Методы расчета и проектирования оборудования для стендовых вибрационных испытаний сложных технических систем

Техническими системами высшей категории сложности как в проектировании, изготовлении, так и в стендовой отработке являются летательные и космические аппараты. Традиции применения передовых технических решений при создании и доводке ЛА и КА определяют лидирующую роль этой отрасли в техническом прогрессе.

Повышение технико-экономических показателей ЛА, их систем и других сложных технических объектов требует совершенствования методов и средств стендовых динамических испытаний. Испытания являются одним из основных источников надежной информации о прочностных характеристиках конструкций, необходимой при проектировании и доводке образцов ракетно-космической техники.

Из-за многообразия условий проведения стендовых испытаний, высоких требований к наземной отработке летательных аппаратов разработчиками такой техники создаются многочисленные стендовые устройства и приспособления для установки, закрепления объекта испытаний, передачи на него динамических воздействий.

Трудности, связанные с проведением испытаний ЛА больших масс и габаритов, заключаются в ограниченных возможностях производительности существующего испытательного оборудования, в большом объеме проводимых испытаний и их трудоемкости, в нарушении стабильности режимов на-гружения испытываемого объекта, в наличии динамических взаимодействий между элементами стендовой системы, включающей объект испытаний, источник возбуждения, стендовые устройства. Все это отражается на уровне достоверности и информативности результатов экспериментальных исследований. Так, увеличение производительности стендового оборудования за счет повышения скорости изменения прикладываемых к испытуемому объекту динамических воздействий приводит к снижению точности воспроизведения заданных программой испытаний нагрузокповышение точности на-гружения за счет увеличения коэффициентов усиления в контуре управления вибратора приводит к нарушению стабильности задаваемых динамических нагрузок из-за возникновения автоколебаний.

В ходе испытаний могут также изменяться условия, определяющие выбор показателя желаемого качества работы испытательного оборудования: жесткость, демпфирование и другие характеристики испытываемой конструкции, влияющие на характер настройки регулятора нагрузок, на обеспечение устойчивого режимазагрузка источника энергии (например, маслона-сосной установки, питающей гидравлические силовозбудители и опорные узлы) — параметры элементов системы управления нагружениемвнешние возмущающие воздействия (например, при испытаниях по независимым программам различных агрегатов в системе одной конструкции) и др.

В случаях, когда факторы, влияющие на динамику процесса управления нагружением, меняются во времени по известному закону, можно заранее рассчитать, как следует изменять параметры стендовых устройств и системы управления, чтобы качество работы системы в целом оставалось приемлемым, и использовать программные настройки. Так, при усталостных испытаниях циклическим нагружением целесообразна программная перестройка регулятора источника возбуждения и характеристик опорных узлов, обеспечивающая высокую точность отработки заданных нагрузок в области их предельных значений. Такая перестройка может осуществляться в системах с регулируемыми параметрами, например, путем переключения по командам программного устройства на соответствующих этапах программы корректирующих (дифференцирующих и интегрирующих) цепочек с фиксированной настройкой, изменяющих необходимым образом характеристики регулятора в активной опорной системе.

Составление программы изменения параметров ВСУ затрудняется из-за незнания реального закона изменения всех или некоторых параметров испытываемого объекта и системы нагружения, возможного случайного характера изменений внешних возмущающих воздействий и сигналов задания (например, при испытаниях случайными нагрузками с параметрами, соответствующими условиям реальной эксплуатации изделий).

В этих случаях рекомендуется использовать автоматизированные системы управления, в которых по заданному показателю качества работы стендовой системы производится настройка параметров отдельных узлов ВСУ на основе измерения и оценке состояния испытываемого объекта.

Вибрационная установка для испытаний ЛА и их систем состоит из вибростенда, вспомогательных устройств для установки на стенде, вывешивания или опирания изделия (разгрузочные устройства и опоры), устройств.' обеспечения направленности виброперемещений и устранения нежелательных внешних воздействий. Такая установка является сложной пневмогид-равлической и электромеханической системой, в которой имеются динамические взаимодействия между элементами. Результатом таких взаимодействий является отклонение рабочих параметров стендовых устройств от их номинальных значений.

Повышение эффективности стендовых вибрационных испытаний связано с сокращением временных и организационных затрат на их проведение, с увеличением информативности и достоверности получаемых результатов. Это требует совершенствования технического оснащения ВИ, например, путем создания класса вспомогательных стендовых устройств, разработки универсальных методик расчета динамических характеристик, построения усовершенствованных моделей стендовой системы и ее элементов с учетом различных факторов, определяющих граничные условия.

Возможности разгрузочных, стабилизирующих, направляющих устройств, автоколебательных источников возбуждения, работающих в составе стендовой системы, изучены недостаточно полно. Это связано со сложностью их структуры и динамического состояния, когда устройства подвержены воздействию изменяющихся условий функционирования и внешних нагрузок. Поэтому возникает необходимость в системном подходе к исследованию и проектированию ВСУ с учетом условий эксплуатации их в составе стендовой системы «опорные узлы-вибратор-изделие», в решении задач по разработке методов расчета динамических характеристик различных схем ВСУ, в создании базы данных по типам устройств и их элементов, в разработке перспективных конструкций.

При проведении динамических испытаний «упругих» изделий наивысшая возможная точность измерений их параметров может быть получена только тогда, когда на характеристики конструкции нет значимого влияния возбудителя и механизмов его крепления, и, наоборот, когда перемещения конструкции не влияют на возбуждающие силы.

Значимость проблем объясняется существенным износом используемого испытательного оборудования и отсутствием универсальных средств наземной отработки современных ЛА при действии на объект большого числа внешних факторов.

Одним из путей создания эффективных ВСУ является использование упругодемпфирующих свойств жидкостей и газов, протекающих под давлением в специально спроектированных магистралях. Динамические процессы в таких устройствах определяются физическими свойствами используемого рабочего тела, параметрами гидро- (газо)динамического тракта, направлением и характером действующих нагрузок, динамическим взаимодействием составляющих элементов, их вибрационным состоянием.

В сложной технической системе трудно надежно определить ее динамические характеристики, поведение отдельных элементов в процессе эксплуатации без достоверных расчетных моделей. При этом может быть использовано представление стендовых устройств и их элементов с позиций теории релаксационного демпфирования. Основные положения этой теории заключаются в следующем:

— технические объекты описываются упруго-вязкими моделями, параметры которых соответствуют физически реализуемым характеристикам составляющих их узлов и элементов;

— структура стендовой системы формируется как совокупность передаточных функций отдельных узлов;

— изменения упругодемпфирующих характеристик СРД определяются величиной соотношения параметрических комплексов расчетных моделей.

Цель диссертации состоит в совершенствовании стендового оборудования для наземных вибрационных испытаний ЛА и других сложных технических систем путем создания методов расчета и принципов проектирования разгрузочных, стабилизирующих, направляющих устройств, источников колебаний, а также разработка методологии проектирования перспективных конструкций такого типа на основе выявления, теоретического и экспериментального обоснования особенностей протекающих в них процессов.

Научная новизна. В диссертации предложен и реализован единый подход к разработке вспомогательных устройств для испытательных вибрационных стендов, основанный на использовании теории релаксационного демпфирования и концепции динамического взаимодействия объектов испытаний, стендовых устройств и их элементов.

1. Созданы математические модели ВСУ, учитывающие динамические процессы в отдельных элементах и предназначенные для разработки методик расчета статических и динамических характеристик различных узлов стендового оборудования с учетом наложенных граничных условий в процессе проведения вибрационных испытаний сложных технических систем. Получены аналитические зависимости, позволяющие определить предельные возможности разгрузочных и стабилизирующих опор в зависимости от характеристик рабочей среды, режимов течения жидкости и газа в рабочих магистралях, параметров системы управления и исполнительных элементов в активных схемах. Разработаны методики расчета вероятностных характеристик колебаний ВСУ активного и пассивного типов на установившихся и переходных режимах.

2. Выявлена взаимосвязь динамических характеристик, устойчивости и автоколебаний и конструктивных параметров узлов ВСУ и на этой базе созданы методы расчета и проектирования исследуемых устройств. Определена взаимосвязь достоверности вибрационных испытаний ЛА с характеристиками стендового оборудования путем учета дополнительных погрешностей, обусловленных выбором расчетных моделей ВСУ, динамическим взаимодействием узлов стендовой системы.

3. Разработаны принципы проектирования и способы их реализации при создания эффективных ВСУ (разгрузочных, стабилизирующих и направляющих устройств, автоколебательных вибраторов), обладающих высокими эксплуатационными свойствами по монтажу, качеству настройки параметров, достоверности воспроизведения условий испытаний и предназначенные для совершенствования процесса динамических испытаний.

4. Разработаны и исследованы расчетные модели стендовой системы «вибратор-опорные узлы-изделие» и выявлены условия, при которых необходимо учитывать взаимное динамическое влияние элементов системы. Предложен критерий учета взаимного влияния массы изделия на характеристики опорных узлов и вибратора. Обоснована необходимость учета демпфирующих характеристик в элементах стендовой системы.

5. Развиты представления о динамических качествах систем релаксационного демпфирования, описывающих гидрои газостатические устройства, и на этой основе созданы способы изменения динамических характеристик ВСУ.

6. Разработаны способы, методы, алгоритмические и программные средства для автоматизированного выбора параметров и проектировочного расчета ВСУ.

Общий методологический подход в исследованиях ВСУ базируется на системном анализе и математическом моделировании процессов в элементах стендовых устройств, взаимодействия объектов испытаний и ВСУ при различных граничных условиях. Для решения задач использованы методы теории колебаний, теории автоматического регулирования и управления, пнев-мои гидромеханики, с представлением зависимостей в безразмерном (критериальном) виде.

Достоверность принятых допущений и полученных результатов подтверждена экспериментами на стендах и при испытаниях натурных изделий, а также сравнением с экспериментальными данными других исследователей. Экспериментальные исследования проводились на стендовом оборудовании отраслевых научно-исследовательских лабораторий № 1, № 15, научно-исследовательской группы «Надежность деталей машин» СГАУ, а также в натурных условиях ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара), КБ «Южное» (г. Днепропетровск).

Результаты работы использованы как при создании оборудования для испытаний ракетно-космической техники, так и в других отраслях промышленного производства: в авиадвигателестроении, энергомашиностроении.

Созданные в результате работы пакеты технической документации, методики и алгоритмы расчета характеристик, рекомендации по проектированию конструкций разгрузочных, виброзащитных, направляющих, стабилизирующих устройств для динамических стендов внедрены на ряде предприятий ракетно-космической отрасли, авиаи энергомашиностроения: НГЖ РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г.Самара), КБ «Южное» (г. Днепропетровск), НПО «Труд» (г.Самара), Сызранский турбостроительный завод. Созданное оборудование использовалось для проведения научных исследований пневмо-гидростатических систем, а также в учебном процессе.

Результаты исследования устойчивости узлов ВСУ с учетом влияния конструктивных параметров, дополнительных камер, регуляторов, инерционных свойств дросселирующих элементов позволяют заключить, что в качестве достаточного критерия устойчивости положения равновесия массы нужно использовать положительное значение демпфирования рабочего слоя или объема. На основании этого получено условие устойчивости разных конструктивных схем ВСУ в их параметрах (например, Т1. Т5,КР), пригодное для любых типов дросселирующих элементов.

Проведено исследование автоколебательных режимов в узлах ВСУ на основе разработанной нелинейной модели СРД. Описаны особенности этих режимов в активных стендовых устройствах. Получено, что для снижения амплитуды автоколебаний необходимо уменьшать коэффициент усиления системы, отношение постоянных времени Т2/Тх и линейный участок характеристики насыщения в активной цепи. Предложенный метод расчета автоколебаний позволяет снизить погрешность определения амплитуды автоколебаний на 30%.

Исследованы способы регулирования амплитуды и частоты автоколебаний в опорных узлах ВСУ. Для поршневых опор активного и пассивного типов получено, что при регулировании амплитуды автоколебаний входным давлением частота автоколебаний остается практически постоянной. Это обусловлено выявленными особенностями изменения упругодемпфирующих характеристик нелинейных моделей СРД, в частности, влиянием амплитуды перемещения подвижной массы на изменение упругой составляющей динамической жесткости. Получено, что максимальное влияние на рост амплитуды автоколебаний оказывает общий коэффициент активной системы, поэтому для возбуждения устойчивых колебаний больших амплитуд требуются затраты мощности только в цепи управления.

7. Определен способ оценки достоверности вибрационных испытаний ЛА путем учета погрешностей, обусловленных выбором расчетных моделей, качеством и точностью описания операторов элементов ВСУ. Показано, что параметры операторов, описывающих ВСУ, должны выбираться из области допустимых значений, обеспечивающих минимальную инструментальную погрешность. Точность испытаний определяется также способом сбора и регистрации экспериментальных данных.

8. На основе результатов исследований СРД, моделей элементов стендовых устройств решены задачи управления характеристиками ВСУ, которые обеспечивают на стадии проектирования задание основных статических и динамических характеристик, учет граничных условий, выбор рациональных конструктивных схем. С учетом полученного банка знаний по динамическим характеристикам элементов ВСУ разработаны:

— метод оценки параметров технических систем по результатам частотных испытаний;

— способы регулирования жесткостных характеристик опорных узлов повышенной чувствительности;

— способ реализации управляющих воздействий в стендовой виброизолирующей системе при действии низкочастотной вибрации малой амплитуды;

— способ стабилизации упругой подвески РУ.

9. Сформулированные принципы проектирования ВСУ и созданная база знаний позволили разработать методологию проектирования оборудования для испытаний сложных технических систем больших масс и габаритов. Определены требования к характеристикам узлов ВСУ и получены новые их схемные решения на основе применения гидростатического принципа взвешивания.

Созданные в результате работы действующие образцы, методики расчета, программные средства и алгоритмы проектирования узлов вспомогательного стендового оборудования внедрены на ряде предприятий авиакосмической промышленности:

— разгрузочные устройства динамических стендов, виброзащитные опоры активного и пассивного типов, исполнительные устройства активных систем, гидростатические направляющие электрогидравлического стенда система сбора экспериментальных данных в Государственном научно-производственном ракетно-космическом центре «ЦСКБ-Прогресс» (г.Самара);

— разгрузочные устройства пневмо-гидростатического типа, гидростатические направляющие стендов горизонтальных и крутильных испытаний в КБ «Южное» (г.Днепропетровск);

— электрогидравлический вибратор с газостатической разгрузкой для упрочняющих технологий объектов повышенной вибропрочности в ОАО СНТК им. Н. Д. Кузнецова (г.Самара);

— гидропневматическая система подвески грузоподъемностью 100 тонн на Сызранском турбостроительном заводе.

Опыт проектирования и использования разгрузочных, направляющих и виброзащитных устройств подтвердил эффективность и достоверность методик их расчета и проектирования.

Таким образом, созданы основы системного подхода к расчету и проектированию вспомогательного стендового оборудования различных типов для вибрационных испытаний летательных аппаратов и других сложных технических объектов.

Разработанные методы и алгоритмы расчета и проектирования ВСУ отражены в двух монографиях и используются в учебном процессе в Самарском государственном аэрокосмическом университете.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований получены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области создания и совершенствования испытательной техники.

Полученные результаты исследований методов и средств испытаний уникальных летательных аппаратов расширяют представления о протекающих динамических процессах в узлах стендовых систем. Выявленные особенности работы и разработанные рекомендации по проектированию ВСУ создают предпосылки для их эффективного использования в качестве разгрузочных и направляющих устройств вибростендов, большегрузных источников колебаний, виброзащитных систем.

В порядке подведения итогов исследований сформулированы следующие основные результаты и выводы.

1.Предожен и реализован единый подход к исследованию динамического состояния вспомогательных стендовых устройств и их элементов, основанный на новых выявленных свойствах систем релаксационного демпфирования. При этом развиты теоретические основы описания динамических процессов в усовершенствованных СРД, отличающихся учетом дополнительных факторов и условий, а также возможностью обобщения результатов для объектов исследования различной физической природы. Доказана возможность описание как элементов ВСУ, так и стендовой системы в целом посредством передаточных функций, выражающих их динамическую жесткость. Это позволило синтезировать системы с необходимыми упругодемп-фирующими характеристиками.

Установлено, что одним из эффективных путей решения проблемы обеспечения функционирования стендового оборудования является использование гидростатического принципа действия, позволяющего создавать устройства большой несущей способности при минимальных габаритах, энергозатратах и высоких метрологических характеристиках.

2. Созданы математические модели ВСУ, учитывающие динамические процессы в отдельных элементах. Разработаны методики расчета статических и динамических характеристик различных узлов ВСУ с учетом наложенных граничных условий, действующих в процессе проведения вибрационных испытаний сложных технических систем. Исследованы линейные и нелинейные модели активных и пассивных схем опорных узлов. Выявлены условия компенсации нелинейных эффектов в системах ВСУ. Получены аналитические зависимости, позволяющие определять предельные возможности разгрузочных и стабилизирующих опор в зависимости от характеристик рабочей среды, режимов течения жидкости и газа в рабочих магистралях, параметров системы управления и исполнительных элементов в активных схемах.

3. При проведении исследований разработанных математических моделей СРД выявлены следующие новые особенности:

— теоретически и экспериментально установлено, что в рабочем частотном диапазоне система имеет динамическую жесткость с несколькими горизонтальными участками, величины которых определяются характеристиками дросселирующих элементов, объемами камер, параметрами оператора управления;

— на АЧХ системы получены несколько предельных значений резонансной частоты и определены условия обеспечения заданного коэффициента передачи на резонансе и в фиксированных точках характеристики;

— путем выбора параметров системы достигается необходимый уровень демпфирования в различных частотных диапазонах.

4. С учетом разработанных математических моделей СРД проведены исследования элементов ВСУ различного назначения и конструктивного исполнения. Получены передаточные функции пневмои гидростатических разгрузочных устройств поршневого о осевого типов, гидростатических направляющих радиального и осевого типов, замкнутых и проточных пневмо-систем, некоторых регуляторов расхода, в том числе из МР. В результате установлена связь параметров передаточных функций элементов ВСУ с их физическими параметрами (объемы рабочих и демпферных камер, размеры входных и выходных дросселирующих элементов, характеристики рабочей среды и т. д.). На этой основе разработаны рекомендации по выбору оптимальных параметров ВСУ, работающих в условиях гармонических и случайных вибрационных воздействий, по регулированию переходных процессов.

5. Разработана математическая модель испытательной стендовой системы «опорные узлывибраторизделие». Проведен анализ ее динамики на основе сформулированных критериальных параметров, позволяющих учитывать влияние граничных условий на характеристики системы. Предложен метод оценки коэффициента обратного влияния элементов стендовой системы большой грузоподъемностью (свыше 10 т) с учетом ВСУ на основе определения отношения одноименных параметров движения различных конструктивных схем стенда к базовой. Расчетно-экспериментальные методы исследования стендовой системы позволили подтвердить корректность выбранных моделей. Показано, что наибольшее влияние на характеристики всей системы вспомогательные устройства, в частности, пневматические и пневмо-гидростатические разгрузочные устройства, оказывают в диапазоне низких частот (до появления конструктивных резонансов).

В низкочастотной области наиболее значимыми являются критерии, отражающие демпфирующие характеристики узлов стенда. Получено, что минимальное обратное влияние достигается при использовании активных схем опорных узлов.

6. Проведено исследование устойчивости и автоколебательных режимов в ВСУ на основе разработанных линейных и нелинейных моделей.