Методы измерения параметров удара

Ведение.

Испытания на воздействие  ударных нагрузок проводятся с целью  оценки ударной прочности и устойчивости изделий. Отличие этих испытаний  заключается в том, что при  испытании на ударную прочность  проверяют способность изделия  выдерживать разрушающие воздействия  ударов и продолжать нормально функционировать  после их прекращения, а при испытании  на ударную устойчивость проверяют  способность изделия выполнять  свои функции при воздействии  ударных нагрузок. Испытаниям подвергают опытные образцы изделий, изделия  из установочной серии, а также изделия  серийного или массового производства при изменениях их конструкции или  технологического процесса, а также  марки или качества основных материалов, способных повлиять на механическую прочность изделий или их стойкость  к воздействию механических факторов. Испытаниям должны подвергаться изделия  в целом или отдельные их части, законченные сборкой и соответствующие  ТУ или стандартам по конструкции, параметрам и внешнему виду.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методы измерения параметров удара.

 Общие положения.

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.            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 м∙с². 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    Метод измерения параметров удара с помощью ИП с известным коэффициентом преобразования.

 Требования к измерительной  аппаратуре. Для измерений следует использовать аппаратуру, структурная схема которой представлена на рис 1.

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.

Рис.1

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 . 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. 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 6 мм момент затяжки 1,5 - 2 Н/м; для резьб большого диаметра момент затяжки должен увеличиваться на 1,5 - 2 Н∙м на каждый миллиметр увеличения диаметра резьбы. Амплитудно-частотная характеристика аппаратуры (включая измерительный преобразователь) должна соответствовать рис 2. При этом неравномерность амплитудно-частотной характеристики в децибелах должна определяться относительно частоты 400 Гц.

Рис2.

Зависимость нижней и верхней  частот среза фильтра, а также  частоты, за пределами которой характеристика может подниматься выше ±1 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
	fн1	fн2	Fв1	Fв2
0,05 ≤ τ <0,2	4	16	30	40
0,2 ≤τ <1	4	16	15	40
1 ≤ τ <3	4	16	5	25
τ > 3	1	4	5	25

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.

Нелинейность амплитудной  характеристики измерительного преобразователя  не должна превышать ±10 % 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. Постоянная времени входной цепи согласующего усилителя RС, должна быть не менее 0,2 с, где R - входное сопротивление согласующего усилителя Ом;  С - суммарная емкость измерительного преобразователя, кабеля и входа усилителя, Ф.

 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. На территории Российской Федерации действуют ПР 50.2.002-94. На территории Российской Федерации действуют ПР 50.2.006-94.

 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 риз3.

Значение пикового ударного ускорения j_m вычисляют по формуле

          (1)

где Р - чувствительность осциллографа по вертикальной оси, мВ/мм (деление сетки); N - амплитуда усредненного импульса, изображенного на чертеже пунктирной линией, мм (деление сетки); К - коэффициент преобразования ИП, определенный при поверке совместно с согласующим усилителем, мВ∙с²/м (мВ/g) (напряжение и ускорение в амплитудных значениях).

a - с крутым фронтом; б - с пологим фронтом

Рис3.

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 (рис3б), то за N_ср следует принимать максимальное отклонение луча по вертикали. Если импульс ударного ускорения содержит наложенные колебания (рис3.а), то для определения N_ср 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 рис3.а), максимум этой линии принять за N_ср.       Коэффициент преобразования К должен определяться при градуировке в ударном режиме. При этом для измерения амплитуды ускорения т ≤ 10000 м∙с^-2 (1000 g) и длительности τ ≥ 0,5 мс допускается градуировка в вибрационном режиме. Измерение длительности действия ударного ускорения и длительности фронта ударного ускорения За длительность действия ударного ускорения следует принимать время, в течение которого действуют мгновенные значения ускорения j_i одного знака, удовлетворяющие условию  j_i ≥ 0,1j_m.

Для измерения длительности необходимо зафиксировать на экране осциллографа или на осциллограмме (рис2.б) горизонтальное отклонение луча п' мм (дел. сетки), которое соответствует отрезку времени на уровне 0,1 N_ср, расположенному между передним и задним фронтами импульса, и рассчитать длительность по формуле

τ = τ'n',                                                                                   (2)

где τ' - 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 (рис3.а). За длительность фронта ударного ускорения (время фронта удара) следует принимать время, в течение которого происходит нарастание ускорения от нуля до значения j_m, где j_m - пиковое ударное ускорение.Для измерения длительности фронта ударного ускорения необходимо зафиксировать горизонтальное отклонение луча п_ф в мм (дел. сетки) от начала процесса до соответствующего вертикального отклоненияN_cp (рис3.а) и провести подсчет τ_ф по формуле

τ_ф = τ'п_ф                                                                                 (3)

а - пилообразный импульс; б - полусинусоидальный импульс; в - трапецеидальный импульс; - - - границы допусков.  Рис4.

 Определение формы импульса ударного ускорения.

 Определение формы  импульса ударного ускорения  следует проводить путем сравнения  с формами импульсов, изображенными на рис4 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 участке, включающем в себя 0,4 τ до начала импульса, длительность действия ударного ускорения τ и время, равное τ после импульса ударного ускорения. Если осциллограмму импульса ударного ускорения можно заключить между пунктирными линиями, соответствующими допуску на пилообразный импульс (а), 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 (рис4 б), то форму импульса ударного ускорения следует классифицировать как полусинусоидальную. Если осциллограмму импульса ударного ускорения можно заключить между пунктирными линиями, соответствующими допуску на трапецеидальный импульс (рис4в), то форму импульса ударного ускорения следует классифицировать как трапецеидальную. Если осциллограмму импульса ударного ускорения, нельзя заключить между пунктирными линиями, соответствующими допускам для приведенных на (рис4) 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 f_HK кГц, и амплитуду ускорения j_НК, составляющую п % пикового ударного ускорения и т.п.);

τ_ф - длительность фронта ударного ускорения;

τ - длительность действия ударного ускорения.

Например, форма импульса ударного ускорения близка к пилообразной с длительностью фронта ударного импульса τ_b = 0,2 мс при длительности τ = 1,5 мс с наложенными колебаниями, имеющими частотуf_HK = 20 кГц и амплитуду ускорения j_HK = 0,3 j_m.       Оценку частоты наложенных колебаний на кривой импульса ударного ускорения следует проводить путем подсчета на осциллограмме числа периодов наложенных колебаний п_П, 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.