Опоры и сочленения для систем испытания на вибрацию
Опоры и сочленения для систем испытания на вибрацию
Корпорация Team является лидером в технологии многоосных и многовибраторных систем, содержащих в себе гидростатические опоры.
Одной из многообещающих задач является создание быстродействующих испытательных систем с несколькими возбудителями, осуществляющих заданное движение, наряду с ограничением всех других. Корпорация Team создала широкий ряд системных решений, разрешающих нужные степени свободы и ограничивающих соответствующие другие степени свободы.
Виброиспытания оказались необходимым этапом в ходе разработки надёжных продуктов. Обычно, для проверки изделия по трём ортогональным осям, применяется последовательное одноосное возбуждение линейным вибратором и поворот изделия после испытания по каждой оси. Хотя в абсолютном большинстве случаев используются одноосные виброиспытания с одним возбудителем вибрации, есть режимы испытаний, для реализации которых одного вибратора недостаточно.
Применение более одного возбудителя для обеспечения входной силы в одном направлении известно как «Составной возбудитель, одна ось» (MESA). Для успеха такого проекта важно следующее: во-первых, согласовывать угловое отклонение обусловленное динамикой стола или выходом вибраторов из фазы и, во-вторых, управлять поперечными перемещениями. Несогласованное угловое отклонение может привести в итоге к приложению очень больших моментов к испытываемому объекту и/или вибратору.
 |
 |
| Вибраторы «в фазе» создают смещение. | Вибраторы «вне фазы» создают вращение. |
Для любой колебательной системы со многими степенями свободы требуется пара приводов производящих как линейное движение вдоль одной из трёх осей движения, так и вращение. Для шести степеней свободы (6 DoFs) потребуется три пары приводов, каждая и из которых связана с одной из этих трёх осей (X, Y и Z). В фазе они буду производить перемещение, не совпадая по фазе, они буду производить вращение.
На этих трёх рисунках показаны несколько ситуаций, которые могут иметь место при использовании более одного возбудителя для обеспечения входной силы в одном направлении. На первых двух рисунках показано, как гидростатические сферические сочленения препятствуют повреждению приводов или объекта испытания.
|
В фазе |
На первом рисунке показана пара приводов, прикреплённых к балке. Если они работают в фазе, то на возбудители не передаётся никаких изгибающих моментов, а относительное расстояние между точками крепления остаётся постоянным. |
|
не в фазе |
Когда та же самая пара привод работает не в фазе, возникают две проблемы. Во-первых, если не возмож поворот балки относительно осев линии привода, то к штоку приво будут приложены изгибающие момент Во-вторых, будет происходить уко чивание расстояния между точка крепления (часто называется «косинусная ошибка»). В зависимости от относительн жёсткости балки и самих возбудител это может привести к большим боковым нагрузкам на возбудители. Прим нение одиночных и/или двойных гид статических сферических сочленений может устранить первую проблему и обеспечить компенсацию во втором случае |
|
Избыточная механическая связь |
На третьем рисунке иллюстрирует избыточная механическая связь. Гидростатические сферические сочленения буд препятствовать повреждению приводов этом случае, но к испытательному обра (балке) будут приложены изгибающ моменты вследствие несовпадения по ф сил между приводами. Возможно поврежден образца, что зависит как от приложенн усилия, так и прочности самого образца. |
Давно признано, что многоосные испытания обеспечивают более точную реализацию условий эксплуатации. Однако, когда нужно одновременное движение по нескольким осям, сильно усложняется механика изделия. В системах называемых "MEMA" (много возбудителей, много осей), сложность кинематики является центральным вопросом проекта. Воспроизведение высокоточных движений одновременно в нескольких направлениях более трёх десятилетий было в основе большинства исследований корпорации Team. Проблемы будут показаны при кратком рассмотрении кинематики таких систем.
Движение объекта в пространстве полностью определяется шестью степенями свободы. Степень свободы - направление движения, т.е. линейное перемещение или угловое вращение. Для твёрдого тела это три смещения - поперечное, продольное и вертикальное, и три вращения - продольное, поперечное и горизонтальное. Управляя 6 степенями свободы можно точно воссоздать реальное движение. Оптимально применение 6 возбудителей. Если их будет больше, то у системы будут избыточные связи, а если меньше, то будет ограничено движение.
Избыточная связь - случай, когда на одну степень свободы влияет не один привод. Учитывая, что две точки определяют линию, представим себе, что каждая точка представляет собой крепление возбудителя с двойным шарнирным соединением к балке (линии). При случайной периодической работе этих двух возбудителей в фазе и не в фазе, балка будет или перемещаться вертикально или вращаться (продольно). То есть иметь две степени свободы. Важно, что балка никогда не будет создавать моменты на возбудителях. Теперь, добавьте к балке третий возбудитель. Если все эти три возбудителя будут иметь случайный цикл, то в некоторый момент один возбудитель может работать против других двух, привнося моменты на балку, что может привести к повреждению. Это и есть условие избыточной связи.
Проблема избыточной связи обостряется в системах MEMA, вместе с ростом числа приводов, и, следовательно, числа степеней свободы. Важным аспектом проектов Team для многовибраторных систем является исключение избыточной связи.
После определения базовой компоновки приводов, исключающей избыточную связь, следующая задача - разработка устройства для соединения линейных приводов с жёсткой балкой или столом с несколькими степенями свободы. Взгляните снова на рисунок с двумя приводами и жёсткой балкой. Из-за периодического несовпадения приводов по фазе необходимо вращающееся соединение, компенсирующее угловую и боковую несоосность балки относительно оси каждого привода. Очевидное решение - шаровая опора. Корпорация Team разработала ряд гидростатических сферических опор и сочленений, действительно идеально подходящих для высококачественных виброиспытательных систем.
 |
Пара "HydraBalls", присоединённых к столу "MAST" с 6 степенями свободы. "HydraBall" на переднем плане соединяет привод непосредственно со столом, обеспечивая вертикальное возбуждение и компенсацию боковых и продольных смещений, а так же любого вращения. |
Гидростатические сочленения - основа многовибраторных испытательных систем корпорации Team
У идеального шарнира или поворотного соединения для вибрационной системы испытания не должно быть ни механи ческого "мёртвого хода" (люфта), ни тре ния. Люфт ухудшает передачу усилия через соединение, трение приводит к нелинейному отклику нагрузки и износу на смежных поверхностях. В обычных сферических соединениях очень трудно достигнуть устранения люфта при одновременном снижении трения. Такие соединения имеют
преднамеренный зазор, который приводят к плохой передаче силы. Для уменьшения механических зазоров обычно делается предварительный натяг соединения, который добавляет трение и гистерезис или скачкообразное движение. Тщательно настраивая предварительный натяг для механических соединений можно обес печить приемлемые характеристики их работы на частотах ниже 50 Гц.
 |
Корпорация Team производит целую гамму гидростатических сферических сочленений, разработанных специально для идеального подключения вибраторов. Все шарнирно-сочленённые поверхности сочле нений Team опираются на гидростати ческую плёнку и обеспечивают максимально возможную передачу силы. Гидростати ческая плёнка также фактически устраняет всё трение, уменьшает износ и затраты на уход. Эти сочленения применимы для различных нагрузок и разного числа точек опор. Они применялись в системах с одной осью, несколькими осями и специальных системах для поддержки очень тяжёлых нагрузок без трения, на гидростатической плёнке масла под давлением.
Одно из самых универсальных гидростатических сочленений, произведённых корпорацией Team, называется "Нydraball". Разработанное для прямой замены сферических тяг подшипников, широко используемых в различном низкочастотном испытательном оборудовании, "HydraBall" обеспечивает все преимущества технологии гидростатического сочленения в простой для применения и жёсткой конструкции. Для обычного "HydraBall" допустимая динамическая нагрузка превышает 4500 кг при весе 12 кг. Важно, что шаровой шарнир "HydraBall" может отклоняться на 20 градусов в любом направлении от нейтрального положения и обеспечивать прямой путь нагружения от испытываемой нагрузки к штоку привода.
Свойства "HydraBall" позволяют создавать высокочастотные многоосные испытательные системы с большим ходом. При разделении двух "HydraBall" твёрдой и лёгкой распоркой, могут быть согласованы очень большие ортогональные смещения с минимальной помехой от реакции конструкции.
Для высокочастотных многовибраторных систем с относительно коротким смещением и большой силой, разработан ряд гидростатических сферических сочленений выдерживающих нагрузку свыше 45000 кг. Это серия 420, в исполнении с одним или двумя шарнирами, и с углом отклонения +/-0,5 или +/-6 градусов. Как и в проекте "HydraBall", в серии 420 используется гидростатическая плёнка сжатого масла, разделяющая все поверхности сочленения. Они замечательно жёстки при сжатии и при растяжении, свободны от трения и обеспечивают прямой путь нагружения во всём диапазоне отклонения.
 |
| В этой уникальной переставляемой системе, используемой и горизонтально и вертикально (см. пример на странице 14), вибратор подсоединён к "плавающему" столу через сдвоенные гидростатические сферические сочленения типа 422.40. Пара сочленений предохраняет приводы от вызываемых нагрузкой изгибающих моментов. |
Семейство гидростатических сферических сочленений серии 420 корпорации Team
|
|
420.xx Оснащены для ввода поправки на угловое смещение одним шарниром с углом вращения +/-0.5 градуса. |
 |
421.xx Оснащены для ввода поправки на угловое смещение одним шарниром с углом вращения +/-6 градусов . |
 |
422.xx Оснащены двойным шарниром, позволяющим нейтрализовать угловое и боковое смещения. Допустимый угол поворота +/-0.5 градуса у каждого шарнира. |
 |
423.xx Оснащены двойным шарниром, позволяющим нейтрализовать угловое и боковое смещения. Допустимый угол поворота +/-6 градусов у каждого шарнира. |
Решена проблема ограничения внеосевых движений без увеличения двигаемой массы
Гидростатические сферические сочленения оказались наилучшим решением для согласования углового отклонения. Опорные подшипники (Pad Bearings) корпорации Team предназначены для направления полезной нагрузки и противодействия большим опрокидывающим моментам, без приложения избыточной массы.
 |
Фотография внутренней части "CUBE" Team. На концах четырех из шести приводов видны гидростатические шаровые подшипники, которые обеспечивают "CUBE" 6 степеней свободы. |
Использование гидростатических сферических сочленений корпорации Team устраняет опасность приложнения моментов к приводу и/или столу, и обеспечивает необходимые степени свободы, при использовании нескольких возбудителей. Однако, при возбуждении по одной оси нужно ограничивать 5 других степеней свободы. То есть разрешать движение только в одном направлении, контролируя все другие движения. Для этого нужно какое-то внешнее направляющее и противодействующее устройство, нейтрализующее любые ненужные движения и не влияющее на направление испытания. Корпорация Team решила эту проблему, разработав линию гидростатических опорных подшипников, особенно подходящих для этого.
Разработка опорного подшипника позволила корпорации Team создавать передовые многоосные испытательные системы. Разместив опорные подшипники на каждом конце своего запатентованного "встроенного привода", корпорация Team сделала системы, в которых приводы стали внутренним узлом вибростола. В системах с коротким ходом для них типичным является управляемый отклик до 500 Гц. Возможно наилучшим примером системы этого типа является "CUBE" корпорации Team, доступная на рынке высококачественная полная система с 6 степенями свободы. Другое уникальное применение - геотехнический анализ на центрифуге, где применение "встроенного привода" профессионалы считают единственно возможным вариантом.
Включая наш "встроенный привод" и опорные подшипники в состав одно- и многоосевых вибростолов, установленных на коромысле центрифуги, сейсмологи точно воспроизводят на моделях имитацию землетрясения в зонах с весьма высокими g.
Способность поддержать очень массивные полезные нагрузки весьма ценна при натурных сейсмических исследованиях. Имитатор землетрясения с 4 степенями свободы корпорации Team в Калифорнийском университете в г. Ирвайн, имеет продольный ход - 500 мм, вертикальный ход - 250 мм, и может возбуждать нагрузку до 20 тонн. Корпорация Team сейчас первой использует опорные подшипники в электродинамических многоосных системах с очень высокими частотами отклика.
 |
| Блок, поясняющий возможность предварительного натяга и возможность вращения узла. |
 |
| Типичный опорный подшипник, содержащий в себе гидроскопические шаровой и линейный подшипники. |
 |
| На рисунке показана присоединённая конструкция, которая может свободно пер емещать-ся вертикально, внутрь и наружу относительно плоскости страницы, и вращаться в пределах задаваемых гидростатическими сферическими опорами. Конструкция ограничена в горизонтальном направлении. |
 |
| При добавлении второго подшипника устраняется вращение в плоскости страницы. Число ограниченных степеней свободы равняется числу используемых подшипников. |
 |
| Большие гидростатические сферические опорные подшипники, установленные на концах приводов и поршневые агрегаты предварительного натяга, противодействуют большим инерционным моментам, позволяют генерировать большие силы в сейсмическом имитаторе. |
 |
На эскизе показан большой одноосный стол, поддерживаемый набором опорных подшипников под столом и направляющими опорными подшипниками по периметру. Это проект стола размером 12.2м x 10.1м, предназначенного для испытания изделий с максимальным весом 181 488кг, максимальной скоростью 2м/сек и полным ходом привода 1.22м. |
 |
На эскизе показана схема опорных подшипников, расположенных вокруг края вибростола. Сила, FE, требуемая для отрыва вибростола от опорных подшипников, должна быть больше чем сила предварительного натяга, 2FP. Однако, без предварительной нагрузки в средней части стола, при любой силе FE произойдёт деформация стола. Если предполагается большая сила, то, для избегания недопустимой деформации, стол должен быть сделан очень жёстким. |
|
|
|
 |
На эскизе показана схема того, что происходит при применении под-шипников с натягом вдоль середины стола. Они создают "предварительное нагружение" стола, эффективно увеличивая мнимую жёсткость, за счёт поглощения части деформации. Общая сила предварительного натяга стола останется при этом такой же, как показанная на первом рисунке, но распределение силы изменится. |
| До тех пор пока усилие предварительного натяга будет превышать внешнюю силу, никакого прогиба не будет. |
 |
Университет Токио Вибростол с 6 степенями свободы укомплектованный длинноходовыми электродинамическими вибростендами. Эта система состоит из восьми электродинамических вибростендов, приводящих в движение один стол. Возможно полное смещение на 200мм по всем трём осям, а также крен и рыскание в пределах +/-15 градусов. "HydraBall" на каждом конце механических связей передают силу от вибраторов к столу с нулевым люфтом. |
 |
Phalanx System Созданная для Дженерал Электрик, Питсфилд, Массачусетс, эта система с 4 степенями свободы были разработаны для многоосевого вибрационного тестирования 8-ми тонной системы вооружения "Phalanx" компании Дженерал Электрик. Для этой системы, обеспечивающей силу в 30 тонн по вертикали и 21 тонну по горизонтали, число степеней свободы можно довести и до 6. Двойные шарниры в гидростатических сферических сочленениях между каждым приводом и столом с установленным изделием, обеспечивают вращение и внеосевые пути нагружения.
|
 |
CES/CESTA Эта система с 3 степенями свободы, созданная в 1973г. для французского ядерного агентства, имела силу по вертикали 13 600 кг, а по горизонтали силу 5 000 кг по одной оси и 8 200 кг по другой. Как можно видеть на фото, к правому вибратору была прикреплена пара гидростатических сочленений, что позволяло предотвратить вращение вокруг вертикальной оси.
|
 |
Schlumberger Система с двумя гидравлическими вибраторами, имеющая 2 степени свободы, обычно применялась для проверки размещаемого в нефтяной скважине радиометрического/бурового инструмента. Гидростатические сферические сочленения с двумя шарнирами допуская угловое смещение, обеспечивают отсутствие люфта на прямом пути нагружения между гидравлическими вибраторами и вибрационным столом.
|
 |
Вибростенд геотехнический центрифуги Очень компактной, высокочастотный гидравлический вибратор обычно используется при анализе грунта на центрифуге в сильном поле силы тяжести. В запатентованной конструкции использованы опорные подшипники разрешающие работу стола по двум осям. |
 |
Computalog Другая система с двумя гидравлическими вибраторами, обеспечивающая 2 степени свободы, обычно используемая для проверки спускаемого в нефтяную скважину радиологического/бурового инструмента. В этом проекте гидростатические сферические сочленения итнтегриро-ваны непосредственно в привод. Обеспечивающие 60g при 270кг полезной нагрузки, гидростатические подшипники гарантируют прямой путь от и вибратора к нагрузке на столе, одновременно устраняя вводимые полезной нагрузкой инерционные моменты. |
 |
Magnavox Большой расширитель с направляющими, ограниченный до одной степени свободы (только вертикально), был разработан для проверки больших корабельных шкафов с центров тяжести лежащим не на оси вибрации. |
 |
UC Irvine Типичные спектры землетрясения имеют большие смещения, относительно высокие скорости, а для испытаний нужны массивные образцы. Поэтому требуется генерация больших сил, возникают большие инерционные моменты, которым механизм стола должен противодействовать без внесения искажений в результаты испытаний. Для восприятия таких нагрузок на концах больших приводов установлены гидростати-ческие подшипники, как сферические, так и линейные. |
 |
NSWC Dalgren Большой вибростенд для испытания ракет в соответствии с военно-морскими стандартами транспортировки. Есть две идентичные системы, которые могут быть помещены на пневмоопоры. Используемые в тандеме, с полезным грузом, установленным на оба вибростенда, они могут трясти ракету длиной до 10м, вместе с её контейнером по одной оси. Гидростатические сочленения устраняют изгибающие моменты, вызываемые опрокидывающими моментами полезного груза и передаваемые от гидравлических вибраторов. |
Работоспособность испытательных систем обеспечит группа поддержки и обслуживания корпорации Team
Программы испытаний могу быть сильно нарушены из-за простоя вызванного обслуживанием или ремонтом системы. Корпорация Team предоставляет клиенту бесподобную надёжность. В случае аварии специальные инженеры-эксплуатационники Team окажут эффективную поддержку своевременным и эффективным образом.
Планы испытаний могут быть сор ваны из-за простоя вызванного ремон том или обслуживанием систем. Сво бодным от трения гидростатическим под шипникам не нужна периодическая рег лировка, что достигается за счёт их высокой надёжности. В случае поломки, сервис-инженеры Team обеспечат своевременную и экономически эффективную поддержку.
Испытательная система эффективна только тогда, когда она используется в нужное время. Для минимизации перерывов должно быть предусмотрено и тщательно спланировано периодическое обслуживание. Системы корпорации Team с гидростатическими подшипниками, исключают наиболее общие причины периодического обслуживания и ремонта. Больше не нужно регулировать натяг шарниров или заменять сферические тяги. Что, в отличие от обычных систем, полностью устраняет необходимость дважды в год проводить техобслуживание.
Прежде всего, корпорация Team предлагает годичные контракты на техобслуживание, обеспечивающие подходящий уровень готовности систем. В случае неожиданных требований, группа может прислать сервис-инженера для обеспечения расширенного обслуживания. Добавить функцию поддержки клиента можно локально, на сайтах выбора.
Единственное регулярное обслуживание заключается в замене гидравлического фильтра. Корпорация снабжает модели фильтров теми же номерами, что и изготовители фильтров, чтобы клиенты могли приобретать их на месте. Конечно, Team, для удобства клиентов, также имеет запасы таких элементов.
Личный и конфиденциальный сервис лежит в основе отличного качества систем корпорации "Team". Свяжитесь с "Team", чтобы увидеть, не подойдёт ли Вам один из наших типовых проектов. Ваши требования к системе будут рецензированы нашими техническими экспертами. Имея свыше 35 лет опыта работы с многоосевыми испытательными системами, "Team" вынесет на обсуждение богатство знания, предложит альтернативные проекты, расширяющие возможности вашей системы. Выберите "Team" в качестве своего партнёра.
|
|
| Сервозолотники и цилиндропоршневые комплекты TEAM. |
Мегагрупп.ру