Дроссель Др уменьшает затухание, вносимое в электрический колебательный контур обмотки, а реостат R2 позволяет регулиро­ вать его добротность. Так как в такой системе механический и элек­ трический колебательные контуры являются сильно связанными, вся система возбуждается на одной частоте и работает в режиме ав­ токолебаний. При этом обеспечивается частота нагружения образца до 500 Гц.

При частотах выше 500 Гц использование электромагнитных пре­ образователей, имеющих обычный магнитопровод из металлических пластин, нецелесообразно в связи с резким увеличением при этих частотах потерь на вихревые токи и с уменьшением магнитной про­ ницаемости материала магнитопровода. На более высоких частотах необходимо использовать электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические возбудители колебаний.

7. Установки с электродинамическими преобразователями

Основой электродинамических усталостных установок служит элек­ тродинамический вибратор (электродинамик), принцип действия ко­ торого при возбуждении колебаний основан на возникновении вы­ талкивающих сил взаимодействия между катушкой возбуждения, по которой пропускается переменный электрический ток, и постоян­ ным магнитным полем, создаваемым электромагнитом постоянного тока. Частота возбуждения колебаний в электродинамических пре­ образователях равна частоте переменного тока, проходящего через обмотку катушки. Эти силовозбудители могут эффективно исполь­ зоваться для испытаний при регулярном, программном и случайном нагружениях в диапазоне частот от 5 Гц до 7 кГц [20, 361 (возбудите­ ли малой мощности, развивающие усилия до нескольких десятков ньютон, могут работать на частотах до 15—20 кГц, а мощные элек­ тродинамики, развивающие усилия до 0,5 МН, работают на час­ тотах не более 2— 3 кГц). Они применяются в усталостных установ­ ках для возбуждения в резонансном режиме как поперечных, так и продольных колебаний образцов, а также для испытаний на уста­ лость различных натурных элементов конструкций. При возбужде­ нии резонансных колебаний в объектах исследования реализуется главным образом режим мягкого симметричного нагружения.

Преимуществом электродинамических преобразователей явля­ ется относительная простота управления перемещениями и часто­ той колебаний, которые изменяются в соответствии с изменением амплитуды и частоты тока, питающего подвижную катушку возбуж­ дения, которая жестко соединена с захватом образца. Форма импуль­ са электрического тока и его параметры пропорционально воспроиз­ водятся электродииамиком в виде эквивалентных циклов изменения механической нагрузки при максимальных амплитудах колебаний рабочего стола до нескольких десятков миллиметров и ускорениях до 1000 м/с2. При этом их амплитудно-частотная характеристика по нагрузке в основном рабочем диапазоне (до 5— 7 кГц) практически

является линейной и горизонтальной, что свидетельствует о неза­ висимости амплитуды нагрузки от частоты. Это замечательное свой­ ство, характерное в таком широком частотном диапазоне только для электродинамических преобразователей, весьма эффективно исполь­ зуется при испытаниях на усталость и вибропрочность образцов и эле­ ментов конструкций при программном или случайном изменении частоты и амплитуды возбуждающей силы, а также при высокоскорост­ ных и ударных испытаниях в условиях воздействия на объект иссле­ дования больших перегрузок и ускорений.

Принципиальная схема электродинамического преобразователя показана на рис. 58, а. Непосредственно возбудитель колебаний сос-

Рпс. 58. Схемы электродинамического преобразователя с подпижяой обмоткой возбуждения (а) и с короткозамкнутым витком (б).

тоит из электромагнита постоянного тока, включающего обмотку 7 и бочкообразный магнитопровод, содержащий ярмо 2 и централь­ ный керн 9, и катушки возбуждения 3, расположенной в кольцевом зазоре электромагнита и являющейся тем первичным звеном преоб­ разователя, которое воспринимает возбуждаемые механические уси­ лия. Обмотка катушки возбуждения запитывается переменным то­ ком рабочей частоты и совершает колебания в вертикальной плоскос­ ти, вызываемые взаимодействием ее токонесущих витков с постоян­ ным магнитным полем электромагнита.

Консольный образец 7 с помощью зажимного устройства 6 жест­ ко прикреплен к платформе (столу) 5, также жестко связанной с об­ моткой катушки возбуждения (ее еще называют и тяговой катушкой). Поэтому при пропускании по виткам катушки переменного тока от генератора с регулируемой частотой появляются силовые импуль­ сы, возбуждающие колебания платформы с укрепленным на ней об­ разцом, который нагружается распределенными силами инерции собственной массы. На платформе могут быть укреплены не только образцы, но и натурные детали или узлы и может осуществляться их нагружение не только поперечными, но и продольными вилами, а также крутящим моментом.

Для центрирования подвижной катушки в кольцевом воздушном вазоре электромагнита и направления ее движения только вдоль оси центрального керна используются специальные упругие направ-

ляющие 4 или подвесы, жесткость которых в направлении колеба­ ний невелика. Подвесы не должны оказывать заметного влияния иа характеристики движения платформы во всем диапазоне рабочих частот преобразователя: не вызывать большого демпфирования ко­ лебаний и не оказывать упругого и инерционного сопротивления движению возбуждаемой системы. Для предотвращения колебаний подвижной системы с недопустимо большой амплитудой применя­ ется механическое ограничение перемещений платформы с помощью жестких или эластичных упоров и стопоров 8.

Постоянный ток подмагничивания поступает в обмотку электро­ магнита от выпрямителя, а катушка возбуждения запитывается от системы, основными элементами которой являются задающий гене­ ратор, вырабатывающий сигналы нужной частоты, и мощный усили­ тель, после которого усиленный сигнал подается в обмотку этой ка­ тушки.

В настоящее время используются два типа катушек возбужде­ ния: обычной конструкции с жестким каркасом и небольшим коли­ чеством витков большого поперечного сечения и с короткозамкнуты­ ми витками. При использовании катушки традиционной конструк­ ции переменный ток пропускается непосредственно по ее виткам; постоянный магнитный поток замыкается только по магггатопроводу и поэтому потери в железе на вихревые токи и гистерезис отсутству­ ют.

Воздушный зазор между катушкой возбуждения и магнитопроводом в данном случае нельзя выполнить очень узким, так как труд­ но изготовить достаточно жесткую подвижную обмотку с тонкими стенками. Сузить воздушный зазор и повысить в нем магнитную ин­ дукцию можно благодаря применению в качестве подвижного токоносителя короткозамкнутого витка, который представляет собой металлический тонкостенный цилиндр 5, жестко'связанный со сто­ лом 2 (рис. 58, б).

Питание короткозамкнутого витка осуществляется путем транс­ формации тока неподвижной обмотки возбуждения 1 с помощью переменного магнитного потока, замыкающегося в основном по воздуху. Таким образом, неподвижная обмотка возбуждения и короткозамкнутый виток образуют воздушный трансформатор, с помощью которого вырабатывается переменный ток в подвижном короткозамкнутом витке. Взаимодействие этого тока с постоянным магнитным полем электромагнита 4 приводит, как и при обычной схеме возбуждения, к возникновению механических колебаний. Не останавливаясь на рассмотрении достоинств и недостатков катушек этих двух типов, отметим, что электродинамические возбудители с короткозамкнутой подвижной катушкой находят применение в ус­ тановках для испытания на вибропрочность вращающихся объектов, в вибростендах для имитации ударных нагрузок, а также в схемах мощных преобразователей, работающих на очень высоких частотах.

8. Установки с магнитострикционными преобразователями

Принцип действия таких установок основывается на использовании магнитострикционного эффекта, который заключается в способности некоторых материалов изменять свои линейные размеры при изме­ нении магнитного поля, в которые эти материалы помещены. Основ­ ным элементом магнитострикционного преобразователя является непосредственно магнитостриктор, который представляет собой замк­ нутый магнитопровод О-образной формы, набранный из тонких изо­ лированных пластин никеля, пермендюра, алфера или других ма­ териалов, обладающих сильным магнитострикционным эффектом и

с магнитострикционными преобразователями, обеспечивающими реа­ лизацию частот, больших 18 кГц, называют ультразвуковыми. На рис. 59 показана схема системы нагружения установки с магнитостриктором. Механическая часть установки состоит из трех основных элементов — магнитострикционного вибратора 5, стержневого кон­ центратора энергии 3 и испытываемого образца 2. Вся колебательная система прикреплена к неподвижной опорной плите с помощью флан­ ца 4У находящегося в узловом сечении концентратора (в узловых сечениях колебательных систем смещения равны нулю и эти сечения в процессе колебаний неподвижны).

Собственные частоты продольных колебаний вибратора, концент­ ратора и образца одинаковы и равны рабочей частоте всей системы. Они являются полуволновыми элементами и при их жестком соеди­ нении образуется система, хорошо резонирующая на третьей гармо­ нике продольных колебаний, когда в обмотки магнитостриктора под­ водится переменный ток, частота которого соответствует рабочей частоте установки [36]. Амплитуда колебаний магнитостриктора мак­ симальна на его торцах и равна нулю посередине, где находится узел колебаний; развиваемая им мощность тем больше, чем больше амп-

литуда колебаний и площадь его торца. Для эффективной передачи этой мощности на образец, у которого площадь торца меньше пло­ щади торца вибратора, применяется согласующий стержень-концент- ратор-волновод 3. Он выполняется в виде полуволнового стержня переменного сечения. Образец жестко закрепляется на торце кон­ центратора с помощью резьбового соединения. Так как собственная частота продольных колебаний образца равна частоте системы виб­ ратор — концентратор, легко устанавливается резонансный режим колебаний и при этом в материале образца могут развиваться зна­ чительные механические напряжения. Максимум этих напряжений находится в узле колебаний, расположенном в средпей части образ­ ца. Измерить эти напряжения в процессе испытаний практически невозможно, поэтому их значения рассчитываются аналитически с учетом амплитуды колебаний торца образца, измеряемой непосред­ ственно при высокочастотном нагружении с помощью микроскопа или датчика 1 (амплитуда колебаний торца образца при частоте на­ гружения 10—20 кГц составляет 0,02—0,2 мм).

Для магнитострикционного преобразователя так же, как и для электромагнитного, характерны два режима: без подмагничиваиия, когда частота колебаний преобразователя удваивается по отношению к частоте питающего переменного тока, и с подмагничиванием пос­ тоянным током. Последний режим обеспечивает равенство частоты переменного тока и возбуждаемых колебаний; он является основным режимом работы магнитостриктора, так как позволяет получить максимальную мощность возбуждения. В магнитострикторе так же, как й в известных нам электромеханических преобразователях — электромагнитном и электродинамическом, преобразование электри­ ческой энергии питания в затрачиваемую на деформирование и разрушение образца работу происходит на двух ступенях: электромаг­ нитной и магнитомеханической. При этом отличие магнитострикци­ онного преобразователя заключается в том, что он является системой с распределенными параметрами, каждый элемент которой участвует и в формировании магнитного поля, и в механическом движении. Материал преобразователя должен иметь возможно большие значения магнитострикции и магнитной проницаемости при хорошей технологичности, низкой стоимости, высоком сопротивлении уста­ лости. Этим требованиям в основном удовлетворяют уже упоминав­ шиеся никель, пермеидюр, алфер и в меньшей степени магнитострикционные ферриты.

В связи с зависимостью собственной частоты продольных коле­ баний магнитостриктора от длины магнитопровода, а реализуемой мощности — от площади его поперечного сечения базирующиеся на таких преобразователях установки конструируются для возбуждения нагрузок в очень узком диапазоне частот и с точки зрения управле­ ния режимом испытаний являются весьма консервативными систе­ мами. При испытаниях образцов на магнитострикционных установ­ ках можно осуществлять два режима нагружения: с независимым возбуждением и автоколебательный. В автоколебательном режиме сигпал от датчика 1 после его обработки в блоке управления 8 по-

дается в блок задающего генератора 7, воздействуя на амплитуду и частоту вырабатываемых генератором электрических колебаний, которые подаются через мощный усилитель 6 на обмотки магпитостриктора. При этом цепь обратной связи замкнута и в системе ус­ танавливаются колебания, частоты которых определяются собствен­ ной частотой продольных колебаний системы образец — концентра­ т о р — вибратор.

Работа магнитострикционных установок связана с проявлением одной особенности, которая не характерна для всех других типов преобразователей, обеспечивающих более низкие частоты нагруже­ ния. Речь идет о разогреве образцов при высокочастотном нагруже­ нии из-за рассеяния энергии в материале при механическом гистере­ зисе. Так, образцы из некоторых сталей, характеризующихся низкой удельной теплоемкостью и невысокой теплопроводностью, могут на­ греваться до температуры 675— 775 К даже при напряжениях, па 10—20 % меньших предела выносливости [201. Поэтому для сопоста­ вимости результатов таких высокочастотных испытаний и низко­ частотных, при которых интенсивный разогрев не наблюдается, в установках с магнитострикторами предусмотрены системы охлажде­ ния не только вибратора, омываемого проточной водой, но и образ­ цов. Если длительность испытаний невелика и коррозионными яв­ лениями на поверхности образца можно пренебречь, для его охлаж­ дения также используют воду. В других случаях необходимо исполь­ зовать нейтральные жидкости.

Для создания асимметричных циклов нагружения в машинах с магпитострикционными возбудителями колебаний статическую на­ грузку прикладывают к образцу от механических или гравитацион­ но-рычажных преобразователей в узлах колебаний системы, распо­ ложенных вне рабочего участка образца на специально удлиненной его головке.

В ИПП АИ УССР разработана серия машин для испытаний на усталость с магнитострикционным возбуждением на частоты 3; 10; 20; 30 и 40 кГц. С их использованием на более низких частотах этого диапазона проведены испытания стержневых образцов при консоль­ ном плоском изгибе и испытания круговых пластин при поперечном изгибе в условиях плоского напряженного состояния.

9.Установки с пьезоэлектрическими преобразователями

Вустановках с пьезоэлектрическими преобразователями для воз­ буждения циклических нагрузок используется обратный пьезоэф­ фект, заключающийся в том, что под действием электрического поля происходит изменение формы и размеров некоторых диэлект­ риков (кварца, титаиата бария, фосфата аммония, циркоцата-тита- ната свинца и др.). Абсолютные смещения граней пьезопреобравователей при действии электрического поля невелики, поэтому при их использовании так же, как и при использовании магнитострикторов, в схеме возбуждения необходимо применять' концентраторыволноводы для усиления абсолютных перемещений и получения в

(Образце напряжений, больших предела выносливости. Так же, как и Магнйтострикционные, пьезоэлектрические преобразователи позво­ ляют при испытаниях на усталость реализовать условия высокочастот­ ного нагружения при продольных резонансных колебаниях жестко связанной системы возбуждения пьезовибратор — концентратор — об­ разец, но область рабочих частот для пьезоэлектрических преобразо­ вателей существенно выше, чем для магнитострикциошшх; ее гра­ ница на нижнем пределе соответствует 10 кГц, на верхнем — 100 кГц.

С использованием преобразователей этого типа можно проводить испытания практически только в ультразвуковом диапазоне. Лишь пьезоэлектрические преобразователи обеспечивают при испытаниях на усталость частоты более 50 кГц. Их использование в усталостных установках идет двумя путями: при частотах до 40 кГц применяют­

ся пакеты пьезопластин, а при бо­ лее высоких частотах — отдельные пьезовибраторы в виде полых ци­ линдров [20, 36]. Эффективными преобразователями являются пла­ стины из пьезокерамики, поляри-

Рис. 60. Схемы систем нагружения с пластинчатыми (а) и цилиндрическими

(б) пьезоэлектрическими преобразова­ телями.

зованные по толщине. Их собственная частота колебаний равняется сотням килогерц, и чтобы ее уменьшить, при наборе пластин в пре­ образователе применяют схему, в соответствии с которой соосно каждой пластине с обеих ее сторон присоединяют металлические накладки-контакты до образования полуволнового элемента тре­ буемой частоты. Обычно применяют две пластины, которые сопри­ касаются электродами одной полярности. Схема их подключения к источнику переменного тока показана на рис. 60, а. Для обеспече­ ния плотности электрического контакта и жесткости колебательной системы пластины 4 вместе с накладками 3 болтами 5 крепятся к полуволновому концентратору-волноводу 2, к которому припаивает­ ся образец 1. По такой схеме в основном выполняются пьезоэлектри­ ческие возбудители колебаний, предназначенные для работы на частотах 10—40 кГц. Это относится не только к возбудителям про­ дольных колебаний одиночного типа, но и к многоэлементным ви­ браторам и преобразователям для крутильных колебаний.

При частотах нагружения, близких к 100 кГц, амплитуда коле­ баний образца даже в зонах пучности на базе испытаний очень мала и поэтому в системах возбуждения < пьезоэлектрическими преобра­ зователями концентраторы-волноводы могут не использоваться. Схема двухэлементной установки, состоящей из пьезоэлектричес­ кого вибратора в виде пустотелого цилиндра 1 и образца 4, показана на рис. 60, б. Испытания на этой установке проводились при ча­ стоте 90 кГц на базе свыше 109 циклов. Образец через резиновую прокладку 3 специальным зажимом 2 прижат к торцу пьезоэлемевта

7, изготовленного из титаната бария. Переменное электрическое напряжение подается к нему через электроды, находящиеся на тор­ цах цилиндра. Так же, как и в магнитострикционных возбудите­ лях, в данном случае частоты собственных колебаний образца и пьезоэлектрического вибратора равны между собой. Установка на резонансной частоте работает в автоколебательном режиме; при этом обратная связь осуществляется с помощью пьезоэлектрического датчика 5 и блока управления 6 с задающим генератором и электрон­ ным усилителем.

Всовременных установках в качестве преобразователей-воз­

будителей колебаний используются не пьезокристаллы, которые на больших базах испытаний характеризуются недостаточной цикли­ ческой прочностью, а синтезированная пьезокерамика, обладающая более высоким пьезоэффектом, прочностью, невысокой стоимостью и хорошей технологичностью. Наилучшие результаты получены при использовании для изготовления пьезовибраторов цирконата-ти- таната свинца.

Рядом иностранных фирм выпускаются вибростолы, в которых в качестве пьезопреобразователей используются наборы тонких плас­ тин, скрепленных в пакеты. Они позволяют испытывать объекты массой до 1 кг при частотах от 2 до 8 кГц и максимальном смещении 12 мкм, обеспечивая на верхней границе частотного диапазона ус­ корения до 1000 g.