Нагрузочные устройства для создания динамических воздействий.

 

1. Классификация динамических нагрузок.

 

1. Динамические нагрузки бывают детерминированными (неслучайными) и случайными.

Детерминированные нагрузки возникают при работе механизмов с неуравновешенной массой вентиляторов, молотов, электродвигателей, генераторов, кривошипно-шатунных механизмов и т. д. К стандартным случайным нагрузкам относятся ветровые нагрузки на высотные сооружения, волновые нагрузки на морские основания и др.

2. Динамические нагрузки бывают неподвижные и подвижные. К неподвижным нагрузкам относятся воздействия на здания стационарно установленного оборудования. К подвижным относятся воздействия на строительные конструкции от работы подвесных и мостовых кранов, электрокаров, подвижного состава, а также от перемещения людей.

3. По характеру изменения нагрузок во времени различают непериодические, импульсные, периодические, гармонические (рис. 2). Ударная нагрузка имеет особый характер.

К непериодическим нагрузкам можно отнести воздействие на строительные конструкции взрывных нагрузок - горение газовой смеси, взрыв взрывчатых веществ и т. п.

Ударной нагрузкой считается воздействие на конструкцию или здание другой массы, когда конструкцию или здание другой массы, когда учитывают взаимодействие двух и более соударяемых тел.

Рис. 2. Характерные типы динамических нагрузок: а - непериодические, б -импульсные, в - периодические, г - гармонические.

 

2. Нагрузочные устройства для создания динамических нагрузок..

 

Для приложения динамических нагрузок применяют следующие методы: механические, пневматические, гидравлические, электрические, электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические.

Для образования динамических воздействий циклического характера механическими способами на конструкции, расположенные на вибростендах, вибростолах, виброплатформах, используют центробежные и кривошипные механизмы. Скоростные и ударные нагрузки получают при использовании гравитационных, маятнико-гравитационных и других механизмов.

Пневматический способ заключается в применении энергии сжатого газа, получаемой при взрыве или путём предварительного сжатия объёмов газа. Для получения циклических нагрузок используют струйные автоколебательные и объёмно-струйные устройства. Скоростные воздействия образуют объёмно-аккумуляторными и взрывчатыми системами.

Гидравлические способы основаны на применении механизмов преобразования получаемой извне энергии в энергию сжатой жидкости. Динамические воздействия можно создавать с помощью электрожуравлических усилительных систем. Скоростные и ударные нагрузки осуществляют объёмно-аккумуляторными, маховиково-насосными, циркуляционными устройствами.

Электрические методы в основном используется при создании циклических нагрузок. Электромагнитные возбудители колебаний создают силу в результате взаимодействия ферримагнитного якоря с переменным магнитным полем.

Электродинамические возбудители колебаний создают переменную силу в результате взаимодействия проводника, по которому протекает переменный ток, с постоянным магнитным полем.

Магнитострикционные возбудители колебаний представляют собой стержни из магнитострикционных материалов (ферриты, никель и др.) с обмоткой.

В магнитострикционных возбудителях энергия магнитного поля преобразуется в энергию механический колебаний.

Пьезоэлектрические возбудители колебаний основаны на обратном пьезоэффекте, т. е. на возникновении механических деформаций при действии электрического поля. Пьезоэлектрические эффекты проявляются в таких материалах, как кварц, сульфат лития, сульфоиодид сурьмы, титанат бария, сегнетова соль и др.

Схема возбудителя колебаний при использовании кривошипно-шатунного механизма представлена на рис. 12.

Рис. 12. Схема возбуждения колебаний кривошипно-шатунным механизмом: АВ - шатун, АО - кривошип, С - пружина, м - масса испытуемого объекта, М - масса платформы.

Если длинны шатуна АВ достаточно велика по сравнению с длинной кривошипа OA, то точка В совершает гармоническое движение.

Достоинством данной системы является простота исполнения, недостатком - возможность использования лишь при стационарных режимах. Такие установки в основном используются при испытании моделей на вибростолах и видроплатформах.

При испытании реальных конструкций широко применяются механические вибраторы с центробежным возбуждением.

Недостатком вибрационных систем механического действия является их большая масса и сложность их крепления к строительным конструкциям в натуральных условиях.

На рис. 13 представлены три типа механических вибраторов с разными направлениями возмущения: а - ненаправленного типа, б - уравновешенная система, в - с неуравновешенными массами.

Рис. 13. Схемы вибрационных машин.

 

Механические вибромашины обладают существенными инерционными свойствами, что ограничивает область их применения при создании периодических возмущений негармонического характера, а тем более случайных возмущений.

Создание удара гравитационными силами показано на рис. 14.

Рис. 14. Схемы возбуждения колебаний гравитационными силами.

 

В первом случае груз свободно падает с заданной высоты Н на подкладку, защищающую конструкцию от местного разрушения.

Во втором случае груз при падении внезапно передаёт нагрузку на конструкцию. В обоих случаях масса грузов должна быть значительно меньше массы конструкций для того, чтобы не искажать их динамические характеристики.

Горизонтальные динамические колебания можно производить баллистическим маятником (в). Возможна схема (г), когда конструкция первоначально отклоняется от состояния равновесия, а затем внезапно освобождается от связей перерезанием троса 1. Такой вариант приложения гравитационного воздействия позволяет определять соответствующие формы и частоты колебаний в конструкциях.

Динамические колебания можно образовывать с помощью плунжерного гидропульсатора (рис. 15).

Рис. 15. схема плунжерного гидропульсатора: 1 - кривошип, 2 -цилиндр пульсатора, 3 - плунжер, 4 - аккумулятор.

 

При вращении кривошипа (1) со скоростью и из цилиндра (2) гидропульсатора вытесняется жидкость, приводящая в движение плунжер (3). В гидравлическую цепь для регулирования динамических характеристик подсоединяют аккумулятор (4).

Несколько по другому принципу создаёт колебания роторный пульсатор (рис. 16).

Принцип работы роторного гидропульсатора заключается в том, что по двум гидравлическим каналам (4) с помощью ролотникового распределителя (6) и стандартного кольца (7) создаётся избыточное давление и вакуум, а с помощью аккумулятора (3) - знакопеременное возбуждение. Роторный пульсатор (5) соединён с коробкой гидроцилиндра (1), который приводит в движение массу М (2), создавая внешнее воздействие гидравлическими силами на строительную конструкцию, например балку или ферму или ее фрагмент.

В лабораторных условиях при испытаниях конструкций применяется взрывной способ для получения кратковременных динамических воздействий. На рис. 17 представлена схема взрывной камеры, где кратковременная нагрузка на объект производится путём взрыва тротила или другого взрывчатого вещества (1).

По мере удаления ударного фронта от места взрыва давления в камере выравнивается и испытуемая конструкция (3) воспринимает равномерное давление (2).

Для получения давления, изменяющегося во времени, на пути взрывного фронта устанавливаются диафрагмы, разрушаемые давлением.

На рис.18 проиллюстрированы две схемы возбуждения колебаний электромагнитным способом. На схеме (а) представлен возбудитель, в котором отсутствует поляризация участков магнитопровода (3), на схеме (б) поляризация осуществляется пропусканием постоянного тока через одну из обмоток.

Рис. 18. Схемы электромагнитных возбудителей колебаний: 1 - рабочая масса, 2 - система подвеса, 3 - магнитопривод.

 

В электродинамическом возбудителе колебаний (рис.19) переменная сила образуется за счёт взаимодействия проводника (1), по которому проходит переменный ток с постоянным магнитным полем, создаваемым катушками подмагничивания (2). Рабочая масса испытываемого объекта (3) опирается на систему подвеса (4), которая крепится к корпусу (5). Центрирование массы конструкции обеспечивается с помощью керна.

Рис.19 Схема возбуждения колебаний электродинамическим способом: 1 - проводник с переменным током, 2 - магнитные катушки, 3 - объект, 4 -система опоры (подвеса), 5 - корпус, 6 - керн.

Гидравлические и электрические методы применяются для образования детерминированных и случайных воздействий. Схема получения таких динамических нагрузок с использованием современных информационных технологий ЭВМ представлена на рис. 20.

Рис. 20. Блок - схема создания динамических нагрузок.

 

В лабораториях применяют вибростенды, на которых возможно получение линейных колебаний по направлению трёх координатных осей и вращательные колебания вокруг них.

Лабораторная работа № 4