Испытательные стенды для машин и оборудования

Существует множество видов стендов для испытаний тех или иных объектов, поэтому даже краткий их обзор выходит за рамки этой статьи. В ней ограничимся испытательными стендами для агрегатов с вращающимися деталями, которые предоставляют возможность измерения крутящего момента, угла поворота и скорости вращения вала на холостом ходу и под нагрузкой, включая оценку точности данных не только по источнику крутящего силового воздействия, но и по крутящему (тормозящему) моменту нагрузки. В результате стенд из испытательного по отношению, например, к двигателю может легко трансформироваться в стенд, испытательный по отношению к имитатору реальной нагрузки, например, электрическому генератору тока.

Типичным для лаборатории, проводящей испытания серийных изделий, является стремление к максимальной универсальности стенда, чтобы на нем можно было проводить как статические, так и динамические испытания. Например, измерение крутящего момента и угловой скорости вращения. Определение упругой деформации и пластической деформации и угла скручивания до разрушения. Испытательная установка должна быть оборудована механической защитой от перегрузки. Это особенно важно при тестировании высокоскоростных двигателей или имитаторов противодействия вращающему моменту электромагнитного действия. Высокое разрешение угла поворота и регулируемая частота дискретизации при съеме выходного сигнала с датчиков в сочетании с защищенной от электрических шумов системы сбора и обработки данных с датчиков (измерений) позволяет кратно увеличить производительность труда операторов тест-системы, повысить качество работы.

Испытательные стенды требуют глубокой проработки...

Разработка стенда для тестирования оборудования с вращающимися деталями требует иногда предварительной углубленной экспертной оценки. Ясно, что придется иметь дело при измерениях с варьированием угловой скорости узлов установки. Это связано в реальной промышленной и исследовательской среде с применением инверторной техники изменения частоты электрического питания двигателей. Даже у лидеров этого направления (Сименс) не наблюдается при этом озабоченности по поводу высокого уровня создаваемых инверторами электрических помех. И это понятно. Массовый спрос на инверторные преобразователи частоты генерирует промышленность, а не испытательные/исследовательские лаборатории, которые должны позаботиться о подавлении помех самостоятельно. При этом нередко наши специалисты бывают вынуждены , если это разрешается технологическими схемами, оптимизировать прокладку силовых и измерительных кабелей на испытываемом объекте, так что заказчик благодарит наших специалистов за этот позитивный побочный эффект от выполненных работ по тестированию промышленного оборудования.Также возможна оптимизация помещения, в котором должен размещаться стенд. В частности, рабочее место оператора должно быть в стороне от возможной траектории полета фрагментов разрушающегося вращающегося агрегата. Должна быть обеспечена шумовая изоляция а также проверено на собственные частоты перекрытие/пол, на котором устанавливаются двигатели и имитаторы нагрузки.

Для всестороннего тестирования объекта нередко приходится отклоняться от линии на универсализацию стенда для более детального учета особенностей испытываемого оборудования. Например при тестировании трансмиссии мы проверяем все её компоненты и общую систему на наших испытательных специализированных стендах и в испытательных лабораториях. Особое внимание уделяется анализу роликовых подшипников, зубчатых передач и синхронизаторов. Выполняются тесты на функциональность и стабильность на отдельных компонентах и системе трансмиссии в целом. Поведение системы при ошибках человека, и даже оценка шума от работы системы. Опираясь на объективные критерии мы изучаем и оптимизируем удобство переключения передач вручную и удобство выбора автоматических трансмиссий.

Оборудование для испытаний двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

При испытаниях двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на первом месте стоят его эксплуатационные характеристики. Различные параметры, такие как расход топлива или свойства отработавших газов, обычно сопоставляются с крутящим моментом и скоростью вращения (и мощностью, являющейся произведением этих двух величин) и отображаются на карте характеристик тестируемого агрегата . Благодаря применению, например, гистерезисных тормозов можно имитировать самые различные условия работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в условиях лабораторных испытаний. Это позволяет моделировать его работу в реальных условиях и исследовать процессы горения смеси в условиях частичной и полной нагрузки в широком диапазоне скоростей вращения коленчатого вала. Некоторые заказчики интересуются при этом еще и действием присадок к топливу и маслам на работу двигателя. Испытательный стенд двигателя, используемый в исследовательских проектах, помогает ускорить развитие технологии ДВС. Поддержка исследовательских программ в этой области связана как с государственным, так и с корпоративным финансированием.

Для управляемой имитации нагрузки при испытаниях двигателей применяются различного вида электромагнитные, гидравлические и магнитопорошковые тормозные устройства. Наиболее востребованы тормоза с автономным охлаждением, например, гистерезисные BHB со встроенным компрессором. Надежность, долговечность и простота управления характерна также для гидравлического тормозного устройства, в котором энергия торможения передается закрученному потоку воды. Величина нагрузки пропорциональна потоку воды в устройство, регулируемому с высокой точностью сервоклапаном. Недостатком является необходимость подключения к водопроводу и расход воды, нагреваемой в процессе работы. Системы с использованием замкнутого цикла обращения воды сложны и громоздки. Применяются в испытательных стендах при небольших угловых скоростях (начиная с нулевой) и магнитопорошковые тормозные устройства, которые, как и индуктивные тормоза требуют водяного охлаждения. Соответствующие рубашки для охлаждающей жидкости предусмотрены конструкцией стенда испытания ДВС.

Мониторинг, или непрерывное тестирование объектов в полевых условиях

Задачи тестирования стоят рядом и даже переплетаются с задачами мониторинга узлов оборудования и промышленных установок в целом. Причиной повышенного внимания к таким системам является логичное желание переходить от жестких регламентных сроков вывода объектов из эксплуатации для ремонта к проведению ремонта по фактическому состоянию. Есть объекты, для которых плановые регламенты ремонта чреваты большими проблемами в случаях, когда объект не дотягивает до планового срока и выходит из строя, создавая серьезные проблемы для людей, инфраструктуры, транспорта, промышленности, экологии. В таких случаях испытательный стенд трансформируется в устройство непрерывного мониторинга объекта или его ответственного узла. Простым примером может служить непрерывный мониторинг состояния подшипников колесных пар железнодорожного транспорта. В идеальном случае, когда подшипники установлены строго идентично (узлы и гнезда обойм подшипников переднего и заднего колеса пары имеют одинаковые угловые координаты) сигналы вибрации от переднего и заднего колеса совпадают и разность их (при идеальности рельса) равна нулю. Отклонение от нуля является признаком ухудшения состояния одного из подшипников. Такое непрерывное тестирование состояния может заменить испытания подшипников на стенде, которое связано с затратными работами по разборке и сборке агрегата. (В реальности сигналы от переднего и заднего колеса всегда сдвинуты по фазе и этот сдвиг медленно меняется, что учитывается в устройстве мониторинга ).

Еще одним часто применяемым способом непрерывного тестирования узлов промышленного оборудования является использование реактивных датчиков крутящего момента. Они отличаются простотой и дешевизной, так как используют простейшие тензометрические схемы измерения силы и никак не связаны непосредственно с вращающимися деталями. Недостатком такого тестирования является искажение сигнала в области повышенных частот, так как масса двигателя играет демпфирующую роль. При низкочастотных и статических нагрузках испытательные стенды с реактивными датчиками имеют большие преимущества перед достаточно сложными датчиками крутящего момента типа TM, TF фирмы Magtrol с соответствующими муфтами.

Системы сбора и обработки данных, включая телеметрию, в стендовых и полевых испытаниях.

Активно развиваются и сложные модульные системы сбора и обработки данных измерений, производимых в процессах испытаний на стендах и в реальных условиях функционирования оборудования. Современная технология коммуникации позволяет системам, типа Cronos-SL вести тестирование/мониторинг объектов, расположенных за тысячи километров от оператора-испытателя в крайне неблагоприятных для человека

условиях и даже управлять этим процессом.

При тестировании на стенде оборудования с вращающимся валом, особенно, если речь идет о новых разработках, нужно обращать внимание на собственные вращательные частоты вала с присоединенными к нему двигателем и рабочим органом, например винтом судна. Резонансные частоты ограничивают угловые скорости вала, которые не должны приближаться к резонансам во избежание механических повреждений. Для нахождения собственных частот можно использовать технику модального анализа. Например, к валу прикладывают инверсионно-вращательное возбуждение и измеряют разность фаз в каких либо двух точках. Частота является собственной, если разность фаз не меняется со временем.

На практике картина гораздо сложнее. В валах поршневых машин (ДВС, компрессорах, лопатках турбин и насосов и др.) могут при их работе самовозбуждаться крутильные колебания. Источником возбуждения может быть изменение во времени как крутящего, так и тормозящего момента нагрузки. А это значит на практике - предпосылки для крутильных колебательных процессов существуют всегда. Но для валов конструктору легко уйти от опасных режимов работы увеличением диаметра без существенного влияния на функционирование машины, чего не скажешь о лопатках турбин или лопастей вертолетов. Опасность автоколебательных режимов угрожает тогда, когда собственные частоты торсионных колебаний приближаются к частотам классических изгибных колебаний. При проведении стендовых испытаний на эти явления нужно акцентировать внимание. При записи и обработке данных испытаний не обойтись без быстрого преобразования Фурье и спектрального анализа процессов.

Испытательные стенды и метрология.

 При выборе датчиков часто приходится обращать внимание на их присутствие в Госреестре средств измерений и только потом на цену.
Вопросы аттестации испытательных стендов обычно стоят на втором плане у исследовательских организаций, Старт-Ап-ов. Но они выходят на первый план при регулярном тестировании готовой продукции, мониторинге состояния узлов оборудования, приемочных испытаниях.
При подготовке и проведении испытательных работ необходимо ориентироваться на ГОСТ Р 51672-2000 «Метрологическое обесп. испытаний продукции для целей подтвержд. соответствия. Основные положения»;