Д.т.н. Санчугов В.И., К.т.н. Показеев В.П., аспирант Батанов Н.В.

Самарский Государственный Аэрокосмический Университет, Россия

СХЕМЫ УСКОРЕННЫХ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ИСПЫТАНИЙ (УЭИ)

В гидромеханике, как и в механике вообще, возможна реализация двух методов возбуждения колебаний давления потока жидкости:

- скачкообразное (ступенчатое) изменение давления на входе в объект испытаний;

- периодическое (гармоническое) изменение давления или расхода на входе (выходе) в объект испытаний.

Движение, возникающее в первом случае, известно как результат ударного возмущения, а в теории автоматического регулирования и электротехнике - как переходный процесс. Во втором случае движение известно как периодическое (гармоническое) вынужденное движение.

Исторически для решения задач УЭИ гидроагрегатов появилась схема ступенчатого нагружения объекта испытаний в результате срабатывания двухпозиционного распределителя (рис. 1). Применение схемы базировалось на законах стационарной гидравлики, предполагающей изменение давления в объекте испытаний от давления слива до давления нагнетания, развиваемое насосной станцией.

С увеличением рабочих давлений в гидросистемах до 20,0 МПа, с середины 60-х годов в напорной линии перед распределителем стали размещать мультипликатор давления (рис. 2). Это позволило реализовывать режимы нагружения с размахом колебаний давления до 40,0...60,0 МПа, которые по уровню действующих в объекте испытаний напряжений являются предельными из условия сохранения подобия физической природы сопротивления усталости. Недостатками подобных стендов являются:

- низкая частота циклов нагружения (менее 1 Гц);

- низкая надежность;

- высокие энергетические затраты на создание давления в больших объемах полости мультипликатора.

Одновременно в связи с развитием теории автоматического регулирования для гидротопливных систем ЛА, систем автоматики ГТД, ЖРД возникла необходимость исследования динамических свойств элементов автоматики при возбуждении гармонических колебаний рабочих сред.

Рис. 1. Принципиальная схема стенда для ускоренных эквивалентных испытаний

1- бак, 2 - насосная станция, 3 - линия нагнетания,

4 - распределитель, 5 - объект испытаний, 6 - линия слива

Рис. 2. Принципиальная схема стенда для ускоренных эквивалентных испытаний с мультипликатором давления

1-бак, 2-насосная станция, 3-распределитель, 4-мультипликатор давления, 5-объект испытаний, 6-вспомогательный насос, 7-кран зарядки мультипликатора

Рис. 3. Принципиальная схема стенда для ускоренных эквивалентных испытаний с генератором колебаний объёмного типа

1-бак, 2-насосная станция, 3-мультипликатор давления, 4-дроссели, 5-объект испытаний, 6-генератор колебаний объёмного типа, 7-кран зарядки мультипликатора, 8-вспомогательный насос

Эти так называемые частотные методы исследования потребовали возбуждения колебаний давления с размахом до 4,0 МПа на частотах до 1 кГц Для этих целей нашли применение схемы возбуждения вынужденных колебаний с объемными (рис. 3) и дроссельными генераторами.

Несмотря на широкое использование объемных генераторов, попытка их применения при УЭИ для возбуждения колебаний давления с размахом свыше 10,0 МПа показала низкую надежность и малый ресурс.

Дроссельные генераторы, появившиеся с начала 70-х годов, после отработки и совершенствования конструктивных схем и способов подключения в стендовые системы показали высокую надежность, широкий частотный диапазон, способность возбуждения колебаний давления до 10,0 МПа. В результате они заняли доминирующее положение не только в области частотных испытаний, но и для ряда специальных задач, например, промывки гидродинамическими методами гидравлических систем и их элементов. Однако попытки возбуждения колебаний давления с размахом свыше 10,0 МПа потребовали значительных затрат мощности.

Опыт проведения усталостных испытаний в других отраслях машиностроения, например, материаловедении, свидетельствует о следующем. В инфразвуковом диапазоне частот возбуждаемых колебаний (до 10 Гц) образцов и элементов механических систем применяются резонансные и нерезонансные режимы возбуждения колебаний (механические и гидравлические устройства). Интенсивные циклические нагрузки на высоких частотах практически обеспечиваются лишь при резонансе механических систем самовозбуждения. Вне резонанса потребные мощности для проведения испытаний оказываются чрезмерными.

Для проведения испытаний в звуковом (300...16000 Гц) и ультразвуковом (до 50 кГц) диапазонах в настоящее время применяются пневматические (до 20 кГц), электромагнитные (до 500...700 Гц), электродинамические (3...5000 Гц), магнитострикционные (3...50 кГц) и пьезоэлектрические (10...40 кГц) преобразователи.

Предпочтительными для решения задач УЭИ являются методы возбуждения вынужденных колебаний (близких к гармоническим) на резонансных режимах. В качестве простейших резонансных систем могут быть рассмотрены резонансные контуры, состоящие из элементов упругого и инерционного характера сопротивления (колебательное звено 2-го порядка).

Сокращение времени испытаний на воздействие пульсаций давления при отработке на ресурс в 8-10 раз приводит к сокращению времени создания и доводке новой техники в 2-3 раза.

Календарное время работ по увеличению ресурса изделия от 3230 чаcов до 15000 часов составляет около 4,5 месяцев.

Следует отметить, что использование метода возбуждения колебаний давления при помощи ступенчатого возмущения имеет ограничение по частоте, что связано с одной стороны с собственной частотой системы, с другой стороны с тем, что распределитель (ВК) имеет ограничения по закону изменения площади проходного сечения и количеству пазов на вращающемся золотнике. В результате максимальная частота возбуждаемых колебаний в экспериментах не превышала 250 Гц, а работа на зарезонансных режимах резко повышала расход рабочей жидкости, потребные мощности и нагрузки (гидродинамические силы) на возбудитель колебаний.

Исследования дроссельных генераторов в системе с параллельным резонатором несмотря на высокую добротность ограничивались относительно небольшими амплитудами гармонических колебаний для частотных испытаний

Исследования возбуждения высокоамплитудных колебаний давления расхода требует разработки математической модели системы с высокой нелинейностью однако представляется перспективным.