|
Содержание
От автора
В книге сделана попытка в относительно простой форме рассказать о таком физическом явлении как резонанс конкретного изделия – приспособления для крепления реле на вибрационном стенде (в дальнейшем вибростенд), которое применяют для испытания вибрацией уникального и дорогого изделия – реле, и частично о таком сложном инженерном приложении как вибрационные испытания уникальных изделий. Мы старались избегать всего, что могло бы усложнить понимание предмета, в том числе и математики, которая лишь доказывает, но не объясняет. Такой подход может показаться сильно упрощенным, но надеюсь, что испытатель, впервые приступающий к испытаниям изделий на вибрационном стенде, найдёт здесь для себя много полезного. Для чего нужны виброиспытания? Около 70–80 % отказов изделий в машиностроении являются результатом действия вибрации [14, с. 282]. Покупателям нужны качественные и надежные товары. Чтобы удовлетворить эти требования, мы должны учитывать то, что наша продукция в течение срока службы так или иначе будет подвергаться действию вибрации. Отказы разочаруют покупателя, а это в свою очередь вызовет возрастание затрат и снижение доверия к фирме и ее продукции. Виброиспытания гарантируют то, что наша продукция будет соответствовать своему назначению. Уменьшаются повреждения при транспортировке с последующим отказом заказчика от покупки. Уменьшаются возвраты из-за невыполнения гарантийных обязательств. Уменьшаются судебные издержки и возмещенные убытки, вызванные неправильной работой продукции. Поддерживается хорошая репутация компании и ее продукции. Сохраняется прибыль. Виброиспытания повышают конкурентоспособность нашей продукции на мировом рынке. Наша фирма изготавливает и поставляет во многие фирмы конкурентоспособные многофункциональные высококачественные реле. Для обеспечения высоких удельных характеристик реле их подвергают всевозможным испытаниям (всего 22 испытания), в том числе и двум видам испытаний вибрацией в широком диапазоне частот от 50 до 2500 Гц, что гарантирует покупателю реле их высокое качество. Для крепления реле на вибрационном стенде было разработано приспособление, которое испытали на появление резонанса на том же вибростенде, на котором должны испытывать реле, в широком интервале частот, заданных в Технических условиях (ТУ) на реле. В результате проведённого резонансного эксперимента выяснилось, что приспособление имеет два резонанса – основной с перегрузкой более 24g и повторный с перегрузкой более 16g выше заданных в ТУ на реле. Это очень большие перегрузки для реле и поэтому нельзя гарантировать, что они выдержат виброиспытания и механически не разрушатся. Вследствие этого возникла задача выявить причины появления резонансов со столь большими перегрузками для приспособления в форме квадратной трубы с перегородкой и, на этой основе, предложить безрезонансное приспособление, или приспособление с несущественной амплитудой резонанса. Кажущиеся, на первый взгляд, излишними подробности и нюансы при описании, а также, в ряде случаев, повторы, в конечном итоге, оказываются вовсе не лишними. Скорее, наоборот, - они устраняют неясности и неоднозначности для понимания физики возникновения резонанса приспособления, что позволило, в конечном итоге, теоретически разработать новое приспособление крепления реле на вибростенде. Вклад авторов: Рогоза А.В. – организация, проведение эксперимента по выявлению резонанса и получение резонансных характеристик приспособления. Черкасов Ю.Н. –разработал теорию резонанса существующего приспособления для крепления реле и, на основе этой теории, разработал принципиально новое, безрезонансное, приспособление для крепления реле. Ракитянский В.В. – разработал конкретную конструкцию приспособления. Руковицын И.Г. – Разработал математическую модель конкретной конструкции приспособления и рассчитал её резонансные характеристики. Считаю своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность Академику академии электротехнических наук (ЭН) РФ доктору технических наук Алексею Петровичу Сарычеву за доброжелательное и скрупулёзное редактирование книги и за ряд значимых рекомендаций, учёт которых позволил существенно улучшить содержание книги. Мне доставляет удовольствие поблагодарить Академика академии ЭН РФ доктора технических наук профессора Владимира Яковлевича Гечу за многократные вдохновляющие беседы, которые я имел с ним, за полезные замечания и ценные советы, которые позволили теоретически правильно обосновать результаты эксперимента на вибростенде. Я искренне признателен Евгению Владимировичу Афромееву, любезно согласившемуся обсудить теорию резонанса механических систем применительно к полученным результатам эксперимента на вибростенде. И наконец, я в долгу у моей жены Галины Фёдоровны Черкасовой за понимание значения данной работы и за многолетнее неистощимое терпение, без которых книга не увидела бы свет. Юрий Николаевич ЧЕРКАСОВ Введение
Актуальность работы. Явление резонанса открыто давно (1893 г. – Дж. Ф. Фицджеральд, 1900 г. – Никола Тесла), а его теория достаточно разработана, но при испытании конкретного изделия всегда имеется специфика, которая вынуждает испытателя и конструктора всякий раз творчески решать проблему резонанса. Проблема в том, что при резонансе резко возрастает, даже в несколько раз, амплитуда вынужденных колебаний. Но поскольку испытываемое изделие жёстко закреплено на испытательном столе вибростенда, то этот прирост амплитуды проявляется в резком увеличении энергии изделия, которая и может механически его разрушить. Поэтому проблема уменьшения вероятности возможного разрушения изделия при его испытании на вибростенде была, есть и всегда будет актуальной. Бортовая аппаратура космических аппаратов является уникальной, дорогостоящей и почти всю её подвергают испытаниям на вибростенде. Ряд бортовых приборов, особенно специальных (функциональных) систем, изготавливают несколько предприятий, в том числе и зарубежных фирм, поэтому они уникальные, часто в единственном экземпляре, и очень дорогие. Их механическое разрушение из-за резонанса при испытании на вибростенде недопустимо, в том числе и реле. В работе исследован резонанс приспособления для крепления реле на вибростенде, который выявился при экспериментальном испытании приспособления на вибростенде в интервале частот от 5 до 2500 Гц. Рост амплитуды колебаний при резонансе существенный – перегрузка более 24g, что может быть причиной поломки дорогих реле при их испытании на вибростенде. Поэтому возникла необходимость выявить причины появления резонанса при испытании приспособления. Актуальность проблемы резонанса при испытании уникальных изделий на вибростенде состоит в том, что научно-технический авторитет (имидж) фирмы, изготавливающей космические аппараты, нарабатывается многими годами, и порча при испытании только одного прибора приводит к потере этого авторитета на многие годы, что особенно опасно в условиях рыночной экономии и всё усиливающейся конкуренции предприятий. "Космос сегодня, – как заявил премьер Д. А. Медведев [13], – это большой рынок, на котором реальная конкуренция. И здесь нужно серьёзно работать, чтобы на этом рынке остаться... И сегодня лидерство в этой отрасли имеет и стратегическое значение. Это и вопросы нацбезопасности, и обороноспособности страны...". Часть приборов испытывают на одной частоте, например бесколлекторные микродвигатели, а часть – на некотором интервале вибрационных частот. Наши реле – это высоконадёжные многофункциональные изделия с уникальными удельными характеристиками, и потому их используют для коммутации наиболее ответственных электрических цепей летательных аппаратов. Достаточно отметить, что реле ставят в цепь подрыва пироболтов для отделения головных частей от носителя. Поэтому к реле предъявляют повышенные требования и их испытывают на вибростенде в широком интервале вибрационных частот от 50 до 2500 Гц. Отсюда следует, что поддержание конкурентоспособности реле на мировом рынке, наряду с другими изделиями, является одной из важнейших задач АО "Корпорация «ВНИИЭМ". Путь решения проблемы – испытание приспособления на том же (реальном) вибростенде и на тех же частотах, на которых нужно испытывать реле. Для крепления реле на вибростенде было разработано приспособление, которое испытали на интервале частот от 5 до 2500 Гц на возникновение резонанса. В результате эксперимента выявился двойной резонанс – основной, при котором перегрузка (g=9.81 m/c2) значительно увеличивается – на 24,91g и повторный, при котором перегрузка увеличивается на 16,2g, что тоже значительно, и что тоже может привести к механическому разрушению дорогих реле. Поэтому при испытании реле, на интервале резонансных частот, вынуждены снижать испытательную нагрузку, что, конечно же, снижает качество испытаний. Для повышения качества испытаний необходимо безрезонансное устройство крепления реле на вибростенде или устройство с несущественной амплитудой перегрузки при резонансе. Но эта задача оказалась совсем не тривиальной. В работе выявлены причины появления, как основного, так и повторного резонанса, что очень важно для сохранения целостности дорогих реле и других уникальных изделий при их испытании на вибростенде. Научная новизна работы заключается в том, что на основе общей теории резонанса проанализированы результаты эксперимента со специфическим приспособлением для крепления реле и, на основе анализа экспериментально полученных резонансных характеристик приспособления, выявлены общие закономерности возникновения этого опасного физического явления (резонанса) для реле и предложены конкретные меры по его недопущению. Авторы нашли неявную, но основную причину механического разрушения изделия при его испытании на вибростенде. Поскольку испытываемое изделие жёстко закреплено на испытательном столе вибростенда, то его колебаний, как таковых, не происходит. А колебания, которые должны появляться при резонансе, "превращаются" в дополнительную энергию, которая и разрушает механически испытываемое изделие. Кроме этого, авторы дополнили теорию резонанса применительно к конкретной конструкции приспособления в форме квадратной толстостенной трубы с перегородкой. К научному результату следует отнести и разработку математической модели приспособления нестандартной формы, позволившей теоретически получить отсутствие резонанса нового приспособления. Практическим результатом работы является разработка практических предложений по недопущению повреждения уникальных изделий при их испытаниях на вибростенде, а также теоретическая разработка нового приспособления для крепления реле на вибростенде при их испытании вибрацией. По мнению авторов, предложенное приспособление должно иметь резонанс с незначительной амплитудой колебаний, поскольку в нём учтены выявленные причины возникновения резонанса с существенной амплитудой. Считаю целесообразным изготовить предложенное авторами приспособление и провести с ним резонансный эксперимент. Если результат эксперимента окажется положительным, то рекомендую приспособление внедрить. Часть общих (гостовских, энциклопедических и др.) определений переформулирована авторами применительно к испытываемому изделию, что даёт лучшее понимание явления резонанса для испытываемого приспособления. Считаю, что использование разработанных авторами предложений поможет избежать нежелательного механического разрушения уникальных изделий. Считаю также уместным и даже необходимым введённый авторами специальный раздел аксиоматики теории резонанса. Аксиоматика – основные элементы теории и правила работы с ними. Введённые в этом разделе определения и понятия позволяют лучше понять явление резонанса в трубе с перегородкой при её испытании на вибростенде. Работа написана технически грамотным языком, логически последовательно, приведены необходимые формулы и иллюстрации. В работе отсутствует плагиат, т. к. на все заимствованные теоретические положения имеются ссылки на источники. Хотя работа по объёму и небольшая, но авторам удалось явление резонанса рассмотреть всесторонне. Поэтому работу можно считать монографией. Книга состоит из введения, 11 разделов, заключения и списка использованной литературы. Считаю, что результаты работы полезны конструкторам, испытателям уникальных изделий, а также руководителям предприятий при организации нового производства, в котором планируется проведение виброиспытаний изделий. Кроме этого, результаты данной работы могут оказаться полезными преподавателям, обучающим студентов механическим испытаниям изделий. Рекомендую книгу к изданию в научном издательстве URSS. Первый заместитель генерального директора АО "Корпорация «ВНИИЭМ", Академик академии электротехнических наук Российской Федерации, доктор технических наук Алексей Петрович САРЫЧЕВ
Об авторах
 Черкасов Юрий Николаевич Кандидат технических наук, академик и почетный доктор электротехники Академии электротехнических наук РФ, заслуженный испытатель космической техники Федерации космонавтики России, заслуженный испытатель ФГУП ВНИИЭМ. Подполковник в отставке. Автор более 80 опубликованных работ, в том числе по совершенствованию системы испытаний цикла из 7 книг, 5 монографий, учебного пособия, а также обладатель 8 патентов и 19 рацпредложений. Испытывал на орбите многие типы космических аппаратов (КА). Участвовал в обеспечении навигации с использованием КА первой высокоширотной экспедиции к Северному полюсу атомного ледокола «Арктика», участвовал в сборе научной информации для уточнения моделей Земли и Солнца. Разработал методику идентификации бортовой шкалы времени КА и энергетически сбалансированный принцип работы КА, которые были приняты Министерством обороны СССР на вооружение и позволили повысить точность модели Земли и продлить срок активного существования на орбите многих КА; разработал новую технологию и многие устройства испытания реле, позволившие получить существенный экономический эффект. Область научных интересов: перспективные системы испытаний, идентификация динамических систем, теория гравитации и реляционная теория, тензорные исчисления, темпорология. Награжден 9 правительственными медалями и ведомственной медалью им. А. Г. Иосифьяна.
 Рогоза Александр Валерьевич Кандидат технических наук. Начальник научно-производственного комплекса. Автор 1 монографии, более 10 статей, обладатель 1 патента. Область научных интересов: разработка электромагнитных подшипников для крупных роторных агрегатов.
 Ракитянский Владимир Васильевич Инженер-конструктор уникальных изделий для космических аппаратов, автор 1 монографии, обладатель 1 патента.
 Руковицын Илья Геннадьевич Кандидат технических наук, старший научный сотрудник. Автор 1 монографии и 12 статей. Область научных интересов: динамика и прочность машин, технологии автоматического управления, электромеханика и магнитный подвес ротора.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||