14 Сведения, приводимые в протоколе испытаний

14 Сведения, приводимые в протоколе испытаний

В протоколе испытаний должны быть приведены, как минимум, следующие сведения:

Примечание - Если результаты испытаний должны быть зафиксированы, например, в хронологическом порядке с указанием параметров испытаний, наблюдений, выполненных во время испытаний, предпринятых действий и приведением таблиц измерений, то в этих случаях, как правило, ведут журнал испытаний. Журнал испытаний может быть приложен к протоколу испытаний.

Приложение A

(справочное)

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСПЫТАНИЯХ С СОЧЕТАНИЕМ РАЗНЫХ ВИДОВ

ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

A.1 Общие положения

Методы испытаний на случайную и гармоническую вибрацию установлены ГОСТ 30630.1.9 и ГОСТ 30630.1.2 соответственно. В настоящем приложении рассмотрены особенности испытаний, в которых применяют сочетание двух указанных видов воздействий. Имеющиеся в настоящее время цифровые системы управления позволяют реализовывать самые сложные стратегии управления для всех возможных сочетаний случайных и гармонических сигналов. Например, частоты разных гармоник (так же как и среднегеометрические частоты узкополосных случайных процессов) при качании частоты могут двигаться навстречу друг другу и пересекаться. Это усложняет математическое описание процессов и затрудняет обеспечение необходимой точности управления, что требует принятия некоторых компромиссных решений.

A.2 Сочетание широкополосного и узкополосного (с фиксированной среднегеометрической частотой) случайных сигналов

Вибрация данного вида, по существу, ничем не отличается от широкополосной случайной вибрации, рассмотренной в ГОСТ 30630.1.9, и не требует модификации метода испытаний.

Допуски для узкополосных спектров остаются без изменений. Дополнительного рассмотрения могут потребовать только участки сопряжения узкополосного и широкополосного спектров. Если эти участки содержат только одну или две спектральные линии, а разность между уровнями спектральной плотности ускорения для широкополосной и узкополосной вибрации велика, то для облегчения воспроизведения требуемой вибрации допуски на этих участках могут быть увеличены, что должно быть отражено в протоколе испытаний.

A.3 Сочетание широкополосного и узкополосного (с качанием частоты) случайных сигналов

Основной проблемой управления при возбуждении вибрации данного вида является необходимость согласовать скорость качания и эффективное время усреднения в цепи обратной связи. Если скорость качания высока, а время усреднения велико, то наблюдается эффект размытия спектральных линий, когда энергия из одной спектральной линии "перетекает" в соседние. При этом теряется прямоугольная форма спектра узкополосного сигнала, и система управления может остановить испытания вследствие того, что ряд спектральных линий выйдет за пределы допуска.

Система управления, формируя на выходе новую спектральную плотность ускорения, осуществляет усреднение, например экспоненциальное, по выборке значений из предшествующего сигнала, что позволяет обеспечить стабильность управления. Принимаемое при этом во внимание число степеней свободы зависит от коэффициента усиления в цепи обратной связи - чем меньше его значение, тем больший интервал времени необходим для существенного изменения оценки, т.е. тем стабильнее работает система.

При качании узкополосного сигнала предшествующие значения сигнала, входящие в выборку, используемую алгоритмом расчета оценки, могут быть достаточно высокого уровня, чтобы оценка спектральной плотности ускорения превысила пределы допуска с последующей остановкой испытаний. Этого можно избежать, увеличив коэффициент обратной связи, что эквивалентно уменьшению числа усредняемых значений (уменьшению эффективного времени усреднения в цепи обратной связи), но при этом может быть потеряна стабильность управления.

Таким образом, в каждом конкретном случае в отношении коэффициента обратной связи необходимо определять некоторое компромиссное значение.

Если лаборатория обладает соответствующим оборудованием, полезной может оказаться запись сигнала вибрации в точке управления для его последующей обработки с применением разных алгоритмов спектрального анализа. Это, конечно, никак не изменит условия уже прошедших испытаний, но позволит уточнить, какие именно условия испытаний были реализованы с последующим отражением этих условий в протоколе испытаний.

A.4 Сочетание широкополосного сигнала с гармоническим сигналом на фиксированной частоте

Выделение системой управления гармонической составляющей сигнала из ее смеси с широкополосным сигналом в общем виде представляет собой сложную задачу. Эта задача будет проще, если отношение амплитуды гармонического сигнала к среднеквадратичному значению случайного сигнала велико. С уменьшением данного отношения точность выделения гармонической составляющей может ухудшаться, как показано в следующем примере.

Пример - Для исследования были использованы цифровые системы управления трех типов. Параметры испытаний во всех случаях были неизменными.

Случайная вибрация:

- диапазон частот: 10 - 2000 Гц,

- уровень спектральной плотности ускорения (постоянный): 0,005; 0,01; 0,05g/Гц,

- разрешение по частоте (максимально возможное): 1 Гц,

- число степеней свободы (максимально возможное): 120.

Гармоническая вибрация:

- амплитуда: 5g_n,

- частота: 20; 160; 380 Гц.

Во время испытаний на постоянной частоте гармонической вибрации были использованы возбуждения при всех возможных сочетаниях уровня спектральной плотности ускорения и амплитуды гармонического сигнала в течение 60 с каждое.

Выходной сигнал системы управления подавался на устройство цифровой записи с частотой выборки 12,5 кГц. Эти данные передавались на компьютер для расчета спектральной плотности ускорения. При компьютерном анализе были использованы следующие значения параметров:

- диапазон частот: 10 - 2000 Гц,

- разрешение по частоте: 1 Гц,

- число степеней свободы: 120,

- длительность выборки: 60 с.

Примеры расчета графика спектральной плотности ускорения для одной из систем управления и разных частот возбуждения гармонической вибрацией изображены на рисунках A.1 и A.2.

Рисунок A.1 - Гармонический сигнал на частоте 160 Гц

Рисунок A.2 - Гармонический сигнал на частоте 380 Гц

В таблице A.1 приведены значения спектральной плотности ускорения на среднегеометрической частоте диапазона частот для всех измерений. По этим значениям рассчитаны среднеквадратичные значения ускорения и в последнем столбце приведены их отклонения, в процентах, от теоретического значения. Это отклонение может характеризовать качество воспроизведения гармонического возбуждения. Поскольку сравниваются только среднеквадратичные значения, никаких выводов о качестве воспроизведения формы синусоидального сигнала сделать нельзя.

Таблица A.1

Расчетная спектральная плотность ускорения на частоте

гармонического сигнала в его смеси с широкополосным

случайным сигналом

Для получения информации о том, насколько существенно отклонение от периодичности в возбуждаемом гармоническом сигнале, для каждого 5-секундного интервала сигнала вибрации была рассчитана функция автокорреляции. Примеры таких расчетов для двух разных уровней фонового случайного шума приведены на рисунке A.3.

1 - СПУ: ; 2 - СПУ: 

Рисунок A.3 - Автокорреляционная функция для смеси

случайного шума с гармоническим сигналом на частоте 160 Гц

После этого для каждого измерения были определены квадраты амплитуды для времени 5T автокорреляционной функции, где T - период гармонического сигнала. Эти значения указаны в таблице A.2. Отклонения, в процентах, от теоретического значения приведены в последнем столбце этой таблицы.

Таблица A.2

Расчетная автокорреляционная функция A для смеси

гармонического и широкополосного случайного сигналов

Такие расчеты применимы только в случае, когда возбуждение происходит на фиксированной частоте, точно совпадающей с одной из спектральных линий. Если такого совпадения нет, то наблюдается утечка мощности спектрального пика, которая может достигать 17% при попадании этой частоты точно посередине между спектральными линиями. Однако такая погрешность носит систематический характер и может быть компенсирована с помощью соответствующих алгоритмов.

A.5 Сочетание широкополосного сигнала с гармоническим сигналом с качанием частоты

Изложенное в разделе A.4 применимо и к вибрации данного вида. Более того, если частота гармонического сигнала изменяется, может появиться значительная дополнительная погрешность, в основном связанная с алгоритмом усреднения спектральной плотности ускорения, применение которого рассчитано только для чисто случайного сигнала. Такой алгоритм не позволяет оценить амплитуду гармонической составляющей изменяющейся частоты. Поэтому может потребоваться проведение анализа, при котором выделение гармонической составляющей представляло бы собой отдельный этап.

A.6 Сочетание широкополосного и узкополосного случайных сигналов с гармоническими сигналами на фиксированных и изменяющихся частотах

Такая форма возбуждения представляет собой самый сложный случай для анализа, поскольку дополнительную сложность придают не только возможные пересечения изменяющихся частот гармонических составляющих, но и пересечения узкополосных составляющих случайного сигнала.

Возбуждение данного вида рекомендуется применять только в случае крайней необходимости и только при участии опытных и квалифицированных специалистов. В противном случае достоверность и воспроизводимость результатов испытаний могут быть поставлены под сомнение.

Приложение B

(рекомендуемое)

РУКОВОДСТВО ПО ПРОВЕДЕНИЮ ИСПЫТАНИЙ

B.1 Вводные замечания

Обеспечение воспроизводимости результатов испытаний является не простой задачей. Вследствие статистической природы случайного сигнала, сложного отклика образца и погрешностей анализа невозможно с уверенностью предсказать, будет ли истинная спектральная плотность ускорения, воздействующего на образец, совпадать с наблюдаемой спектральной плотностью ускорения в пределах установленных допусков. Для этого необходим комплексный и требующий больших затрат времени анализ, который невозможно выполнить в реальном масштабе времени.

Характеристики большинства цифровых систем управления, которые могут быть использованы для проведения испытаний с сочетанием вибрационных воздействий разных типов, схожи между собой. Варьируя несколько выбираемых параметров системы управления, можно получить оценки статистической точности воспроизводимого движения, характеризуемой разностью между истинной и наблюдаемой спектральными плотностями ускорения. Окончательный выбор должен позволить свести эту разность (без учета других источников погрешности) к минимуму.

Коррекция исходной спектральной плотности ускорения является рекуррентной процедурой, реализуемой с помощью цепи обратной связи системы управления. При этом эффективное время усреднения сигнала в данной процедуре зависит от нескольких факторов, таких как состав аппаратуры, передаточная функция системы в целом, форма задаваемой спектральной плотности ускорения, алгоритм управления и параметры испытаний, которые должны быть выбраны до проведения этих испытаний. В число указанных параметров испытаний входят максимальная частота анализа, разрешение по частоте и уровень отсечки задающего сигнала.

Алгоритм управления случайной вибрацией должен обеспечивать компромисс между точностью управления и эффективным временем усреднения сигнала (быстродействием работы цепи обратной связи). Высокая точность управления предполагает увеличение числа данных, используемых в рекуррентной процедуре, и, соответственно, уменьшение быстродействия работы цепи обратной связи, т.е. замедление реакции на изменения реальной спектральной плотности ускорения. На точность управления и быстродействие цепи обратной связи влияет также выбранное разрешение по частоте. Обычно увеличение разрешения по частоте приводит к повышению точности управления, но уменьшает быстродействие цепи обратной связи. Чтобы уменьшить расхождение между истинной и наблюдаемой спектральными плотностями ускорения, необходимо подобрать оптимальные значения вышеуказанных параметров.

Исследования частотной характеристики образца позволяют получить важную информацию о характере взаимодействия образца и вибростенда. Например, в ходе такого исследования может быть обнаружено чрезмерно большое усиление вибрации устройством крепления образца или совпадение резонансов образца и устройства крепления.

В настоящем приложении, в первую очередь, рассмотрены вопросы, относящиеся к случайной составляющей возбуждения. В отношении гармонической составляющей возбуждения (качания частоты, скорости качания, использования следящих фильтров) можно руководствоваться рекомендациями ГОСТ 30630.1.2.

B.2 Требования к испытаниям

B.2.1 Одноточечное и многоточечное управление

B.2.1.1 Общие положения

Проверку соответствия требованиям испытаний проводят на основе значений контролируемого параметра, полученного в результате обработки сигнала в контрольной точке.

Для жестких или малогабаритных образцов, например компонентов оборудования, а также в том случае, если известно, что влияние образца, жестко закрепленного на вибростенде, на динамику системы в диапазоне частот испытаний невелико, достаточно выполнять измерения в одной проверочной точке, которая тем самым становится контрольной точкой.

В случае образцов больших размеров или сложной формы с далеко разнесенными точками крепления для управления используют одну из проверочных точек или воображаемую контрольную точку. В последнем случае спектральную плотность ускорения вычисляют по сигналам в нескольких проверочных точках. Для сложных или крупных образцов рекомендуется использовать управление по сигналу в воображаемой контрольной точке (см. 3.6.3).

B.2.1.2 Одноточечное управление

Измерения проводят в одной контрольной точке, и значение контролируемого параметра на каждой частоте непосредственно сравнивают с заданным.

B.2.1.3 Многоточечное управление

B.2.1.3.1 Общие положения

При необходимости осуществления многоточечного управления выбирают одну из двух стратегий управления.

B.2.1.3.2 Управление по среднему значению

Данная стратегия управления предполагает вычисление контролируемого параметра на каждой частоте для каждой проверочной точки, после чего для вычисленных значений на каждой частоте находят арифметическое среднее по всем проверочным точкам.

Полученные средние арифметические значения сравнивают с заданными значениями контролируемого параметра на каждой частоте.

B.2.1.3.3 Управление по экстремальному значению

При выборе данной стратегии управления значения контролируемого параметра на каждой частоте определяют как экстремальное значение в совокупности данных параметров, полученных для сигналов во всех проверочных точках. Таким образом, значения контролируемого параметра, по которому осуществляют управление, представляют собой огибающую значений контролируемого параметра, полученных для всех проверочных точек.

B.2.2 Вероятностные характеристики

B.2.2.1 Распределение мгновенных значений

Распределение мгновенных значений задающего случайного сигнала должно удовлетворять нормальному закону, описываемому формулой

(B.1)

где - плотность вероятности распределения мгновенного значения задающего сигнала;

- среднеквадратичное значение (стандартное отклонение) задающего сигнала.

Среднее значение случайного сигнала вибрации предполагают равным нулю.

Плотность вероятности распределения для совокупности случайных сигналов и сочетания узкополосного и широкополосного случайных сигналов показана на рисунке 2. Плотность вероятности распределения для сочетания гармонического и случайного сигналов показана на рисунке 4.

B.2.2.2 Пик-фактор

Пик-фактор характеризует распределение сигнала возбуждения как отношение максимального мгновенного значения сигнала к стандартному отклонению (см. также рисунок 2).

Данный параметр может быть использован только в отношении задающего сигнала, генерируемого на выходе цифровой системы управления испытаниями, поскольку нелинейности всей системы, включающей в себя усилитель мощности, вибростенд, устройство крепления и испытуемый образец, могут исказить форму сигнала в проверочной точке. Влияние данных нелинейностей в широком диапазоне частот устранить, как правило, невозможно.

В соответствии с настоящим стандартом значение пик-фактора должно быть не менее 2,5 (см. также 5.1.2). Если для задающего сигнала, распределенного по нормальному закону, уровень отсечки равен 2,5 стандартных отклонений, то приблизительно 99% данного сигнала попадет на усилитель мощности без искажений.

B.2.3 Спады на низких и высоких частотах

Настоящий стандарт предполагает, что спектральная плотность ускорения имеет прямоугольную форму (плоскую вершину) и все частотные составляющие расположены в диапазоне между частотами f₁ и f₂ (см. рисунок 1). Однако на практике возбуждаемый сигнал имеет спады спектральной плотности ускорения в областях низких и высоких частот. Чтобы среднеквадратичное значение оставалось как можно более близким к заданному, эти спады должны быть достаточно крутыми. Обычно крутизна спада в области низких частот равна 6 дБ/октава. Если значение спектральной плотности ускорения в точке велико, а возможности испытательной установки по допустимым значениям перемещения ограничены, это может потребовать увеличения крутизны спада в области низких частот. Расчеты перемещения для случайного сигнала приведены в B.2.4.

Как правило, динамический диапазон для двух соседних линий спектральной плотности ускорения при использовании цифровой системы управления испытаниями составляет 8 дБ. Для достижения большей крутизны спада может потребоваться увеличить разрешение по частоте (т.е. уменьшить значение B_e). Если это невыполнимо, а также в случае, когда увеличение крутизны спада не позволяет обеспечить снижение значений перемещения до допустимого уровня, следует рассмотреть возможность уменьшения нижней границы допуска для спектральной плотности ускорения на низких частотах.

В области высоких частот проблем с обеспечением крутизны спада не существует. На частотах выше f₂ крутизна спада должна составлять минус 24 дБ/октава и менее.

B.2.4 Расчет среднеквадратичных значений ускорения, скорости и перемещения

Среднеквадратичное значение ускорения, скорости или перемещения в эффективном диапазоне частот испытаний представляет собой квадратный корень из суммы средних квадратов значений этих величин в соответствующих поддиапазонах. Каждый из таких поддиапазонов определяется значением спектральной плотности ускорения S, (м/с²)²/Гц, образующих его спектральных линий на частотах f_n и f_n+1, Гц, шириной полосы частот между этими линиями (f_n+1 - f_n) и крутизной спада M, дБ/октава, спектральной плотности ускорения между соседними линиями. Ниже приведены формулы для расчета средних квадратов значений ускорения, скорости и перемещения.

Средний квадрат ускорения a², (м/с²)²:

для 

(B.2)

для M = -3

(B.3)

для M = 0

a₂ = S_n(f_n+1 - f_n). (B.4)

Средний квадрат скорости v², (м/с)²:

для 

(B.5)

для M = 3

(B.6)

Средний квадрат перемещения d², мм²:

для 

(B.7)

для M = 9

(B.8)

Вышеприведенные формулы справедливы, если на графике спектральной плотности ускорения, где обе координаты даны в логарифмическом масштабе, форма спектральной плотности ускорения образована прямыми линиями. В этом случае спад может быть определен по формуле

(B.9)

Для сигнала, представляющего собой смесь (подстрочный индекс MM) случайной (подстрочный индекс R) и гармонической (подстрочный индекс S) составляющих, среднеквадратичное значение (подстрочный индекс r.m.s.) ускорения определяют по формуле

(B.10)

а пиковое значение (подстрочный индекс amp) - по формуле

a_amp,MM = CFa_r.m.s.,R + a_amp,S, (B.11)

где CF - пик-фактор, обычно принимаемый равным трем.

B.3 Процедура испытаний

Целью испытаний на виброустойчивость является демонстрация способности изделия выдерживать воздействие вибрации и нормально функционировать при определенном уровне вибрационного возбуждения. Такое испытание должно продолжаться только в течение времени, достаточного для демонстрации образцом указанных способностей в заданном диапазоне частот. Длительность испытаний на вибропрочность, когда определяют способность образца противостоять кумулятивным эффектам вибрационного воздействия, таким как накопление усталости или механической деформации, должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить необходимое число циклов изменений механического напряжения, даже если при этом длительность испытаний не будет соответствовать требованиям 6.1.4.

При испытаниях на воздействие вибрации оборудование, которое в обычных условиях эксплуатации устанавливают на виброизоляторах, испытывают, как правило, вместе с виброизоляторами. Если испытать оборудование с его собственными виброизоляторами невозможно, например, если это оборудование смонтировано вместе с другим оборудованием с помощью общего крепления, допускается проводить испытания без виброизоляторов, но при другой степени жесткости условий испытаний, которая должна быть определена в соответствующем нормативном документе. Степень жесткости условий испытаний корректируют с учетом передаточных свойств виброизолирующей системы по каждому из направлений возбуждения вибрации. Если характеристики виброизоляторов неизвестны, следует руководствоваться рекомендациями B.4.1.

Соответствующим нормативным документом может быть установлено требование проведения дополнительного испытания образца со снятыми или блокированными наружными виброизоляторами для демонстрации соответствия некоторым минимальным требованиям по вибропрочности. В этом случае в нормативном документе должна быть указана степень жесткости условий данного испытания.

B.4 Оборудование, предназначенное для использования вместе с виброизоляторами

B.4.1 Передаточные свойства виброизоляторов

Изделия, которые при эксплуатации устанавливают на виброизоляторы, могут быть испытаны без них, в частности, когда динамические характеристики виброизоляторов нестабильны (например, изменяются с изменением температуры). В этом случае степень жесткости условий испытаний должна быть понижена с учетом диапазона изменений коэффициента передачи виброизоляторов. При коррекции степени жесткости условий испытаний учитывают нижнюю границу диапазона для каждого из направлений воздействия вибрации.

Если данные о передаточных свойствах виброизоляторов отсутствуют, то степень жесткости условий испытаний должна быть предметом согласования между исполнителем и заказчиком.

B.4.2 Влияние температуры

В состав многих виброизоляторов входят материалы, свойства которых зависят от температуры. Если собственная резонансная частота образца на виброизоляторах попадает в диапазон частот испытаний, следует проявлять осторожность в определении времени выдержки, в течение которого к образцу будет приложено заданное возбуждение. В ряде случаев нецелесообразно подвергать образец длительному возбуждению и следует предусмотреть перерывы для его восстановления. Если известно реальное распределение времени возбуждения изделия на данной резонансной частоте в процессе эксплуатации, следует попытаться смоделировать его в процессе испытаний. Если же такое распределение неизвестно, то испытания следует проводить, ограничивая длительность периодов возбуждения, чтобы избегать чрезмерного нагрева образца.

B.5 Степень жесткости условий испытаний

Заданные диапазоны частот испытаний, спектральные плотности ускорения широкополосной и узкополосной вибрации, амплитуды гармонических сигналов должны быть выбраны с таким расчетом, чтобы охватить широкий диапазон условий практического применения изделия. Если изделие предполагается использовать в строго определенных условиях, степень жесткости условий испытаний целесообразно задавать исходя из реальных характеристик вибрационного воздействия в этих условиях (когда такие характеристики известны).

По возможности следует выбирать степень жесткости условий испытаний, соотносящуюся либо с воздействиями, которым изделие может быть подвергнуто в процессе транспортировки или эксплуатации, либо с конструктивными требованиями к изделию, если целью испытаний является оценка его прочностных свойств.

При определении степени жесткости условий испытаний следует оценить, есть ли необходимость назначать их "с запасом" по сравнению с воздействиями в реальных условиях применения.

B.6 Характеристики оборудования

Нормативным документом может быть предписано, чтобы образец функционировал в процессе либо всего испытания, либо его части так, как он обычно функционирует на практике.

Если вибрация может повлиять на выполнение операций включения и/или выключения, например создавая помехи работе реле, следует предусмотреть неоднократное выполнение этих операций в процессе испытаний, чтобы убедиться в надежности их выполнения.

Если единственной целью испытаний является проверка стойкости изделия к воздействию заданной вибрации, то функциональные возможности образца оценивают после завершения испытаний.

B.7 Начальные и заключительные измерения

Начальные и заключительные измерения проводят с целью оценить, как повлияло на образец воздействие вибрации, созданной в процессе испытаний.

Помимо визуального осмотра эти этапы могут предусматривать измерение электрических и механических характеристик.