4.3. Вибростенды

В п. 5 табл. указаны средства воспроизведения вибраций; создающие виброускорения. Большинство вибростендов предназначается для испытаний на прочность, вибростойкость и надежность, поэтому к ним не предъявляются высокие требования по точности. Специфической является задача определения резонансных частот и выявление последствий резонансных эффектов. При попадании в резонансы микромеханические приборы, конструкции чувствительных элементов которых имеют высокую добротность, прибор может вовсе терять работоспособность. Точные градуировочные вибростенды, предназначенные для испытаний акселерометров, существуют, их точность невысока (относительные погрешности по амплитуде порядка 1 %), но они используются редко и далее не рассматриваются.

При виброиспытаниях чаще всего задаются режимы периодического движения стола с испытуемым объектом по одной оси с постоянными частотами в заданном диапазоне (обычно от 3 Гц до 2 кГц), причем закон принимается синусоидальным. Синусоидальность формы практически обеспечивается лишь приближенно, при строгой регламентации качества режимов налагаются ограничения на амплитуды высших гармоник. Основные требования к вибростендам при синусоидальном законе изменения виброускорения по оси

W(t) = W₀ sin ωt (3.5)

исходно задаются по диапазонам двух основных параметров: по амплитуде виброускорения W₀ и по круговой частоте ω (измеряемой в радианах в секунду или 1/с), но чаще по частоте f = (2π)^-1ω (измеряемой в герцах). Наряду ними часто представляют интерес выражаемые через них два параметра: амплитуда виброскорости V₀ = W₀ω^-1 и амплитуда виброперемещения s₀ = W₀ ω^-2. При проектировании стендов наиболее важными являются требования по частоте f, амплитуде силы F = т w₀ , где т — масса испытуемого объекта, и амплитуде перемещения s₀ . Условия виброиспытаний для многих классов испытуемых изделий стандартизованы, можно считать, что общий по разным изделиям диапазон частот составляет (2 – 2000) Гц, но для некоторых объектов частоты должны быть значительно (а порядок) больше а максимальные амплитуды виброускорений составляют (50 – 200) м/с². Существуют стенды, которые позволяют воспроизводить вибрации форм, отличных от синусоидальных, как периодические, так и непериодические, полигармонические или случайные с заданными спектрами.

Чтобы наглядно представить, с одной стороны, требования к виброиспытаниям, а с другой стороны, возможности вибростендов, в областях допустимых режимов в логарифмической сетке строятся линии равных значений амплитуд перемещений (на рис. 3.7 а) и амплитуд ускорений (на рис. 3.7 б). Удобство использования той или иной группы графиков зависит от того, что именно задает вибростенд: перемещения или приложенную силу.

Предположим, стенд непосредственно кинематически задает перемещения. Тогда видно, что при высоких частотах, которые для ряда типов вибростендов трудно воспроизводить, и не очень больших амплитудах виброускорений амплитуды виброперемещений становятся очень малыми (порядка 1 мкм и менее), их трудно наблюдать и точно измерять. С другой стороны, если требуется воспроизводить не очень малые ускорения с очень низкими частотами (например, порядка 1 герца и ниже), то для этого требуются большие перемещения, порядка нескольких метров и более, что конструктивно выполнимо, но только в уникальных установках. Такие установки, в частности, воспроизводят режим качки судна на волнении.

Исторически первыми были электромеханические стенды с приводом через рычажный механизм от электродвигателя, они применяются до сих пор. Для таких стендов важнейшим является ограничение по частоте (десятки герц). Для микромеханических приборов воздействия с такими низкими частотами эквивалентны статическим, и никакие динамические эффекты не могут быть выявлены.

В наше время наибольшее распространение получили электродинамические стенды. Они предназначены для воспроизведения линейных колебаний на средних и высоких частотах, относятся к числу самых распространенных. Проблематика стандартизации подобных стендов представлены в ГОСТ 25051.3-83 Установки испытательные вибрационные. Методика аттестации. Нормативная документация и ГОСТ 25051.4-83 Установки испытательные вибрационные. Общие технические условия.

Устройство и принцип работы привода электродинамического стенда (этот принцип также используется в большинстве активных электроакустических систем), иллюстрируется на рис. . На неподвижном основании устанавливается собираемый из нескольких деталей статор, основой которого является магнитопровод 6, представляющий собой осесимметричную, с вертикальной осью магнитную систему. Она состоит из центрального цилиндрического стержня, нижней плиты в виде диска, кольца и верхнего диска с круглым отверстием. Магнитная система служит для создания сильного радиального магнитного поля в узком кольцевом зазоре между центральным стержнем и верхним диском.

Замкнутые магнитные силовые линии изображены пунктиром. Все элементы магнитной системы изготавливаются из ферромагнитных сплавов высокой магнитной проницаемости.

Магнитное поле может быть остаточным (и тогда элементы магнитной системы должны быть изготовлены из магнитожестких материалов), но в мощных вибростендах используется магнитное поле создается протекающим постоянным током, тогда обмотка намагничивания 5 занимает почти все внутреннее кольцевое пространство внутри статора, тогда для материала магнитной системы важна высокая магнитная проницаемость.

Подвижная система, перемещающаяся под действием электромагнитных сил по вертикали, состоит из стола 2, на который устанавливается испытуемый объект 1, и жестко соединенной со столом катушки 3, находящейся в зазоре магнитной системы. Питание катушки осуществляется от мощного генератора. Системы управления подобными стендами обычно позволяют осуществлять программирование типовых режимов (на последовательных задаваемых интервалах времени воспроизведение виброускорений заданных амплитуд и частот). Сами системы управления вибрационными режимами обычно являются разомкнутыми и поэтому не могут быть точными. В системах управления стендами редко используются обратные связи (по току и ускорению), такие стенды имеют более высокую точность.

В последние годы получила распространение также горизонтальная компоновка электродинамических вибростендов. Тогда стол, на который устанавливается большой объект, перемещается по направляющим с газостатическими опорами. В этом случае подвижная часть не нагружается силами тяжести, и тогда снимаются жесткие ограничения на массу объекта.

Важнейшим преимуществом электродинамических вибростендов является возможность перекрытия очень широких диапазонов частот, от единиц герц до двух килогерц, а иногда и больше, чего в соответствии с типовыми требованиями к испытаниям обычно бывает вполне достаточно при испытаниях электронной аппаратуры.

Для электродинамических стендов основными являются ограничения по силе тока и, следовательно, по создаваемым силам (при фиксированных массах), по линейным ускорениям (амплитудам виброускорений) и по перемещениям (амплитудам виброперемещений). Максимальные создаваемые силы в конечном счете определяются ограничением по плотности тока проводников в катушке, что в свою очередь обусловлено требованиями отсутствия перегрева, жесткими даже в условиях принудительного воздушного охлаждения.

Расчеты и опыт проектирования электродинамических вибростендов показывают, что реально максимальные значения сил могут достигать нескольких десятков килоньютонов, при этом габаритные размеры магнитопровода имеют порядок одного метра, а расходуемые электрические мощности имеют порядок нескольких десятков киловатт. Распределение масс между конструкцией подвижной части со столом и испытуемым объектом может варьироваться, но для прикидочных расчетов можно принимать, что сила, действующая на объект испытаний, должна быть ограничена значением порядка 10 кН.

Важным недостатком электродинамических вибростендов является наличие сильных внешних электромагнитных полей рассеяния, что может создавать серьезные помехи при испытаниях электронной аппаратуры. Экранирование испытуемой аппаратуры с помощью специальных экранов, в том числе двойных обычно осуществляется, но представляет серьезные конструктивные трудности, потому что этот экран испытывает вибрационные воздействия и при этом не должен резонировать.

При испытаниях на вибростендах, особенно на очень высоких частотах следует измерять ускорения с помощью акселерометров по следующим причинам:

- стенды, системы управления которых являются незамкнутыми (без обратных связей) обладают невысокой стабильностью, поэтому целесообразен независимый контроль амплитуды ускорения с помощью акселерометра;

- при подробном анализе воздействия виброускорения на выходной сигнал, а именно, для выявления вызванной им составляющей ошибки испытуемого прибора целесообразно производить совместный анализ сигнала установленного акселерометра с выходным сигналом испытуемого прибора;

- может сказываться упругость конструкции подвижной части, так что амплитуды ускорений по объему будут существенно различаться, поэтому целесообразно размещать акселерометры в различных точках, в том числе и на самом испытуемом объекте;

- перемещения точек при колебаниях будут значительно отклоняться от номинальной оси, поэтому целесообразно измерять или по крайней мере контролировать боковые ускорения с помощью акселерометров с осями, перпендикулярными основной оси;

- при существенных отличиях формы виброускорония от синусоидальной, т. е. при наличии значимых амплитуд гармоник могут существенно изменяться результаты интерпретации испытаний, в частности, могут появляться резонансы на гармониках, которые затем могут быть ложно истолковано.

Особенности серийно выпускаемых вибростендов рассмотрим на примере продукции англо-американской фирмы GEARING&WATSON (принятая аббревиатура GW), система качества которой, как указано, сертифицирована на соответствие требований стандарта ИСО 9001. Вибростенды являются программными, т.е. в принципе позволяют воспроизводить при определенных ограничениях (на виброперемещения, виброскорости и виброускорения) произвольные законы, которые можно программировать. Но имеются стандартные программы: синусоида, стационарная случайная вибрация, их смесь, полигармонический процесс, поиск резонансов, удар, моделирование вибраций при проезде по дорогам с различным качеством покрытий.

Принят модульный принцип построения механики стендов, предлагаются модули вибродвигателей и «вибровозбудителей» (ими определяются основные параметры: диапазоны по силам и перемещениям), модули приспособленные для наращивания, модули подвижных конструкций, к которым крепится объект испытаний, и системы автоматического программного управления. В качестве важного преимущества упоминается широкий выбор типоразмеров как самих стендов (они имеют единую кодификацию), так и их деталей. Каталог указанной фирмы включает целую гамму, совокупность модификаций более пятидесяти типоразмеров, и кроме того, указывается, что могут быть изготовлены и поставлены заказные стенды с расширенными возможностями на основе унифицированных компонентов.

В качестве другого примера приведем данные о стендах известной фирмы LING ELECTRONICS (LE). Как и в предыдущем случае, фирма выпускает серийно несколько модификаций (в данном случае их 15). Мощные вибростенды, на которых специализируется фирма LE, имеют следующие параметры: диапазон виброперемещений (удвоенная амплитуда) 50 мм, максимальное усилие, прикладываемое к объекту, до 250 кН, максимальное ускорение до 100 g и, максимальная скорость 1,8 м/с, допускаемая статическая нагрузка, т.е. фактически допускаемая масса объекта до 1360 кг, потребляемая мощность до 440 кВт.

Существуют стенды, воспроизводящие не линейные, а угловые колебания, но они обычно низкочастотные и позволяют имитировать условия качки корабля на волнении.

В испытательной технике, предназначенной для воспроизведения сложных движений, определенное распространение получили многокомпонентные стенды, механизмы которых имеют параллельную структуру. В этом классе стендов наибольшее распространение получили механизмы, выполненные по схеме так называемой платформы Стюарта (рис. 3.23); в зарубежной литературе для подобных механизмов часто используется термин hexapod («шестиног»). Они отличаются тем, что приводные звенья, которые представляются в виде стержней переменной длины, через шарниры соединяют выходное звено, в данном случае плоскую платформу (или объемную конструкцию) с неподвижным основанием. Приводы могут быть электромеханическими (с кинематическими парами реечными или типа винт-гайка), гидравлическими или иными.

Наличие именно шести звеньев обязательно, только при этом, с одной стороны, можно независимо задавать в пространстве в определенных пределах три линейных перемещения и три угла поворота вокруг трех осей, а с другой стороны, система является статически определимой. Поскольку выполняются условия статической определимости, в определенных пределах можно задавать любые удлинения длинам приводных звеньев и это не приведет к конфликтам силового взаимодействия. Схему можно рассматривать, как универсальную, представляющую определенные преимущества. Например, при одной установке объекта на стенде можно задавать линейные колебания по любой оси или угловые колебания вокруг любой оси.

По схеме платформы Стюарта несколькими фирмами выпускаются шестикомпонентные испытательные стенды с гидроприводом (а в последние годы – с пьезоэлектрическим) и микропроцессорной системой автоматического программного управления; предусмотрено программирование и воспроизведение любых непериодических или периодических законов движения по всем линейным и угловым координатам как по отдельности, так и в любых сочетаниях. Однако в типовых программах виброиспытаний редко предусматривается одновременное и соглосованное изменение нескольких координат, а стоимость подобных стендов высока, поэтому они не получили широкого распространения.

Применительно к испытаниям микромеханических датчиков наиболее перспективными являются пьезоэлектрические стенды. Принцип действия пьезоэлектрического стенда основывается на использовании обратного пьезоэффекта, который заключается в том, что под воздействием переменной разности потенциалов по границам пластины из пьезоэлектрического материала изменяются ее размеры. Самым распространенным из таких материалов является специальная пьезокерамика. На схеме стенда рис. 3.18 б основным элементом является составной стержень («столбик») 3 из пластин (дисков) пьезоэлементов, полярности электродов между ними чередуются. Изменение размера каждой пластины пропорционально подаваемому переменному напряжению от генератора. Подаваемые напряжения должны быть до сотен вольт, но требуемые мощности генераторов невелики. Деформации пластин складываются, перемещение последней пластины передается столу 2 и испытуемому объекту 1. При простоте и дешевизне конструкции такие стенды способны воспроизводить только малые амплитуды (по силам и перемещениям) и могут применяться исключительно для испытаний объектов малых масс, обычно изделий микроэлектронной техники на высоких частотах (от сотен герц до десятков килогерц).

Пьезоэлектрические стенды способны задавать только малые перемещения (не более 10^-3 от длины столба), т.е. практически до десятков микрометров. Важным недостатком является хрупкость обычно используемой пьезокерамики и клеевых соединений. Однако важнейшим достоинством является возможность работы на очень высоких частотах, в десятки тысяч герц (диапазон рабочих частот ограничивается резонансами самого столба пьезоэлементов). Пьезоэлектрические стенды незаменимы при экспериментальном определении резонансных частот (порядка 10 кГц) конструкций чувствительных элементов микромеханических приборов. Пьезоэлектрические стенды могут собираться на пьезоэлементах, выпускаемых промышленностью, в лабораторных условиях. Но пьезоэлектрические вибростенды выпускаются некоторыми фирмами в комплекте с генераторами, имеющими системы программного управления, позволяющими осуществлять программирование типовых режимов (на последовательных задаваемых интервалах времени воспроизведение виброускорений заданных амплитуд и частот).

Для всех высокочастотных вибростендов, независимо от принципа действия существуют ограничения, обусловленные динамической податливостью конструкций подвижных частей на частотах в несколько сотен герц и выше. На таких частотах начинает сказываться упругость стола, на который устанавливается объект, из-за этого амплитуды виброускорений в различных его точках начинают существенно различаться и возникает естественная неопределенность амплитуд испытательных воздействий.

Но не всегда это возможно, в частности, при испытаниях на роторных стендах задание угловой скорости приводит к возникновению центробежных сил инерции и наоборот, когда на центрифуге создаются центробежные перегрузки, то это осуществляется за счет быстрого вращения. Поэтому при испытаниях ММГ следует определенным образом ориентировать его оси и учитывать совместное воздействие угловой скорости и линейных ускорений.

С другой стороны, существуют стенды, позволяющие воспроизводить комбинированные воздействия. К их числу относится выпускаемая одной из известных фирм так называемая виброфуга, в ней на плече центрифуги устанавливается вибростенд. Для воспроизведения любых комбинаций линейных и угловых колебаний предназначается стенд, называемый по-разному: чаще всего платформой Стюарта или гексаподом. Такой стенд, построенный на шести компьютерно управляемых линейных приводах, шарнирно соединенных с подвижной платформой, на которую устанавливается испытуемый объект, позволяет задавать линейные и угловые колебания ограниченных амплитуд. Линейные двигатели могут быть электромеханическими, пневматическими, гидравлическими или даже пьезоэлектрическими. Можно задавать линейные колебания по любой оси, угловые колебания вокруг любой оси и любые комбинированные колебательные движения. Обычно неширокие диапазоны угловых и поступательных перемещений, а также частотные диапазоны определяются преимущественно типом двигателей. Однако подобные стенды стоят дорого, в типовых программах испытаний воспроизведение подобных сложных движений не предусматривается, Эффекты, которые могут быть выявлены при сложных движениях неясны. Поэтому эти стенды не нашли практического применения.