пределах заданных допусков. Если стол снабжен втулками, установленными заподлицо, то должна быть указана допускаемая неплоскостность поверхности стола при нормальных климатических условиях [см. МЭК 60068-1:1988 (раздел 5)]. Если на столе установлены сменные выступающие втулки, то должно быть указано допустимое отклонение от плоскостности посадочных поверхностей втулок с учетом допусков на толщину фланцев резьбовых втулок и неплоскостности поверхности их установки.

Должен быть указан максимально допустимый момент затяжки при установке сменных резьбовых втулок, согласованный с характеристиками материалов резьбовых пар.

Стол или каретка должны иметь чертеж (рисунок) в соответствующем масштабе, на котором указывают все необходимые размеры (в том числе определяющие положение сменных втулок) с допусками. Должен быть указан материал, из которого изготовлены втулки.

Должны быть указаны максимально допустимый момент и осевая сила, прикладываемая к втулкам, а также допустимые отклонения от перпендикулярности к посадочной поверхности винтов для крепления образца.

3.4 Начальное выставление или предварительное нагружение

Ударные стенды свободного падения или снабженные разгонными устройствами, а также стенды, имеющие молот или маятник, должны иметь механизм для выставления на заданную высоту или механизм предварительного нагружения, например, с использованием встроенной линейной или угломерной шкалы с индикацией положения. Должна быть указана требуемая точность подъема или оттягивания стола (каретки). Ударный стенд должен быть снабжен устройствами автоматической установки стола (каретки) или устройством индикации о достижении требуемой высоты (требуемого предварительного нагружения). Изготовитель стенда должен указывать максимальную высоту подъема стола (каретки) или максимальное предварительное нагружение.

Должен быть предусмотрен способ плавной разгрузки или опускания стола (каретки) в случае, если окажется необходимым немедленно прекратить испытание.

3.5 Тормозное устройство

Ударные стенды должны быть снабжены соответствующими тормозными устройствами - механическими, электрическими, пневматическими или гидравлическими. Для остановки элементов стенда, совершающих свободное падение, могут быть использованы ударопоглощающие материалы и парашюты.

Конструкция тормозного устройства должна обеспечивать минимальное наложение колебаний на основной ударный импульс, а также однократность воспроизведенного удара.

Изготовитель ударного стенда должен указывать пределы ускорения при торможении, а также силу, которую необходимо приложить для управляемого торможения. Максимальное значение ускорения при торможении не должно превышать 25% пикового значения ускорения ударного импульса.

Ударный стенд, не оборудованный тормозным устройством, должен иметь соответствующие предупредительные надписи и другие средства, позволяющие предотвратить повреждения его конструкции.

3.6 Инерционное тело

Если принцип действия ударного стенда предполагает использование инерционного тела, то его масса и жесткость должны существенно превышать массу и жесткость стола (каретки).

Инерционное тело должно иметь достаточно высокие резонансные частоты, чтобы избежать их влияния на форму самого короткого ударного импульса, воспроизводимого ударным стендом.

В случаях, когда необходимо изолировать окружающие предметы и снизить динамическую нагрузку на пол от воздействий ударов, создаваемых ударным стендом, инерционное тело устанавливают на подвесах с низкой собственной частотой колебаний. Инерционное тело может также использоваться для управления возвратом стола или каретки после совершения удара за счет переданного этому телу количества движения.

Изготовитель ударного стенда должен указать рекомендуемые геометрические размеры, значения и соотношение между движущимися массами, включая испытуемый образец и инерционное тело, а также указать методы их установки.

3.7 Устройство (способ) формирования ударного импульса

Использование пружин, прокладок, программаторов формы или генераторов для обеспечения требуемых характеристик ударного импульса (его формы, длительности и пикового ускорения) зависят от вида их силовой характеристики, т.е. зависимости динамической силы от отклонения от начального положения.

Если в обмене количеством движения в процессе удара принимают участие два или более тел, то при выборе устройства формирования ударного импульса необходимо учитывать движение каждого из них.

Должно быть указано специальное оборудование, необходимое для изготовления устройств формирования ударного импульса, например формы для отливки свинцовых прокладок. Руководство по выбору устройств формирования ударных импульсов приведено в приложении А.

Для создания ударного импульса при помощи электродинамического или гидравлического вибростенда обычно используют цифровую систему управления испытаниями, обеспечивающую требуемый выходной сигнал (см. приложение В).