3410

УДК. 621.396

МЕТОДИКА ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ АМОРТИЗАТОРОВ С УЧЕТОМ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Е.А. Середа, А.В. Турецкий, Ю.В. Худяков

Вдостаточно сложных условиях эксплуатации амортизированной радиоэлектронной аппаратуры предъявляются жесткие требования к надежности

ееработы, что устанавливает ограничения в выборе используемых амортизаторов. Конструкции и материалы, из которых изготавливают детали амортизаторов должны обеспечивать надежную защиту аппаратуры от внешних механических воздействий.

Встатье рассматриваются основные конструктивные особенности амортизаторов, применяемых на малогабаритных радиоэлектронных средствах.

Ключевые слова: амортизатор, нагрузка, механический анализ.

На радиоэлектронную аппаратуру различного рода, и, соответственно, на детали, которые входят в конструкцию, всегда оказывают влияние механические нагрузки, что оказывает существенное влияние не только на работающие блоки радиоэлектронной аппаратуры, но также и на устройства, находящиеся в нерабочем состоянии, к примеру, при транспортировке. Введение амортизаторов уменьшает амплитуду колебаний и ударов, что снижает механические силы, воздействующие на РЭА.

Амортизаторы должны обеспечивать надежную защиту аппаратуры от воздействия ударов и вибрации при определенных окружающих условиях, должно учитываться воздействие морского тумана, росы, инея, грибков плесени, паров горюче смазочных материалов и пыли.

Рассмотрим основные типы амортизаторов, применяемых для виброизоляции радиоэлектронной аппаратуры [2].

Амортизаторы пластинчатые типа АП (рис. 1) обладают высокой чувствительностью к воздействию низких температур, они способны обеспечивать защиту радиоэлектронной аппаратуры в интервале температур от-45 до + 80°С, но при этом обладают малой вибропрочностью. При использовании амортизато-

91

ров данного типа в вертикальном направлении виброизоляция аппаратуры начинается с 25 Гц, при достижении амплитуды вибраций не более 0,5 мм. Удовлетворительной виброизоляции аппаратуры с помощью данных амортизаторов можно достичь на частотах от 100 Гц и выше.

Рис. 1. Амортизатор типа АП

Далее рассмотрим равночастотные демпфированные амортизаторы типа АД (рис. 2). Собственная частота амортизаторов в процессе использования составляет от 8 до 10 Гц.

Виброзащита при использовании в нормальных условиях, в зависимости от номера серии амортизатора, начинается с частоты 12 Гц при минимальной амплитуде вибрации 0,5мм. Интервал рабочих температур данного типа амортизаторов со- ставляет-60- +70° С.

Рис. 2. Амортизатор типа АД

Амортизаторы пространственного нагружения типа АПН, изображенные на рис. 3, осуществляют работу в условиях любого направления вибрации на частотах от 30 до 200 Гц при максимальном ускорении 15 g, ускорении удара до 12 g, а также линейном ускорении до 15g.

92

Рис. 3. Амортизатор типа АПН

Работоспособность амортизатора сохраняется в интервале температур60 … +150° С привлажности до 98%. Долговечность работы амортизаторов составляетне менее 500 час без учета времени покоя (без нагрузки).

Амортизаторы типа АКСС (рис. 4), работающие при температуре от -10 до +70 °С, возможнакратковременная работа (не более 1 ч и не чаще одного раза в месяц) от -10 до +100 °С, а также могут находиться при температуре до -40 °С в нерабочем состоянии.Так же данные амортизаторы предназначены для работы в вибрационном режиме с частотами до 50 Гц и амортизирующими амплитудами до 0,2 мм.

Рис. 4. Амортизатор типа АКСС

Тросовые амортизаторы, изображенные на рис. 5, рассчитаны на номинальные нагрузки от 1 до 55 кг в различном

93

интервале жесткости, а также способны работать на частотах до

2500 Гц.

Рис. 5. Тросовый амортизатор

При разработке новых тросовых виброизоляторов используют полимерно-углеродные нанокомпозиты, в основе которых лежат кремнийорганические смолы. Прочность этих композитов сопоставима с алюминиевыми сплавами, а также они имеют широкий интервал рабочих температур от -72°С до +144°С. Амортизаторы, изготовленные из вышеназванных материалов, имеют значительно меньшую массу и обладают повышенной стойкостью к агрессивным средам, причем их применение позволяет упростить технологию изготовления.

При конструировании амортизационной системы первом делом необходимо выбрать наиболее подходящий тип амортизатора и схему его размещения. Рассматривая различные типы амортизаторов нужно делать выбор на основании показателей предельно допустимых нагрузок и значений различных параметров, таких как механические нагрузки, температура окружающей среды, наличие паров масла в атмосфере и т.д.

Расположение аппаратуры, а также динамические воздействия оказывают большое влияние на выбор схемы расположения амортизаторов.

94

Рис. 6. Основные схемы расположения амортизаторов (в направляющей)

На рис 6 изображены основные схемы расположения амортизаторов на блоке. При амортизации малогабаритных блоков зачастую используют варианта, что очень удобно при компоновке блоков на объекте, так как предоставляется возможность размещения блоков в непосредственной близости друг от друга, амортизаторы, закрепленные снизу корпуса не увеличивают габаритные размеры блока. Однако с другой стороны при таком расположении невозможно добиться совпадения центров тяжести (ЦТ) с центром масс (ЦМ), следовательно, при этом будут проявляться связанные частоты колебаний.

Рассматривая вариант размещения б можно прийти к аналогичному выводу о том, что не удастся получить рациональной системы.

При использовании варианта размещения в амортизаторы занимают большое количество места, которое отводится для РЭА на объекте. Такое расположение амортизаторов не во всех случаях компоновки оказывается удобным, но при этом позволяет получить рациональную систему.

В случае, когда панель блока лицевой стороной размещается вблизи амортизатора, который расположен снизу, ис-

95

пользуют размещение типа г, либо д, они являются некой разновидностью варианта в.

Размещение типа е используется в стоечной аппаратуре, когда высота РЭА значительно больше глубины и ширины стойки. Чтобы ослабить колебания стойки вокруг осей х и y, ставят дополнительно два амортизатора сверху стойки.

После того, как окончательно определены тип амортизатора и схема его расположения, необходимо провести статический расчет, в результате чего будут получены данные о нагрузках и типоразмерах амортизаторов.

Возможно проявление механического резонанса на отдельных элементах блока, при воздействии разного рода нагрузок на всю конструкцию радиоэлектронной аппаратуры, то есть при условииω ≈ ρ амплитуда колебаний таких элементов увеличивается [1]. Резонанс не проявляется, если частота возмущающих колебаний изменяется с большой скоростью. Чтобы амплитуда колебаний достигла своего пикового значения, должно пройти определенное количество времени, которое напрямую зависит от уровня амортизирования системы. Если показатель демпфирования приравнивается к нулю, то время раскачки должно стремиться к бесконечности.

Если z = Bsinρt, а декремент затухания мал и имеет место резонанс, т.е. ρ = ω ≈ ω, тогда

Из уравнения видно, что при небольших значениях tамплитуда колебаний по оси z имеет небольшое значение. Увеличение амплитуды осуществляется в зависимости от уменьшения e , соответственно скорость увеличения амплитуды будет вычисляться на основании амортизирования системы, это может осуществляться при длительном совпадении собственных частот всего блока или элемента конструкции

Если в системе присутствует демпфирование элементов и резонанс начинается на относительно низкой частоте, то вероятность возникновения усталостных явлений крайне мала, соответственно данный резонанс не опасен.

96

Рассмотрим блок, который установлен на резинометаллических амортизаторах с эквивалентной жесткостью и коэффициентом демпфирования γ (рис. 7) [2]. Центры тяжести и масс соответственно, лежат на одной вертикали. Основание, которое устанавливается на блок, совершает гармонические колебания с амплитудой Б и частотой ρ.

Рис. 7. Модель устройства на амортизаторах

Дифференциальное уравнение, описывающее движение такой системы координат:

mz̈+(1+jγ )(z −z )C = 0.

Пусть z = Bcosρt, тогда

mz̈+ (1+jγ )C = (1+jγ )CBcosρt.

Представим правую часть уравнения в показательной

форме

mz̈+(1+jγ )C = (1+jγ )CBe .

Будем искать частное решение в виде:

z = Ae

Подставим это решение в указанное дифференциальное уравнение и, сократив обе части на e , найдем комплексную амплитуду колебаний

97

CB+jγ CB А = C−mρ +jγ C

Переходя к модулю, имеем:

C +γ C

А = B (C −mρ )+γ C

Разделив числитель и знаменатель подкоренного выражения на C ., учитывая, что γ = ρ/ω, получаем:

А = B

1+γ

(1 −γ ) +γ

В условиях механического резонанса γ ≈ 1 (ω ≈ ρ), т.е.

Если уровень демпфирования в системе недостаточно высок, т.е. γ 1и γ 1, то выражение амплитуды колебаний в момент резонанса упрощается:

Арез ≈ B/γ

Рис. 8. Форма ударных импульсов: а – синусоидальная; б – прямоугольная; в – трапецеидальная; г – треугольная

98

Находим коэффициент виброизоляции:

Зная собственную частоту системы и параметры возмущающего колебания на основании, находим амплитуду колебаний блока и с помощью выражения:

J = 4π f Арез/9810, вычислить перегрузки на блоке. (Здесь – в миллиметрах, а f – в герцах).

Для проектирования амортизаторов предлагается методика, позволяющая значительно сократить количество доработок, усовершенствовать проектирование амортизаторов, исключая ошибки при изготовлении опытных образцов. Это позволяет сократить время и затраты на проектирование. Подобный подход продемонстрирован на других конструкциях [5-7].

В алгоритме, представленном ниже, используются результаты испытаний опытных образцов для более точной оценки механической надежности амортизаторов, с учетом максимальных значений статических нагрузок амортизаторов, выполненных из разных материалов.

Возможно осуществление лабораторных испытаний тестовых образцов амортизаторов согласно ГОСТ РВ 20.39.30498. Данный документ устанавливает характеристики технических требований к аппаратуре и оборудованию, их классификацию и значения, параметры стойкости и устойчивости к внешним воздействующим факторам в соответствии с условиями их применения.

99

Рис. 9. Алгоритм комплексного анализа механических характеристик амортизаторов в составе радиоэлектронной аппаратуры

100