книги / Многоцикловая усталость при переменных амплитудах нагружения

Рис. 66. Функциональная схема испытательной установки.

задавать решим испытаний узкополосной случайной нагруз­ кой, измерять ее среднеквадратическое значение и поддер­ живать его неизмепным в процессе испытаний, изменять среднеквадратическое значение случайной нагрузки по за­ данной программе с числом ступеней в блоке 16 со стабили­ зацией ее на каждой ступени, автоматически прекращать испытания в любом режиме при достижении в испытуемом образце величины трещины заданных размеров. Кроме того, при проведении испытаний на установках, обеспечивающих асимметричный цикл нагружения, в системе предусмотрен блок поддержания заданной статической нагрузки или из­

менения ее по заданной программе с числом ступеней в бло­ ке 16 и стабилизацией на каждой ступени при любом из указанных выше режимов испытаний.

Конструктивно вся система управления выполнена в ви­ де двух приборов, обеспечивающих стабилизацию парамет­ ров переменной и постоянной нагрузки. Блок-схема систе­ мы управления вместе с внешними приборами представлена на рис. 66. Внешние приборы выделены более темными пря­ моугольниками. Основными элементами системы являются датчик, блок стабилизации амплитуды, блок задания авто­ колебательного режима и блок поддержания статической нагрузки.

В зависимости от типа испытательной установки и систе­ мы нагружения могут быть использованы различные датчи-

Рис. 67. Принципиальная схема преобразователя переменного напря­ жения в среднеквадратическое {1 — 8 обозначения выводов микросхем).

ки. При испытаниях! на электродинамическом вибростенде был приме! ее индуктивный датчик, представляющий собой катушку с сердечником из мягкой стали, которая прикрепля­ лась к подвижной платформе вибростенда. Свободный то­ рец катушки располагался на малом расстоянии параллель­ но основанию цилиндра из мягкой стали, жестко связанного с активным захватом. Взаимные перемещения цилиндра и катушки приводят к созданию электродвижущей силы в це­ пи катушки датчика. При проведении испытаний с данным прибором на установке «Амслер», обеспечивающей асиммет­ ричный цикл нагрузки, использовалась измерительная схе­ ма, представляющая собой мост из тензорезисторов с элемен­ тами балансировки и измерительного дифференциального усилителя с коэффициентом передачи 500. Данный усили­ тель имеет большое входное сопротивление и позволяет поч­ ти полностью подавлять синфазное напряжение помех. С вы­ хода измерительного усилителя сигнал подается на фильтр нижних частот второго порядка с коэффициентом передачи, равным единице, где выделяется напряжение, пропорцио­ нальное статической составляющей нагрузки. Это напря­ жение контролируется цифровым вольтметром. Напряжение, пропорциональное циклической составляющей нагрузки, по­ дается на блок стабилизации амплитуды колебаний. Он со­ стоит из преобразователя переменного напряжения в его среднеквадратическое значение, регулируемого источника опорного напряжения, компаратора, ДС-фильтра низких частот, управляемого усилителя Г и системы отключения.

Схема преобразователя переменного напряжения в сред­ неквадратическое приведена на рис. 67. Он состоит из пре­ цизионного двухполупериодного преобразователя перемен­ ного напряжения в постоянное, построенного на микросхе­ мах А1 и А2, и среднеквадратического преобразователя на микросхемах АЗ и А4 [165]. Достоинство данной схемы со-

стоит в независимости результата преобразования от формы входного сигнала, в то время как большинство промышлен­ ных цифровых вольтметров измеряют переменное напряже­ ние только синусоидальной формы [111].

Для проверки точности работы среднеквадратического преобразователя и нахождения плотности вероятности ам­ плитуд нагрузки сигнал с датчика обрабатывали с помощью информационно-вычислительного комплекса ИВК-7 на базе ЭВМ СМ-3. Программы обработки написаны на языках про­ граммирования Макроассемблер и ФОРТРАН в операцион­ ной системе ДОС СМ. Сигнал с датчика поступает на быстро­ действующий аналого-цифровой преобразователь ЭВМ, а затем порциями в 4096 отсчетов обрабатывается. Расчеты на ЭВМ показали, что для гармонических сигналов погрешность

4 %. Для тестирования программ цифровой обработки дан­ ных, а также проверки работы канала связи установка — ЭВМ и аналого-цифрового преобразователя обрабатывались гармонические сигналы с датчика с разными амплитудами. Ниже сравниваются средпеквадратические значения гармо­ нического сигнала, измеренные с помощью цифрового вольт­ метра и рассчитанные на ЭВМ.

ное среднеквадратическому значению сигнала датчика, по­ дается на один из входов компаратора на микросхеме А /.

На второй вход компаратора подается опорное напряжение, снимаемое с резистора R3.

Выходное напряжение компаратора скачкообразно изме няет свой знак в зависимости от того, больше или меньше сравниваемое напряжение относительно опорного. Это напря­ жение, снимаемое с интегрирующей ДС-цепочкп, является управляющим для усилителя, построенного на микросхеме А2 и полевом транзисторе V3. В зависимости от напряже­

ния между выводами полевого транзистора затвор — исток изменяется сопротивление канала сток — исток и авто­ матически влечет за собой изменение коэффициента переда­ чи усилителя. Сигнал возбуждения с выхода управляемого усилителя зависит от значеппя и знака постоянного напря-

Рис. 68. Принципиальная схема блока стабилизации амплитуды (2—7— обозначения выводов микросхем).

жения на его управляемом входе. Работа блока в режиме поддержания заданной амплитуды сигнала датчика проис­ ходит следующим образом. Резисторами R4 и R5 выставля­

ется опорное напряжение на входе компаратора 4 2 , равное необходимому среднеквадратическому значению сигнала дат- Ч1ка. Пусть сигнал датчика меньше опорного. В этом случае

на выходе компаратора будет отрицательное напряжение,

нарастающее отрицательное напряжение, увеличивающее его коэффициент передачи.

Увеличивающееся напряжение возбуждения, поступаю­ щее на усилитель мощности возбудителя колебаний, будет увеличивать амплитуду колебаний объекта до тех пор, пока сигнал с датчика не станет равным опорному. Когда он пре­ высит его, на выходе компаратора напряжение скачкообраз­ но изменит полярность и процесс повторится в обратном направлении. Таким образом, в установившемся режиме бу­ дут происходить небольшие флуктуации амплитуды сигнала датчика вокруг опорного напряжения. При соответствую­ щем выборе постоянной времени интегрирующей ЛС-цепочки (резистор R8) и в силу того, что скорость нарастания выход­

ного напряжения компаратора в режиме переключения до­ вольно высока, эти флуктуации составляют не более 1 % ам­ плитудного значения и ими можно пренебречь.

При испытании материалов на усталость накопление по­ вреждений приводит к возрастанию в них внутренних энер­ гетических потерь. Поэтому управляющее напряжение на

Рис. 69. Принципиальная схема фазовращателей и фильтра (1 — 8 —

обозначения выводов микросхем).

резисторе R9 с тем, чтобы сигнал с датчика остался неизмен­

ным, будет в процессе испытаний по абсолютной величине расти, что косвенным путем может отображать кинетику накопления повреждений. Это напряжение подается на один из входов компаратора на микросхеме АЗ и сравнивается с опорным, определяемым сопротивлением резистора R18.

Когда эти напряжения сравняются, что соответствует раз­ меру трещины в образце определенной длины, напряжение на выходе микросхемы АЗ скачкообразно изменит полярность

с отрицательной на положительную, сработает электронный ключ на транзисторе V5, реле Р1 и Р2 своими контактами К1 и К2 зашунтируют выход управляемого усилителя и

вход счетчика циклов на землю и испытания прекратятся. Принципиальная схема блока задания автоколебательно­ го режима представлена на рис. 69. Он состоит из входного

усилителя на микросхеме А1\ двух одинаковых каскадов фазовращателя на микросхемах А2 и АЗ, построенных по

схеме фазового фильтра и обеспечивающих плавную регули­ ровку фазы от 0 до 360° при неизменном коэффициенте пере­ дачи; нелинейного элемента в виде ограничителя на диодах VI — V4 и полосового перестраиваемого фильтра второго по­ рядка на микросхеме А4 с регулируемой добротностью. Эле­

менты фильтра выбираются в зависимости от рабочего диа­ пазона испытательной установки и определяются по форму­ лам

Ширина полосы пропускания фильтра Д/ =

Рассмотрим совместную работу блоков стабилизации ам­ плитуды и автоколебательного режима (см, рис. 69). В нижнем

Рис. 70. Принципиальная схема программатора (1— 7 — обозначения

выводов микросхем).

по схеме положении тумблера S5 плата автоколебатель­

ного режима превращается в обычный звуковой генератор с частотой генерации, равной частоте настройки фильтра. Пе­ ременным резистором R3 (частота фильтра) колебательная система вволится в резонанс. Затем переключатель S5 пере­

водим в верхнее положение. Переменными резисторами фа­ зовращателя и усилителя колебательная система вводится в режим самовозбуждения. Амплитуда колебаний образца будет полностью соответствовать опорному напряжению ком­ паратора.

Если опорное напряжениекомпаратора изменять ступен­ чато по некоторой программе, то по этой программе будет изменяться амплитуда колебаний образца, застабилизированная на каждой ступени. С этой целью в приборе преду­ смотрен программатор, который работает совместно с внеш­ ним программным счетчиком Ф5129.

Счетчик имеет запоминающее устройство, в которое мож­ но записать до 16 чисел. При достижении в накопителе счет­ чика чисел, записанных в запоминающем устройстве, на каждом из 16 выходов поочередно появляется потенциал логи­ ческой единицы. Выходы счетчика соединены с входами про­ грамматора, принципиальная схема которого показана на рис. 70. Он состоит из суммирующего усилителя на мик­ росхеме А /, инвертора напряжений на микросхеме А2 и уп­ равляемого усилителя на полевом транзисторе VI п микро­ схеме АЗ. Главным достоинством сумматора является то,

АI и А2, меньше опорных напряжений, подаваемых на их

неинвертирующие входы, на выходе микросхем будет по­ стоянное положительное напряжение. При превышении £/стат соответствующих опорных напряжений выходные на­ пряжения скачкообразно изменяют знак. Эти напряжения подаются на инвертирующий сумматор на микросхеме АЗ.

В результате на ее выходе формируется напряжение с зоной нечувствительности, определяемой разницей опорных на­ пряжений. Ширину зоны нечувствительности можно регули­ ровать, изменяя опорные напряжения. Электронные ключи, выполненные на транзисторах разной структуры V5 и V6,

реагируют соответственно на положительное и отрицатель­ ное выходное напряжение микросхемы АЗ.

В качестве бесконтактных ключевых элементов, управля­ ющих мощной нагрузкой, использовались резисторные оп­ троны, что позволило осуществить гальваническую развяз­ ку силовых цепей двигателя от прибора. Выходы мощвых тиристорных ключей подключаются параллельно кнопкам электродвигателя, осуществляющим его реверсирование. Поддержание заданного уровня статической нагрузки осу­ ществляется следующим образом.

При отключенном тумблере S2 электродвигателем испы­

тательной установки задается необходимый уровень стати­ ческой нагрузки. Переменными резисторами компараторов А1 и А2 выставляются опорные напряжения Uon 1 и U0п II

таким образом, чтобы сигнал датчика статической нагрузки t/стат попал в зону нечувствительности. В качестве индика­ торов настройки используются светодиоды VI — V4. При правильной настройке светодиоды VI и V2 должны быть от­ крыты, a V3 и V4 — закрыты. После этого ширину зоны

нечувствительности сужаем до необходимой величины, обу­ словливающей точность регулирования, а тумблер S2 иере-

водим в нижнее положение. В дальнейшем прибор будет ра­ ботать в режиме автоматического поддержания статической нагрузки. Пусть из-за каких-либо причин статическая на­ грузка на образец уменьшилась. При этом напряжение £/стат выйдет из зоны нечувствительности и на выходе микросхемы АЗ скачкообразно появится отрицательное напряжение. Сработает ключ на транзисторе V6, оптрон включит мощный

тиристорный ключ электродвигателя, и нагрузка на обра­ зец начнет увеличиваться. Когда сигнал датчика статиче­ ской нагрузки войдет в зону нечувствительности, ключ закроется и электродвигатель отключится. Аналогично про­ исходит регулирование при увеличении статической нагруз­ ки, только в этом случае разгрузкой образца управляет ключ на транзисторе V5,