Покорение ускорения

Покорение ускорения

26 Июля 2018

Александр Кисин,
заместитель руководителя
отдела испытательного оборудования
Александр Кисин, заместитель руководителя отдела испытательного оборудования
aikisin@dipaul.ru

Испытательные центрифуги. Проблемы выбора и эксплуатации

Все, что взлетает или приземляется, испытывает воздействие линейного ускорения. В условиях производственного предприятия такое ускорение проще всего имитируется с помощью центрифуги.

Центробежная сила, возникающая при равномерном вращении тела вокруг какой-либо оси, — одна из тайн мироздания, которую пока так и не смогли толком объяснить. В самом деле, Луна вращается вокруг Земли в пустоте. Казалось бы, на наш спутник действует только сила притяжения Земли, и потому Луна должна упасть на поверхность нашей планеты. А она не падает, поскольку каким-то образом при вращении возникает компенсирующая центробежная сила, и летит себе Луна, покоряя пространство и время. Впрочем, давайте в отличие от Луны спустимся на землю и рассмотрим актуальную задачу о выборе центрифуги для испытаний.

Центрифуги производят в больших количествах и разных видов: маленькие лабораторные используются в микробиологии для фильтрования; технологические — для разделения фракций в химическом производстве; прецизионные — для калибровки датчиков; центрифуги огромных размеров предназначены для медицинских и космических исследований; испытательные — для проверки работоспособности изделий в условиях воздействия высоких ускорений. О последних и пойдет речь в статье. От прецизионных собратьев их отличают, прежде всего, сравнительно низкие требования к погрешности поддержания угловой скорости (±0,5–2%) и невысокая цена.

Покорение ускорения Покорение ускорения

Рис. 1. Типичные конструкции испытательной центрифуги

Требования к испытательной центрифуге

Испытания на воздействие линейным ускорением регламентируются рядом документов. Так, в ГОСТ Р 51805-2001 «Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Испытания на воздействие линейного ускорения» приводятся требования к диапазонам ускорений при испытаниях изделий некоторых видов (табл.).

Таблица. Требования к диапазонам ускорений при испытаниях изделий некоторых видов

Ускорение, м/с2 Пример применения
30–100 Обычный уровень испытаний изделий, предназначенных для самолетов
50–200 Предельный уровень испытаний изделий, предназначенных для самолетов
100–1000 Обычный уровень испытаний изделий, предназначенных для космической техники
1000–5000 Испытание для проверки прочности конструкции в процессе производства полупроводниковых приборов, интегральных схем и других подобных изделий

В другом документе, ГОСТ 30630.1.4-2002 «Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Испытания на воздействие линейного ускорения» описывается метод испытаний (метод 107). Суть его в следующем.

Изделие располагают на столе центрифуги таким образом, чтобы отклонение значений ускорения в любой точке изделия (включая гибкие выводы) относительно его центра масс или геометрического центра вращения не превышало +10% от значения ускорения в контрольной точке. Контрольную точку, относительно которой рассчитывают радиус оси вращения изделия, выбирают в центре стола центрифуги. Испытания проводят путем воздействия на изделие линейного ускорения, чье значение должно соответствовать требованиям ТУ. Продолжительность испытания составляет 3 мин в каждом направлении (в двух противоположных положениях). В процессе испытания ведется контроль параметров изделия.

Таким образом, очевидны основные параметры испытательной центрифуги:

  1. Максимальное линейное ускорение;
  2. Максимальный радиус размещения образца;
  3. Допустимое отклонение линейного ускорения от заданного значения. При линейных размерах изделия меньше 10 см оно не должно превышать 10%. В других случаях ускорение должно находиться в пределах –10…+30% от заданного значения;
  4. Длительность испытаний. При испытаниях для изделия наиболее критично воздействие во время нарастания ускорения, поэтому сама длительность воздействия с заданным линейным ускорением может быть небольшой;
  5. Длительность разгона (нарастания) — τн и торможения (спада) — τс;
  6. Число контактных колец и их параметры для осуществления контроля состояния изделия в процессе испытания.

Казалось бы, если задано линейное ускорение, на котором следует проводить испытания, его допустимая погрешность, известны габариты и масса образца, требования к его подключению (число контактов, их допустимый ток и напряжение), остается только выбрать оборудование, приобрести его, установить и начать испытания. Но все не так просто, поскольку купленное оборудование может сделать «сюрприз», не обеспечив нужных параметров в созданных условиях эксплуатации.

Рассмотрим причины «капризного» поведения центрифуг.

Покорение ускорения

Рис. 2. Испытательная центрифуга в процессе производства

Дисбаланс ротора

Если не рассматривать случаи явного брака, когда у изделия нарушена балансировка незагруженного ротора, то заурядная несимметричность загрузки центрифуги вызывает появление соответствующей центробежной силы, приводящей к деформации вала, что в свою очередь становится причиной его периодических биений. В том случае, когда частота биений совпадает с собственной частотой колебания вала, возникает резонанс. Соответствующее частоте резонанса число оборотов вала называется критическим. Центрифугам присуще наличие эксцентриситета масс загруженного ротора относительно оси вращения, так как добиться идеальной симметрии загрузки невозможно. Для обеспечения правильной работы центрифуги необходимо, чтобы рабочая скорость была достаточно далека от критических скоростей, вычисленных для положительной и отрицательной прецессий. Эта скорость должна находиться либо вне интервала вычисленных критических скоростей, либо внутри него.

Аэродинамическое сопротивление конструкции

На величину аэродинамического сопротивления влияет форма ротора и испытуемых изделий (с приспособлениями для их размещения), пространство помещения для центрифуги, а также структура потока обтекающего конструкцию воздуха (ламинарный или турбулентный).

Для анализа аэродинамического сопротивления целесообразно выделить следующие основные варианты конструкции ротора и образцов.

  1. Вся несущая конструкция ротора, а также приспособления для установки изделий и сами изделия остаются открытыми. Результат — плохая обтекаемость, проявляющаяся в общих и местных срывах потоков, сходах вихрей, пульсациях поверхностных давлений воздуха и т. п. Все внешние поверхности находятся под воздействием аэродинамических сил, что помимо потерь энергии приводит к повышенным шумам. Переменные аэродинамические и акустические воздействия могут вызывать нарушения работы испытуемых объектов, если в них размещается действующая во время испытаний чувствительная аппаратура.
  2. Несущая конструкция имеет обтекаемую форму. Это возможно, когда тонкостенная оболочка ротора одновременно является и несущей конструкцией, и оболочкой, формирующей внешнюю гладкую выпуклую поверхность ротора как поверхность вращения. Значительные преимущества подобной конструкции достигаются, когда объект испытаний также размещается внутри подобной оболочки.
  3. Не обтекаемая, несущая конструкция ротора, приспособление для установки объекта и сам объект испытаний накрыты общим кожухом. Кожух крепится к основной несущей конструкции, имеет обтекаемую форму и полностью накрывает всю конструкцию. Возможен вариант, когда кожух закрывает только периферийную часть ротора, дающую наибольший вклад в аэродинамическое сопротивление. Как вариант, возможно использование отдельных обтекателей для частей не обтекаемой несущей конструкции. Например, для испытаний крупногабаритных объектов можно закрывать обтекателем только объект с крепежным приспособлением — важной составляющей аэродинамического сопротивления.

Таким образом, если основной вклад в аэродинамическое сопротивление вносит установочное приспособление, то для уменьшения его лобового сопротивления желательно применить обтекатель. Его использование может в 3–5 раз уменьшить действие аэродинамических сил. Это особенно эффективно, если именно лобовое сопротивление объекта испытаний вносит основной вклад в затраты мощности. Однако применение обтекателей связано с определенными трудностями. На обтекатель действуют большие центробежные силы, соответственно, его конструкция должна быть достаточно прочной и жесткой. Это же касается средств крепления обтекателей. Кроме того, конструкция обтекателя должна быть быстроразъемной, вследствие чего не может быть выполнена в виде жесткой замкнутой (или почти замкнутой) оболочки. Важно также, что статическое и динамическое уравновешивание роторов должно осуществляться вместе с обтекателями.

Пространство для размещения центрифуги

Организация такого помещения требует тщательной подготовки. Как правило, в целях безопасности мощные центрифуги размещают в бункере (приямке) и полностью погружаются ниже уровня пола помещения. Основание центрифуги крепятся к полу приямка анкерными болтами. Поверхность пола должна быть очень ровной (уклон — не более 2:1000). Существенное влияние на работу центрифуги оказывают аэродинамические потери, связанные с ограниченностью пространства приямка. Может случиться так, что не удастся достичь нормативного ускорения, указанного в документации на центрифугу, из-за нехватки мощности для компенсации этих потерь. Например, даже для наилучшей формы ротора — в виде гладкого диска — без учета дополнительных потерь от приспособлений с образцами и других факторов мощность двигателя, расходуемая на аэродинамические потери, составляет десятки киловатт. Аэродинамическая мощность потерь особенно велика в высокоскоростных центрифугах с большим плечом ротора. К этому добавляется значительный негативный эффект в виде сильного нагрева вращающихся частей центрифуги.

Традиционны следующие варианты размещения центрифуг.

  1. Центрифуга устанавливается не в отдельном помещении, а на огражденной площадке. Ротор центрифуги не имеет собственного жесткого ограждения, пульт управления и регистрирующая аппаратура находятся за ограждением. Такой вариант допустим только для тихоходных центрифуг с максимальной окружной скоростью до 5 м/с.
  2. Ротор центрифуги не имеет собственного жесткого ограждения и находится в отдельном помещении здания. Стены помещения имеют защиту от срыва объекта испытаний.
  3. Ротор центрифуги закрыт специальным аэродинамическим кожухом или центрифуга находится в специальном приямке.
Покорение ускорения

Рис. 3. Размещение центрифуги в приямке

Структура воздушного потока

Течение воздуха чаще всего бывает турбулентным, отличается завихрениями и срывами пограничного слоя, что вызывает значительные пульсации давления и переменные составляющие сил сопротивления.

Наиболее сложным является случай, когда ротор центрифуги представляет собой балку переменного сечения, помещенную в кожух (камеру) или приямок. Конструкция балки может быть двустороннесимметричной или несимметричной, что обусловливает существенные различия обтекания. Для снижения турбулентности потока обтекания ротора центрифуги, вращающегося на большом удалении от стенок камеры, возможны различные конструкторские решения. Одно из них, сравнительно просто реализуемое, состоит в установке поперечных перегородок по дугам окружностей (рис. 1), препятствующих радиальному перетеканию воздуха.

Рис. 4. Размещение поперечных перегородок на роторе центрифуги

Выводы

Выбор центрифуги следует делать, руководствуясь не только параметрами испытаний, но и анализом конструкции объекта испытаний, оценкой необходимости применения обтекателей и специальных технических решений, снижающих аэродинамическое сопротивление, а также продуманным выбором помещения для размещения оборудования. При выборе конкретной модели желателен запас по мощности, если нет полной уверенности в правильности результатов проведенного анализа. Очень важно максимально сбалансировать ротор и по возможности проверить расчетом скорость вращения, чтобы избежать резонанса.