Методы измерения параметров удара

Частоту наложенных колебаний f_HK в Гц рассчитывают по формуле

     (4)

где п_П - число периодов наложенных колебаний на учитываемом отрезке осциллограммы;

t - время, соответствующее длине учитываемого отрезка.

 Для оценки формы  импульса ударного ускорения  рекомендуется следующее:

а) перевести на кальку (или  на фотобумагу) осциллограмму импульса; б) отметить на ней значения, соответствующие длительности и амплитуде ускорения j_m, исключив при этом из максимального отклонения луча по вертикали амплитуду ускорения наложенных колебаний j_HK; в) для значений τ и j_m вычертить на кальке одну из трех нормированных форм импульсов, в одном масштабе с исходным импульсом, наиболее подходящую для сравнения с исходным импульсом, приняв для нее:

τ_ф = 0,9 τ - для пилообразной формы;

τ_ф = 0,5 τ - для полусинусоидальной формы;

τ_ф = 0,1 τ - для трапецеидальной формы.

Нанести на эту же кальку по данным рис 4. пунктирные линии, соответствующие границам допусков выбранного для сравнения нормированного импульса;  г) наложить кальку с вычерченными границами допусков на осциллограмму исходного импульса, и оценить его форму по размещению внутри граничных линий; если исходный импульс ударного ускорения не размещается внутри граничных линий, оценить форму исходного импульса по данным τ_ф, τ и f_HK.

На рис.4 приведена последовательность операций, необходимая для оценки полусинусоидальной формы импульса. Для более оперативной оценки формы импульса ударного ускорения допускается пользоваться трафаретами нормированных форм, изготовленными заранее для ряда фиксированных значений длительности. Для этого следует: на изображение импульса ударного ускорения на экране осциллографа наложить трафарет таким образом, чтобы совместить отрезки, соответствующие длительности τ; варьируя величиной вертикального усиления осциллографа, установить значение исходного импульса ударного ускорения на одном горизонтально  м уровне с амплитудой ускорения нормированного импульса на трафарете. По размещению исходного импульса внутри границ трафарета или за их пределами оценить форму исходного импульса ударного ускорения

 Определение относительной амплитуды ускорения наложенных колебаний. Определение относительной амплитуды ускорения наложенных колебаний δ_НК проводят по осциллограмме импульса ударного ускорения по формуле:

,                                                                    (5)

где N_HK - отклонение луча осциллографа от линии усредненного профиля импульса, соответствующее амплитуде наложенных колебаний, мм (делений сетки);

Р - чувствительность осциллографа по вертикальной оси, мВ/мм (делений сетки);

К - коэффициент преобразования ИП, определенный совместно с согласующим усилителем, мВ/м·с^-2 (мВ/g) (напряжение и ускорение в амплитудных значениях);

j_m - амплитуда импульса ударного ускорения, м/с^-2 (g).

Рис5.

а - осциллограмма исходного импульса; б - выявление усредненного профиля импульса; в - нормированная форма импульса; г - оценка формы импульса.

 

 Метод измерения  параметров удара по изменению  скорости с использованием ИП  с неизвестным коэффициентом  преобразования.

Это метод косвенных измерений. Суть его заключается в измерении  осциллограммы ударного импульса ускорения, определении изменения скорости при ударе и расчете на основании  этих данных пикового ускорения.

 Аппаратура: схема измерений и требования к аппаратуре - в соответствии с требованиями.

Определение пикового ударного ускорения. Для любой формы ударного импульса пиковое ударное ускорение τ вычисляют по формуле:

,                                                                          (6)

где N - вертикальное отклонение луча осциллографа, соответствующее пиковому ускорению при ударе, мм;

Δv - изменение скорости при ударе, мс^-1;

S_τ - площадь осциллограммы импульса ударного ускорения, мм², которая ограничена кривой ускорения и участком оси времени, равным Т и включающим в себя длительность действия ударного ускорения τ и время 0,4τ до удара 0,1τ после удара.

(Т = 0,4τ + τ + 0,1τ);

τ' - масштаб горизонтальной шкалы осциллографа, с/мм.

 Изменение скорости  при ударе Δv определяется разностью векторов скоростей прохождения мерной базы до и после удара и вычисляется по формуле

,                                                                         (7)

где L - размер мерной базы;

t₁, t₂ - время прохождения мерной базы до и после удара соответственно, с.

Мерная база должна быть жестко закреплена на стенде и определение  ее размера L должно проводиться с точностью до сотых долей миллиметра. Измерение времени прохождения мерной базы рекомендуется проводить с помощью фотодиода и осциллографа согласно рис5.

1 - осциллограф; 2 - фотодиод; 3 - диафрагма; 4 - мерная база; 5 - источник света; 6 - стол стенда; 7 - наковальня

Рис 6.

Мерная база является подвижной  заслонкой луча света, падающего  на фотодиод. При перекрытии луча света  перед ударом происходит затемнение фотодиода и одновременный запуск луча осциллографа. При этом электронный  луч зафиксирует на экране время t₁, в течение которого фотодиод находится в затемненном состоянии. Время t₁ соответствует времени прохождения мерной базы перед ударом. После удара мерная база вновь перекроет луч света и затемнит фотодиод при движении стола стенда в обратном направлении в течение времени t₂, соответствующего времени прохождения мерной базы при отскоке. Расположение фотодиода, диафрагм и источника света, а также конструкция мерной базы должны быть такими, чтобы измерение времени прохождения мерной базы проводилось на участке, расположенном на расстоянии 1 - 2 мм от поверхности соударения. Допускается применение любых других способов измерения изменения скорости, обеспечивающих погрешность измерения не более ±10 %.  Если можно пренебречь эффектом торможения (для ударных стендов со свободно падающим столом), то изменение скорости при ударе Δv рассчитывают по формуле

,                                                            (8)

где Н, h - высоты падения и отскока соответственно.

Если форму импульса ударного ускорения можно классифицировать как пилообразную, то ударное пиковое  ускорение можно определить по формуле

,                                                                             (9)

Если форму импульса ударного ускорения можно классифицировать как полусинусоидальную, то ударное  пиковое ускорение можно приближенно  определить по формуле

,                                                                          (10)

Измерение остальных  параметров удара. Измерение длительности действия ударного ускорения τ, длительности фронта ударного ускорения τ_ф, определение формы импульса ударного ускорения, частоты f_HK и относительного ускорения наложенных колебаний следует проводить в полном соответствии: Определениея относительной амплитуды ускорения наложенных колебаний.

.Метод измерения ускорения крешерным методом.

Крешерный метод измерения  больших ускорений при ударе  основан на равенстве произведенной  работы при медленном воздействии  силы, прилагаемой при тарировании  крешеров, и работы, произведенной  ударом в измеряемом процессе, что  имеет место при условии f₀ ≥ 2,5,

где f₀ - собственная частота инерционного элемента крешера, кГц;

τ - длительность действия ударного ускорения, мс.

Это условие выполняется  при подборе размеров массы и  материалов инерционного элемента и  крешера. Ускорение определяют по величине отпечатка, полученного при ударе  в результате накола крешера острием  инерционного элемента, путем сравнения  размеров отпечатка с данными  тарировочной кривой.

 Конструкция крешерных устройств. Одна из возможных конструкций крешерного устройства, пригодного для измерения ускорений до 500000 м·с^-2 (50000 g), приведена на рис 6. Инерционное тело такого устройства изготовляют из закаленной инструментальной стали с твердостью 61…63 HRC_Э. Масса инерционного тела рекомендуется в пределах 5,0 - 10 г при значении измеряемого ускорения 10000 - 500000 м·с^-2 (1000 - 50000 g) соответственно. Угол конуса подбирают экспериментально в пределах 90 - 120° в зависимости от материала крешера и длительности импульса. Длина цилиндрической части инерционного тела рекомендуется в пределах (2 - 3) d. Для измерений ускорений свыше 50000 м·с^-2 (5000 g) крешер изготовляют из алюминия. Диаметр крешера D рекомендуется в пределах 10 - 15 мм, а высота (0,5 - 0,7) D. Меньший диаметр применяют при измерении больших ускорений. Торцовые поверхности крешера полируют.

Для измерений ускорений  меньше 50000 м·с^-2 (5000 g) крешер изготовляют из свинца в соответствии с рис 7. Чашку изготовляют из стали, латуни с толщиной стенок 2 - 3 мм. При заливке чашку нагревают до температуры плавления свинца и после заполнения медленно охлаждают до нормальной температуры (время понижения температуры - не менее 1 ч). С внутренним диаметром корпуса инерционный элемент и крешер сопрягаются по скользящей посадке.

1 - корпус крешерного устройства; 2 - инерционный элемент; 3 - крешер; 4 - стол испытательного стенда

Рис 7.

 

1 - свинец; 2 – чашка Рис 8.

1 - поршень пресса; 2 - динамометр; 3 - инерционное тело;4 - крешерное устройство; 5 - крешер; 6 - стол пресса

В крешерных устройствах, основанных на продольной остаточной деформации, об ускорении судят по величине деформации, в устройствах, работающих на смятие острия крешера, - по диаметру площади на острие.

 Тарирование крешеров. Для выполнения серии измерений требуется партия крешеров не менее 24 шт., изготовленных из одного прутка алюминия, меди или одного курса свинца; 12 крешеров необходимы для статической тарировки, остальные используют для измерений ускорений.

Для статической калибровки крешеров устройство устанавливают  на прессе (черт. 28), где последовательно  задают статические нагрузки Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, контролируемые динамометром, причем значение Qвыбирают в зависимости от массы инерционного элемента и измеряемых в процессе удара ускорений

Q_i = mj_i,                                                                                 (11)

где Q_i - - сила, Н;

j₁ - ускорение, соответствующее Q_i м·с^-2;

т - масса инерционного тела, кг.

Для каждой ступени нагрузок используют не менее трех крешеров. Диаметр лунки, оставляемый инерционным элементом на крешере, измеряют с помощью микроскопа, при этом необходимо делать не менее трех измерений в каждом из двух взаимно перпендикулярных направлений. За окончательный диаметр лунки принимают среднеарифметическое из 18 измерений (шесть измерений на каждый из трех крешеров).

По результатам усредненных  измерений с учетом уравнения (11) строится зависимость (Рис 9)

D_л = Ψ(j)

где D_л - усредненный диаметр лунки на крешере, мм;

j - ускорение, g.

Зависимость ускорения от диаметра лунки

 

Рис 9.

 Измерение  пикового ударного ускорения.

Для измерения пикового ударного ускорения крешерное устройство устанавливают на стол ударного стенда. После выполнения удара крешер снимают, проводят измерения диаметра лунки  и по графику тарировки (Рис 9) определяют значение ускорения. Если крешерный метод - основное средство измерения ускорений, то для получения более достоверных данных о значении ускорения необходимо произвести три удара, каждый раз устанавливая новый крешер. В этом случае значение ускорения определяют по средним данным от трех крешеров.

 Определение  длительности действия ударного  ускорения.

 Длительность действия  ударного ускорения может быть  измерена как время нахождения  в контакте металлических соударяющихся  поверхностей с помощью осциллографа (рис 10) или любым иным методом. При измерениях с помощью схемы рис 10 порог срабатывания осциллографа настраивают несколько выше падения напряжения на R₁ при разомкнутой цепи бойка-наковальни. Сопротивление резистора R_l рекомендуется принимать 0,1 - 1,0 кОм, R₂ = (5 - 10) R₁ напряжение источника питания 1 - 12 В.

1 - наковальня (основание); 2 - боек (стол); 3 - осциллограф