RU41865U1

RU41865U1 - STAND FOR DYNAMIC DESIGN TESTING

Info

Publication number: RU41865U1
Application number: RU2004120128/22U
Authority: RU
Inventors: Ю.Я. Бетковский; Г.А. Вершинин; А.Ф. Макаров; Б.М. Фридман; Р.Ш. Хайкин
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2004-11-10

Abstract

Стенд для динамических испытаний конструкции, содержащий станину, устройство для закрепления испытываемой конструкции на станине, вибровозбудитель, а также приспособление для обеспечения требуемого соотношения силовых факторов в выбранном сечении конструкции, отличающийся тем, что испытываемая конструкция закреплена на станине консольно, а приспособление для обеспечения требуемого соотношения силовых факторов в выбранном сечении конструкции выполнено в виде не менее одного корректирующего груза с возможностью закрепления на испытываемой конструкции в необходимом положении как в поперечном, так и в продольном направлении.A stand for dynamic testing of a structure containing a bed, a device for securing the test structure on the bed, a vibration exciter, and also a device for providing the required ratio of power factors in the selected section of the structure, characterized in that the tested structure is mounted on the bed cantilever, and a device for providing the required ratio force factors in the selected section of the structure is made in the form of at least one corrective load with the possibility of fastening to the test of the designed structure in the required position both in the transverse and in the longitudinal direction.

Description

Полезная модель относится к области испытательной техники, в частности, к методам проведения усталостных испытаний для установления ресурса конструкции и может быть использована в машиностроении, авиации и т.д.The utility model relates to the field of testing equipment, in particular, to methods of carrying out fatigue tests to establish the life of a structure and can be used in mechanical engineering, aviation, etc.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является принятый в качестве прототипа «Стенд для динамических испытаний конструкций балочного типа воздушного винта летательного аппарата» патент РФ №2052787, содержащий станину (силовой портал), устройства для закрепления испытываемой конструкции на стенде, вибровозбудитель (силовозбудитель), приспособление для обеспечения требуемого соотношения силовых факторов в сечении испытываемой конструкции, выполненное в виде рычага с регулируемой массой, являющихся принадлежностью стенда. Все данные признаки, кроме выполнения приспособления для обеспечения требуемого соотношения силовых факторов в виде рычага с регулируемой массой, присутствуют (являются общими) и в предлагаемом техническом решении.Closest to the proposed utility model is adopted as a prototype, “Stand for dynamic testing of the beam-type propeller aircraft structures,” RF patent No. 2052727, containing a bed (power portal), devices for fastening the tested structure to a stand, vibration exciter (exciter), device to ensure the required ratio of force factors in the cross section of the tested structure, made in the form of a lever with adjustable weight, which are the accessories of the stand. All these signs, except for the implementation of the device to provide the required ratio of power factors in the form of a lever with adjustable weight, are present (are common) in the proposed technical solution.

Метод испытаний основан на возбуждении колебаний конструкции на резонансных частотах. Испытываемая конструкция устанавливается на стенде. Колебания на резонансных частотах возбуждаются механическими или электродинамическими силовозбудителями. Возбуждение колебаний на резонансной частоте позволяет с помощью сравнительно небольших усилий со стороны вибратора создавать в испытываемой конструкции напряжения, превышающие предел усталости. Достоинством метода является существенное сокращение сроков усталостных испытаний по сравнению с повторно статическим способом нагружения.The test method is based on the excitation of structural vibrations at resonant frequencies. The test design is mounted on a stand. Oscillations at resonant frequencies are excited by mechanical or electrodynamic force exciters. Excitation of oscillations at the resonant frequency allows using relatively small forces from the side of the vibrator to create stresses in the structure under test that exceed the fatigue limit. The advantage of the method is a significant reduction in the fatigue test time compared with the re-static method of loading.

Недостатком принятого в качестве прототипа стенда является то, что The disadvantage of the stand adopted as a prototype is that

он предназначен для испытаний конструкций только определенного типа (частей винтов вертолетов): крутящий момент, создаваемый регулируемым грузом, постоянен по длине испытываемой конструкции; максимальное значение изгибающего момента получается в срединном сечении образца, что не характерно для других конструкций, например, консолей крыла, лопастей ветроэнергетических установок и т.д.it is intended for testing structures of only a certain type (parts of helicopter propellers): the torque created by the adjustable load is constant along the length of the structure under test; the maximum value of the bending moment is obtained in the mid section of the sample, which is not typical for other designs, for example, wing consoles, blades of wind power plants, etc.

Предлагаемой полезной моделью решается задача проведения усталостных испытаний резонансным методом широкого круга конструкций путем обеспечения заданного соотношения силовых факторов и их амплитудных значений в одном или нескольких выбранных сечениях конструкции.The proposed utility model solves the problem of conducting fatigue tests by the resonance method of a wide range of structures by providing a given ratio of power factors and their amplitude values in one or more selected sections of the structure.

Для достижения названного технического результата в стенде для динамических испытаний конструкции, содержащем станину, устройство для закрепления испытываемой конструкции на станине, вибровозбудитель, а также приспособление для обеспечения требуемого соотношения силовых факторов в выбранном сечении конструкции, испытываемая конструкция закреплена на станине консольно, а приспособление для обеспечения требуемого соотношения силовых факторов в выбранном сечении конструкции выполнено в виде не менее одного корректирующего груза с возможностью закрепления на испытываемой конструкции в необходимом положении, как в поперечном, так и в продольном направлении.To achieve the named technical result in the stand for dynamic testing of a structure containing a bed, a device for fixing the test structure on the bed, vibration exciter, and also a device to provide the required ratio of power factors in the selected section of the structure, the test structure is mounted on the bed console, and the device to provide the required ratio of power factors in the selected section of the structure is made in the form of at least one corrective load with POSSIBILITY fastened to the test structure at the desired position, both in the transverse and in the longitudinal direction.

Отличительными признаками предложенного устройства является то, что испытываемая конструкция закреплена на станине консольно (штатно), а приспособление для обеспечения требуемого соотношения силовых факторов в выбранном сечении конструкции выполнено в виде не менее одного корректирующего груза с возможностью закрепления на испытываемой конструкции в необходимом положении, как в поперечном, так и в продольном направлении.Distinctive features of the proposed device is that the test structure is mounted on the bed cantilever (standard), and the device to provide the required ratio of power factors in the selected section of the structure is made in the form of at least one corrective load with the possibility of securing to the tested structure in the required position, as in transverse and in the longitudinal direction.

Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными существенно расширяется класс испытываемых Due to the presence of these distinctive features in conjunction with the known, the class of subjects

конструкций, повышается точность воспроизведения силовых факторов при испытаниях резонансным методом, проводимых с целью установления ресурса конструкции.designs, increases the accuracy of the reproduction of power factors when tested by the resonance method, conducted in order to establish the resource of the structure.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации, решений, содержащих аналогичные признаки, не обнаружено. Таким образом, можно сделать заключение о том, что предложенный стенд не известен из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности - «новое».As a result of a search by sources of patent and scientific and technical information, no solutions containing similar features were found. Thus, we can conclude that the proposed stand is not known from the prior art and, therefore, meets the eligibility criterion - “new”.

Предложенное решение может найти применение в машиностроении, авиации и т.д. везде, где требуется определять ресурс создаваемых конструкций, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость».The proposed solution can find application in mechanical engineering, aviation, etc. wherever it is required to determine the resource of the created structures, which allows us to conclude that the criterion of "industrial applicability" is met.

Полезная модель поясняется чертежами фиг.1-3.The utility model is illustrated by drawings of figures 1-3.

На фиг.1 изображена схема испытательного стенда.Figure 1 shows a diagram of a test bench.

На фиг.2 изображена собственная форма колебаний первого тона конструкции в виде перемещений точек оси жесткости в плоскости перпендикулярной плоскости хорд лопасти (f) и углов поворота относительно оси жесткости (φ), а также собственная частота колебаний для варианта конструкции без установки корректирующих грузов 5.Figure 2 shows the natural mode of vibration of the first tone of the structure in the form of displacements of the points of the stiffness axis in the plane perpendicular to the plane of the chord of the blade (f) and rotation angles relative to the axis of stiffness (φ), as well as the natural frequency of vibrations for the design without installing corrective weights 5.

На фиг.3 то же самое, но для варианта с корректирующим грузом.Figure 3 is the same, but for the option with corrective weight.

На фиг.1 схематически показан силовой портал 1, на котором закреплено устройство 2 для закрепления испытываемой конструкции 3 на стенде, в котором с использованием штатных элементов, являющихся частью испытываемой конструкции 3, последняя установлена на стенде. С помощью ложемента 4 на испытываемой конструкции 3 в выбранном сечении закреплен корректирующий груз 5. Возбуждение колебаний осуществляется силовозбудителем (вибровозбудителем) 6. Контроль силовых факторов в критическом (с точки зрения усталостной прочности сечении) осуществляется измерительной системой 7 посредством тензорезисторов 8.Figure 1 schematically shows the power portal 1, on which a device 2 is mounted for fixing the test structure 3 to a stand, in which, using standard elements that are part of the test structure 3, the latter is mounted on the stand. Using the lodgement 4 on the test structure 3, a corrective load is fixed in the selected section 5. The vibrations are excited by the exciter (vibration exciter) 6. The force factors in the critical section (from the point of view of fatigue strength) are controlled by the measuring system 7 by means of strain gauges 8.

Работа стенда осуществляется следующим образом.The work of the stand is as follows.

На этапе подготовки испытаний расчетным и (или) экспериментальным путем определяются массы корректирующих грузов 5 и точки их расположения так, чтобы обеспечить требуемые величины и соотношение силовых факторов, например, изгибающих и крутящих моментов в выбранных сечениях конструкции 3.At the stage of test preparation, the masses of corrective weights 5 and the points of their location are determined by calculation and (or) experimentally so as to provide the required values and the ratio of force factors, for example, bending and torque moments in selected sections of the structure 3.

Для этого по общепринятой теории, например, в рамках балочной модели, производится расчет частот и форм колебаний конструкции 3 и соответствующих им эпюр внутренних силовых факторов. Если в результате расчета полученные соотношения силовых факторов и их амплитудные значения не соответствуют требуемым, то в расчетную модель вводят корректирующие грузы 5.For this, according to the generally accepted theory, for example, within the framework of the beam model, the frequencies and vibration modes of structure 3 and the corresponding diagrams of internal force factors are calculated. If, as a result of the calculation, the obtained ratios of power factors and their amplitude values do not correspond to the required ones, then corrective loads 5 are introduced into the calculation model.

Значения изгибающих и крутящих моментов в сечении x=x_j балки 3 (испытываемой конструкции) длиной l, закрепленной в корневом сечении x=0 могут быть определены по формулам:The values of bending and torques in the section x = x _{j of the} beam 3 (test structure) of length l fixed in the root section x = 0 can be determined by the formulas:

где:Where:

m(x) - погонная масса балки 3, m_i - масса груза 5,m (x) is the linear mass of the beam 3, m _i is the mass of the load 5,

z(x) - расстояние от оси жесткости до центра масс сечения балки 3,z (x) is the distance from the axis of rigidity to the center of mass of the beam section 3,

Z_i - расстояние от оси жесткости до центра масс груза 5,Z _i - the distance from the axis of rigidity to the center of mass of the load 5,

f(x), φ(x) - перемещения оси жесткости балки 3 при изгибе и угол поворота относительно оси жесткости по форме собственных колебаний, f (x), φ (x) - displacement of the axis of rigidity of the beam 3 during bending and the angle of rotation relative to the axis of rigidity in the form of natural vibrations,

пронормированной по перемещению конца балки 3,normalized by the movement of the end of the beam 3,

ω - собственная частота выбранного тона колебаний в герцах,ω is the natural frequency of the selected oscillation tone in hertz,

q₀ - амплитуда колебаний конца балки 3. Величины силовых факторов в сечении х=x_j увеличиваются с увеличением масс и плеч установки корректирующих грузов 5 x_i-x_j; z_i, и пропорциональны квадрату собственной частоты выбранного тона колебаний. Увеличение плеч установки корректирующих грузов 5 и их масс ведет к уменьшению собственной частоты выбранного тона колебаний.q ₀ - the amplitude of the oscillations of the end of the beam 3. The magnitude of the force factors in the section x = x _j increase with increasing masses and shoulders of the installation of corrective weights 5 x _i -x _j ; z _i , and are proportional to the square of the natural frequency of the selected oscillation tone. The increase in the shoulders of the installation of corrective weights 5 and their masses leads to a decrease in the natural frequency of the selected oscillation tone.

Таким образом, подбор масс и мест расположения корректирующих грузов 5, обеспечивающих требуемое соотношение силовых факторов и их величин является задачей оптимального проектирования, которая может быть решена методом проб и ошибок.Thus, the selection of masses and locations of corrective weights 5, providing the required ratio of power factors and their values is the task of optimal design, which can be solved by trial and error.

Получив расчетным путем значения масс и места расположения корректирующих грузов 5 переходят к экспериментальной проверке полученных результатов. С помощью ложементов 4 или иных приспособлений грузы 5 закрепляются на испытываемой конструкции 3 в местах определенных расчетным путем. Конструкция 3 устанавливается на стенде. Производится статическая тарировка чувствительных элементов 8 (тензорезисторов), измеряющих усилия в выбранном сечении конструкции 3. Проводятся частотные испытания с целью определения резонансных частот и проверки соответствия выбранной формы собственных колебаний предъявляемым к ней требованиям. При необходимости величины и места расположения корректирующих грузов 5 уточняются.Having received by calculation the values of the masses and the location of the corrective weights 5 go to the experimental verification of the results. With the help of lodgements 4 or other devices, weights 5 are fixed on the tested structure 3 in places determined by calculation. Construction 3 is mounted on a stand. A static calibration of the sensitive elements 8 (strain gages) is performed, which measure the forces in the selected section of the structure 3. Frequency tests are carried out to determine the resonant frequencies and verify that the selected form of natural oscillations meets the requirements for it. If necessary, the magnitude and location of the corrective weights 5 are specified.

Производятся усталостные испытания конструкции 3 путем возбуждения колебаний на резонансной частоте выбранного тона собственных колебаний с помощью силовозбудителей 6. Параметры силовозбудителей 6 и места их установки подбираются из условий обеспечения требуемых величин амплитудных значений силовых факторов с учетом возможных ограничений, например, на ход штока Fatigue tests of structure 3 are carried out by excitation of oscillations at the resonant frequency of the selected tone of natural oscillations using force exciters 6. The parameters of the exciters 6 and their installation location are selected from the conditions for ensuring the required values of the amplitude values of force factors taking into account possible restrictions, for example, on the stroke

электродинамических силовозбудителей 6.electrodynamic force activators 6.

В качестве иллюстрации рассмотрим реализацию испытаний на выносливость резонансным способом лопасти ветроэнергетической установки массой 50.6 кг и длиной 4.5 м, упругие свойства которой с высокой степенью точности могут быть описаны в рамках балочной теории. Силовыми факторами, определяющими усталостную прочность конструкции, являются изгибающий и крутящий моменты в корневом сечении, соотношение которых в процессе работы равно 3:1. Собственная форма колебаний первого тона конструкции в виде перемещений точек оси жесткости в плоскости перпендикулярной плоскости хорд лопасти (f) и углов поворота относительно оси жесткости (φ), а также собственная частота колебаний для варианта конструкции 3 без установки корректирующих грузов 5 приведены на фиг.2. То же для варианта конструкции с установленным с помощью ложемента корректирующим грузом 5 массой 15 кг, размещенным на расстоянии 1 м от корневого сечения и вынесенным на 1 м относительно оси жесткости, приведено на фиг.3.As an illustration, we consider the implementation of endurance tests by the resonant method of a blade of a wind power plant weighing 50.6 kg and 4.5 m long, the elastic properties of which can be described with a high degree of accuracy in the framework of beam theory. The power factors that determine the fatigue strength of a structure are bending and torques in the root section, the ratio of which is 3: 1 during operation. The natural vibration mode of the first tone of the structure in the form of displacements of the points of the stiffness axis in the plane perpendicular to the plane of the chord of the blade (f) and the rotation angles relative to the stiffness axis (φ), as well as the natural frequency of vibrations for design variant 3 without installing corrective weights 5 are shown in FIG. 2 . The same for the design variant with a corrective weight 5 installed with a lodgement and weighing 15 kg, placed at a distance of 1 m from the root section and taken out 1 m from the axis of rigidity, is shown in FIG. 3.

В варианте без установки корректирующего груза амплитуда изгибающего момента в корневом сечении при возбуждении на резонансной частоте первого тона составила M_изг=6600н·м, крутящего момента М_кр=130н·м, в варианте с установкой корректирующего груза 5 амплитуда изгибающего момента составила M_изг=10700н·м, крутящего момента М_кр=3010н·м, Амплитуда перемещений оси жесткости в концевом сечении лопасти при испытаниях в первом и втором вариантах составляла 0.1м.In the embodiment without installing the correcting load the amplitude of the bending moment at the root section when excited at the resonant frequency of the first tone was M _mfd = 6600n · m torque M _cr = 130H · m, in the embodiment, the installation of a corrective load 5, the amplitude of the bending moment was M _mfd = 10700n · m, torque M _cr = 3010n · m, the amplitude of the displacements of the axis of rigidity in the end section of the blade during testing in the first and second versions was 0.1 m.

Таким образом, установка корректирующего груза 5 привела к увеличению амплитуды изгибающего момента в корневом сечении и позволила обеспечить требуемое соотношение силовых факторов в заданном сечении.Thus, the installation of the corrective load 5 led to an increase in the amplitude of the bending moment in the root section and made it possible to provide the required ratio of power factors in a given section.

Claims

A stand for dynamic testing of a structure containing a bed, a device for securing the test structure on the bed, a vibration exciter, and also a device for providing the required ratio of power factors in the selected section of the structure, characterized in that the tested structure is mounted on the bed cantilever, and a device for providing the required ratio force factors in the selected section of the structure is made in the form of at least one corrective load with the possibility of fastening to the test of the designed structure in the required position both in the transverse and in the longitudinal direction.