Повышение устойчивости промышленного оборудования и автотракторной техники

Оценка устойчивости станочного оборудования и авто­тракторной техники. Для станочного оборудования, автотрак­торной техники и предметов небольших размеров, быстро об­текаемых ударной волной, наибольшую опасность представ­ляет напор воздуха движущийся за ее фронтом с достаточ­но большой скоростью. Зависимость Р_ск(ΔР_ф) приведена на рис.1. Действие скоростного напора на станки, автомашины, тракторы и другие предметы может привести: к смещению предмета относительно основания или к его отбрасыванию; к опрокидыванию предмета.

Предмет (станок, автомашины, трактор и др.) сдвинется со своего места (рис. 2), если смещающая сила F_см, будет пре­восходить силу трения F_тр и горизонтальную составляющую силы крепления F_кр, т.е.

F_см = С_x S Р_ск (14)

где - коэффициент аэродинамического сопротивления; S - площадь миделя обтекаемого предмета;

Сx_i, - коэффициент аэродинамического сопротивления i-й части предмета;

S_i, - площадь миделя этой части. Сила трения определяется по формуле

F_тр = fG = fmg (15)

где f - коэффициент трения; G - вес предмета; т - масса предмета; g - ускорение силы тяжести. F_кр - суммарное усиление болтов, работающих на срез. Для незакрепленного предмета: F_кр=0, тогда F_см > F_тр. Зная силу трения, можно найти Р_ск : Р_скС_x S > fG, откуда

Р_ск > fG / (С_x S) = fmg / (С_x S) (16)

Р_ск > fG / (С_x S) = fmg / (С_x S) (16)

Рис.1. Зависимость давления скоростного напора от избыточного давления

По величине Р_ск находим ΔР_ф, при котором происходит смещение предмета. Смещение станков, автомашин, тракто­ров и других предметов может сопровождаться их поврежде­нием, поэтому необходимо предусматривать их крепление к основанию. Если смещающая сила значительно превышает силу трения (F_см >> F_тр), то незакрепленные предметы могут отбрасываться на большие расстояния и степень повреждений будет высокой. Смещающая сила F_см, действуя на плечо h (рис. 3), будет создавать опрокидывающий момент (F_смh), а вес G на плече l/2 и реакция крепления на плече l - стаби­лизирующий момент. Условием опрокидывания закрепленно­го предмета является превышение опрокидывающего момента над стабилизирующим, т. е.

F_смh > G l/2 + Q (17)

Рис. 2. Схема приложения сил к предмету

Рис. 3. Схема приложения сил к закрепленному предмету

Для незакрепленного предмета F_см h > G l/2. Из неравенст­ва находим смещающую силу

F_см >l/h(G/2 + Q) (18)

или Р_ск >l/hС_x S(G/2 + Q), при Q=0

Р_ск> Gl/2hС_xS=mgl/2hС_xS (19)

По Р_ск определяем ΔР_ф, при котором происходит опрокидыва­ние предмета. Опрокидывание может привести к сильным по­вреждениям, поэтому надо предусматривать закрепление предмета

Повышение устойчивости радиоэлектронной и оптической аппаратуры

Оценка устойчивости аппаратуры к воздействию ударной волны. Для радиоэлектронной и оптической аппаратуры, имеющей в своем составе элементы, чувствительные к воздей­ствию ударных нагрузок, опасны большие ускорения, приобре­таемые этими элементами при действии ударной волны. Опре­делить ускорение различных элементов весьма сложно, поэто­му рассчитывается среднее ускорение, которое принимается за ускорение аппаратуры (прибора) под действием ударной нагрузки. Для оценки устойчивости прибора к ударной нагруз­ке целесообразно считать, что на него в первые доли секунды будут одновременно действовать сила от избыточного давле­ния ударной волны и сила давления скоростного напора. Сум­марная сила будет равна:

F_Σ = (ΔР_ф+Р_ск)S (20)

где ΔР_ф - избыточное давление во фронте ударной волны; Р_ск - давление скоростного напора; S - площадь стенки прибора, на которую действует сила F_Σ. Известно, что сила инерции (F_и) равна сумме действующих сил и реакций связи (для не­закрепленного прибора - это сила трения):

F_и = ma = F_Σ - F_тр (21)

где m - масса прибора; a - ударное ускорение; F_тр - сила тре­ния. Учитывая, что F_тр << F_Σ, можно записать:

F_и = F_Σ = ma (22)

Обычно для всех приборов допустимая величина ускорения задается (рассчитывается) и отмечается в техническом паспорте на прибор. В некоторых случаях может задаваться допусти­мая величина перегрузки, равная n_доп = a_доп /g, где g - уско­рение свободного падения тела; a_доп - допустимое ускорение. Зная допустимое значение перегрузки, массу прибора и его размеры, можно определить допустимую суммарную силу

F_доп = ma_доп (23)

Далее находим допустимое давление, при котором прибор не разрушится и не получит существенных повреждении:

ΔP_доп = F_доп /S (23)

Рис. 4. Зависимость допустимого давления ΔP_доп от избыточного давления ΔP_ф

По величине ΔP_доп, используя график (рис.4), находим ΔP_ф, которое соответствует допустимому давлению. Прибор будет работать устойчиво, если ΔP_ф.доп ≥ ΔP_ф, где ΔP_ф - избыточное давление, действующее на прибор.

Оценка устойчивости аппаратуры к воздействию тепло­вого (светового) излучения. Основным параметром, характе­ризующим поражающее действие теплового излучения, явля­ется тепловой импульс U_т(Дж/м²). Величину теплового им­пульса можно рассчитать.

Критерием устойчивости радиоэлектронных и оптических приборов и систем к воздействию теплового излучения явля­ется максимальная величина теплового импульса, при ко­торой не происходит нарушения функционирования прибора или системы. Радиоэлектронные и оптические приборы разме­щены в корпусах (кожухах) и эксплуатируются преимущест­венно в помещениях. Поэтому аппаратура от непосредственного воздействия теплового излучения защищена. Однако по­мещения, в которых она расположена, могут быть выполнены из сгораемых материалов и под действием теплового излу­чения загореться. В результате произойдет нагрев аппаратуры, возможна засветка оптических приборов. Оценка вероятности загорания помещений и элементов аппаратуры производится с помощью табл.2-4 и 6.

Для оценки вероятности сбоя в работе аппаратуры вслед­ствие повышения температуры корпусов блоков и приборов можно использовать зависимости 2.11,2.12,2.20, 2.21.

Величину светового импульса U_с, необходимую для на­несения предмету той же степени поражения, какая может быть нанесена ему взрывом с тротиловым эквивалентом q₂ можно определить из выражения

(25)

где U₁, - известная величина светового импульса для нанесе­ния той же степени поражения, что и взрывом с тротиловым эквивалентом q₁,.

Для оценки устойчивости работы радиоэлектронных и оптических приборов и систем к воздействию светового излу­чения необходимо:

1) изучить условия эксплуатации аппаратуры. Выделить приборы, расположенные открыто или в сооружениях из сго­раемых материалов;

2) провести анализ элементов открыто расположенных приборов и выделить в них детали из сгораемых материалов и не защищенные корпусом прибора светоприемники, которые могут подвергнуться прямому воздействию теплового (свето­вого) излучения;

3) определить вероятность загорания сооружения, в кото­ром эксплуатируется исследуемая аппаратура. Оценить вероятность загорания элементов открыто расположенных приборов, выхода из строя их светоприемников, повышения температуры внутри блоков выше допустимой. Выделить на­именее устойчивые элементы.

По результатам оценки разрабатываются мероприятия по повышению устойчивости наименее устойчивых элементов прибора или прибора в целом.

Оценка устойчивости аппаратуры к воздействию электро­магнитного импульса. Для оценки устойчивости работы радио­электронной и другой аппаратуры существует ряд методик. Все методики позволяют произвести оценку устойчивости лишь приближенно. Для практического использования можно рекомендовать довольно простую методику. Пользуясь ею, требуется соблюсти два условия:

- оценку устойчивости работы аппаратуры производить только по электрической составляющей поля, так как

W_E >> W_H (26)

где W_E - электрическая составляющая поля; W_H - магнитная составляющая поля;

- для оценки уровня устойчивости элементов схемы ис­пользовать данные об этих уровнях, но с введением поправки К_п, учитывающей конкретные условия работы элементов в исследуемой схеме.

Величины W_E и W_H можно рассчитать по следующим фор­мулам:

(27)

(28)

где R_об = l/2πr_обσh - омическое сопротивление оболочки ци­линдрической формы, имеющей стенки толщиной h с проводи­мостью σ;

θ_об = R_обC_об = ε₀r_об / 2σh - постоянная времени оболочки; C_об = πε₀r_об / l - емкость оболочки; (l - длина обо­лочки (или ее части), находящейся в продольном электри­ческом поле; E₀ - напряженность электрического поля в мо­мент времени t; r_об - радиус оболочки; ε₀ - диэлектрическая проницаемость среды; μ₀ - магнитная проницаемость среды; μ_об - магнитная проницаемость материала оболочки; H_м.о - максимальная амплитуда импульса напряженности магнитно­го поля прямоугольной формы; τ_и – длительность импульса.

Критерием устойчивости работы электронных систем при воздействии электромагнитного импульса (ЭМИ) является ма­ксимальная величина энергии, поглощенная функциональны­ми элементами системы, при которой не происходит наруше­ние функционирования системы. В общем случае для оценки устойчивости работы аппаратуры необходимо оценить энергию ЭМИ, поглощенную системой, и сравнить ее с той величиной энергии, при которой аппаратура перестает нормально функ­ционировать. В нашем случае можно рекомендовать следу­ющий порядок оценки:

1) проводят анализ электронной системы с целью выявле­ния в ней чувствительных к ЭМИ элементов и определяют дли­ны линейных проводников, связанных с этими элементами. Данные анализа представляют в виде табл.2;

Таблица 2. Элементы, чувствительные к электромагнитному импульсу

Обоз-наче­ние по схеме	Элемент	Порог устойчи-вости, Пкр, Дж	lэ, мм	lл, мм	Kп	Порог устой­чивости в схеме, Пкр, Дж	Приме-чание
T1	Транзистор (рnр)	6•10-5	15	50	20	3•10-6
D1	Диод высоко частотный (кремниевый)	10-7	10	15	6	1,7•10-8	Наименее устойчив
С1,	Конденсатор керамический	10-5	10	45	30	3•10-7
R	Резистор и т.д.	10-2	15	80	40	2,5•10-4

2) определяют поправочные коэффициенты К_п по формуле

К_п = [(l_э +) / l_э]² (29)

где l_э - наибольший линейный размер элемента; l_л - размер неэкранированного линейного проводника, связанного с эле­ментом. В том случае, когда элемент защищен сплошным ме­таллическим экраном, коэффициент К_п следует принимать равным 1/Э². Э - эффективность экрана - определяется по следующей формуле:

Э = l^h/δ [0,5 + D / (2,8 К_э μ_r δ)] (30)

где h - толщина стенок экрана, м; δ - эквивалентная глубина проникновения, м; D - длина прямоугольного или диаметр цилиндрического и сферического экранов, м; μ_r - относитель­ная магнитная проницаемость; К_э - коэффициент формы экра­на (для прямоугольного К_э = 1; для цилиндрического К_э = 2 и для сферического К_э = 3);

3) определяют пороги устойчивости выявленных элементов П_кр.сх:

П_кр.сх = П_кр / К_п (31)

где П_кр - табличное значение порога устойчивости для данного элемента. Все эти данные заносятся в табл.2, затем производится ее анализ и выявляются наименее устойчивые элементы в системе (аппаратуре).

Затем разрабатывают предложения по повышению устой­чивости при воздействии ЭМИ.

Тестовые вопросы