laba_K7m`

11

Если удары имеют периодический характер, то спектр колебаний не будет расширяться, поскольку спектр будет вписываться в кривую общего спектра. После удара аппарат и его элементы начинают колебаться на собственных резонансных частотах. Эти колебания имеют затухающий характер. На практике длительность удара ограничивается несколькими миллисекундами, а ускорение может достигать 100 150g .

Любой элемент, конструкция или блок РЭА имеют собственные резонансные частоты, на которых элементы подвергаются сильному разрушающему воздействию. Удар

τ и = T .

(резисторы, конденсаторы,…) – сотни и тысячи Гц.

Меры способы реализации виброизоляции в РЭА.

Безотказность функционирования аппаратуры является одной из основных задач конструктора, которую он постоянно должен иметь в виду при проектировании РЭА, подвергающейся воздействию окружающей среды.

Применение элементов и материалов, которые отвечают заданным условиям эксплуатации РЭА, улучшение технологии изготовления, введение более жёстких норм контроля позволяют повысить виброустойчивость до некоторых пределов. Кроме перечисленных общих, для борьбы с вибрациями применяют следующие специальные меры:

-уменьшение уровней вибрации встроенных в РЭА блоков реле, двигателей и т.д.;

-устранение резонансов, то есть, предотвращение совпадения частоты возбуждающих сил с собственной частотой элементов и блоков РЭА;

-изоляция чувствительных к вибрации объектов от вибровозмущений с помощью упругодемпфирующих элементов (амортизаторов).

Эти меры относятся к так называемым конструктивным методам и осуществляются при проектировании чувствительных к вибрации объектов и их носителей. Конструктивные методы повышения виброустойчивости и вибропрочности аппаратуры разрабатываются исходя из условий эксплуатации изделий. При этом основная задача конструктора состоит в том, чтобы выбрать такое расположение применяемых элементов, при котором механические нагрузки, испытываемые элементами, будут наименьшими. Так, для получения виброустойчивой конструкции, применяют метод сравнения спектров ускорений конструкции и элементов. Элементы, наиболее чувствительные к вибрациям, располагают на жёстких участках шасси. Если максимально допустимые ускорения элементов меньше ускорений шасси, то необходимо увеличить жёсткость и демпфирование шасси.

Существенное значение имеет способ крепления радиоэлементов. Как правило, при монтаже РЭА, работающей в условиях сильных вибраций, используются мастики различных типов.

12

Другим конструктивным методом снижения вибраций является изменение жёсткости конструкции. При этом изменяется соотношение между частотами возбуждения и собственными колебаниями упругого элемента. Так как резонансная зона обычно распространяется на узкую область вблизи частоты собственных колебаний, достаточно изменить соотношение между частотами возбуждения и собственных колебаний конструктивного элемента на 5-10%, чтобы резонансные колебания полностью прекратились.

Однако вышеизложенные методы конструктивного снижения уровня вибраций делают конструкцию дороже, утяжеляют её и часто снижают технологичность.

Для эффективной борьбы с вибрациями и ударами применяют виброизоляцию РЭА. Сущность виброизоляции заключается в том, что между защищаемым объектом и вибрирующей поверхностью помещаются виброизоляторы – амортизаторы, которые ослабляют вибрационные воздействия на защищаемый объект. Требования к амортизаторам определяются условиями эксплуатации. Любой амортизатор включает три основных функциональных элемента: направляющее устройство, упругий элемент и демпфер.

Амортизация является наиболее распространённым средством защиты аппаратуры от вибрации и удара. Однако она имеет ряд особенностей, без учёта которых нельзя достичь желаемого эффекта.

Амортизацией принято называть систему упругих опор, на которые устанавливается объект с целью защиты его от внешних динамических воздействий. Основное свойство таких опор (амортизаторов) заключается в том, что колебания несущей конструкции, возникающие в результате действия внешних вибраций и ударов, передаются аппаратуре через упругие опоры в значительной мере ослабленными. Это свойство амортизаторов имеет свои ограничения, связанные с особенностями поведения упругой конструкции.

Врезультате установки аппаратуры на упругие амортизаторы получается

колебательная система, образованная амортизированным объектом и его упругими опорами. Положительный эффект амортизации обеспечивается правильным выбором характеристики этой системы, позволяющей лучшим образом использовать её свойства.

Внастоящее время известно много конструктивных видов амортизаторов,

предназначенных для работы в самых разнообразных условиях. Не все они равнозначны по своим техническим характеристикам и эксплуатационным возможностям. Некоторые из них хорошо себя зарекомендовали, выпускаются серийно на протяжении многих лет и используются в различных отраслях техники. Применение других в силу конструктивных особенностей сильно ограничено.

Разработка амортизаторов, способных защитить аппаратуру от вибраций и ударов и вместе с тем обладающих ограниченными габаритами, составляет достаточно сложную техническую задачу. Проектирование системы амортизации также является задачей, требующей внимательного подхода. Успех решения всех этих вопросов возможен только при всестороннем учёте конструктивных особенностей амортизаторов и аппаратуры, а также при правильной оценке характера динамических воздействий носителя.

Теоретическая сторона проектирования системы амортизации основывается на общих положениях теории колебаний и теории удара. Большое распространение получила линейная интерпретация задач о малых колебаниях упруго опертого тела. Это объясняется в основном стройностью и завершённостью математического аппарата, используемого при решении задачи.

Расчёт системы амортизации на воздействие вибрационной нагрузки.

Основная цель расчёта системы амортизации на воздействие вибрационной нагрузки состоит в том, чтобы определить частоты собственных колебаний системы, параметры

13

вынужденных колебаний амортизируемого блока по известным параметрам колебаний основания и установить эффективность виброизоляции системы амортизации.

Для аналитического описания существующих воздействий рассмотрим вынужденные колебания с вязким демпфированием. Вязкое демпфирование означает, что сила сопротивления прямо пропорциональна скорости блока. При этом можно рассматривать силовое и кинематическое возмущение. Аппаратура чаще всего подвергается кинематическому возмущению.

Числом степеней свободы амортизированного объекта называют минимальное число независимых координат, необходимых для полного определения положения всех точек системы в любой момент времени. Хотя для реальных механических систем это число всегда бесконечно велико, то в ряде случаев практически достаточен учёт конечного числа существенных степеней свободы. Чаще всего оно равно числу возможных независимых перемещений.

В лабораторной работе для исследования предлагается упругая система с одной степенью свободы (Рис. П.2). В ней исследуются вынужденные колебания с вязким демпфированием при кинематическом возмущении.

Для исследования таких систем обычно вводятся следующие рациональные допущения и ограничения:

-динамическое воздействие на амортизируемый объект совершается только прямолинейно и вдоль одной из осей координат;

-масса основания настолько больше массы амортизируемого объекта, что обратным влиянием можно пренебречь;

Рис. П.2.

-масса упругого элемента настолько меньше массы амортизируемого объекта, что ею можно пренебречь;

-масса амортизируемого объекта, коэффициент жёсткости и коэффициент демпфирования упругого элемента являются величинами постоянными, не изменяющимися во времени;

-сила упругости пропорциональна деформации амортизатора; сила сопротивления амортизатора пропорциональна первой степени скорости смещения амортизируемого объекта;

Таким образом, тело массой m может перемещаться в направлении оси Z так, что его

положение полностью определяется единственной координатой z.

Возмущение колебательной системы, показанной на рис. П.2, может быть вызвано в результате движения основания.

Дифференциальное уравнение движения такой системы m z′′ + h∑ ( z′ − ξ ′(t )) + k ∑ (z − ξ (t )) = 0

где: h∑ - коэффициент трения демпфера, k ∑ - коэффициент упругости пружин,

14

колебание с собственной частотой затухнет, определяется перемещением массы объекта m

z= 1 A sin(ω t −ψ ),

γ

где коэффициент динамичности (в других литературных источниках этот коэффициент может носить название коэффициент ослабления или виброизоляции) определяется из уравнения

Здесь: а - амплитуда вибросмещения амортизируемого объекта; А - амплитуда вибросмещения основания;

2m ωo

ωo - угловая частота собственных колебаний.

На практике в большинстве случаев рассчитать собственные резонансные частоты не представляется возможным, так как не всегда известны все переменные входящие в исходное выражение. Поэтому частоты либо определяют экспериментально, либо пользуются приближёнными методами расчётов для простейших систем с одной степенью свободы.

Примем (для упрощения расчёта), что линейная система с одной степенью свободы, в зарезонансной области является не демпфированной (D=0). При этом уравнение движения амортизируемого блока существенно упрощается.

Выражение, определяющее коэффициент динамичности примет вид:

Для расчёта собственных резонансных частот колебания необходимо знать массу объекта и коэффициент упругости амортизатора К (или статический прогиб δ СТ и

амплитуду вибросмещения основания А)

А- амплитуда вибросмещения стола (мм);

δСТ - статический прогиб (мм).

Отношение ζ = h∑ / hкр называется относительным коэффициентом затухания.

15

Величина hkp вычисляется по формуле hкр = 2 k ∑ m

Рис. П.3

Наиболее полное представление о работе системы амортизации даёт её частотная характеристика, которая представляет собой график зависимости коэффициента динамичности от отношения частоты действующих колебаний к частоте собственных колебаний системы η = Ω / ωo .

С ростом частоты возмущающих колебаний после перехода через резонанс амплитуда вынужденных колебаний уменьшается (рис.П.3). Кроме того, чем меньше коэффициент демпфирования h, тем сильнее проявляется резонанс.

Применение демпфирования в системе приносит пользу вне резонансной области, снижая амплитуду вынужденного колебания. В резонансной области оно несколько ухудшает работу амортизации, так как увеличивает амплитуду колебаний по сравнению со случаем, когда h = 0.

Область частот η < 2 , где 1/ γ ≥ 1, является резонансной. С ростом частоты

η .

Таким образом, амортизаторы выполняют свою виброизолирующую функцию, лишь, когда частоты возмущающих колебаний не менее, чем в 2 раза больше частоты их собственных колебаний. Естественно, что в области резонанса амортизаторы ухудшают условия работы амортизируемого тела.

Поэтому, основное условие виброизоляции сводится к тому, чтобы собственная частота f o колеблющейся системы была меньше низшей частоты спектра воздействий.

Амортизаторы и их характеристики.

1. Общие требования, предъявляемые к конструкции амортизаторов.

Сложные динамические и климатические условия эксплуатации амортизированной РЭА в сочетании с жёсткими требованиями к надёжности её работы накладывают серьёзные ограничения на выбор амортизаторов.

16

Характеристики амортизаторов, их конструкции и материалы, из которых выполнены детали, - всё это должно соответствовать основному требованию обеспечения надёжной защиты аппаратуры от динамических воздействий.

При разработке амортизатора необходимо стремиться к тому, чтобы он не только обеспечивая удовлетворительную изоляцию вибрации и ударов, но и был компактным, стойким к различного рода климатическим и другим воздействиям, выдерживал значительное число циклов динамических и климатических воздействий без повреждения.

Вследствие того, что на современных транспортных средствах одновременно действуют как установившиеся вибрации, так и периодические удары, проблема конструирования амортизаторов бортовой РЭА является весьма сложной. Требования, предъявляемые к амортизаторам, предназначенным для защиты от ударов, часто не согласуются с требованиями к виброизолирующим амортизаторам.

Амортизаторы для изоляции вибрации и удара представляют собой две основные разновидности упругих амортизаторов. Они имеют различное назначение и не являются взаимно заменяемыми, хотя внешне и очень похожи. Для защиты бортовой аппаратуры чаще всего применяются виброизолирующие амортизаторы.

Всё многообразие технических требований, предъявляемых к амортизаторам, можно подразделить на три группы. Первая группа требований устанавливает параметры динамических воздействий, вторая – характеризует климатические условия эксплуатации и третья – параметры конструкции. В зависимости от частоты собственных колебаний все амортизаторы бортовой РЭА можно разделить на низкочастотные, среднечастотные,

обеспечивать надёжную виброизоляцию аппаратуры, обычно составляет: для низкочастотных 5..2500 Гц, для среднечастотных 15..2500 Гц и для высокочастотных

35..2500 Гц.

Предельные значения вибрационного ускорения на высоких частотах не превышают 15g, максимальное ускорение многократного действия достигает 12g. Амортизаторы должны обеспечивать защиту бортовой радиоэлектронной аппаратуры от вибраций и ударов, действующих под любым углом к плоскости опорного основания.

Температура, давление, влажность, морской туман, пыль, плесневые грибки, радиация и другие виды внешних воздействий не должны оказывать существенного влияния на работу амортизатора.

По параметрам механической надёжности амортизаторы должны выдерживать воздействие вибрации в заданном диапазоне частот в течение времени, эквивалентного гарантийному сроку службы, и испытания на резонансной частоте при амплитуде смещения не менее 1 мм. После испытания на механическую надёжность амортизаторы должны сохранять свою работоспособность.

Конструкция амортизаторов должна обеспечивать возможность использования их как в опорной, так и подносной схемах нагружения, а также под углом. Для этого амортизаторы должны быть снабжены соответствующими фланцами с необходимым количеством отверстий для крепления на месте монтажа, а также соответствующими устройствами для крепления блоков или подблочных рам с помощью винтов.

Амортизаторы должны быть технологичными и рассчитаны на крупносерийное или массовое производство. Они должны обладать минимально возможным весом, удовлетворять удобству монтажа и быть взаимозаменяемыми.

19

Об этом говорит не только обширная номенклатура выпускаемых серийных амортизаторов, но и обилие латентных заявок на амортизаторы, основным упругим

низких частотах до 0.002 мм на высоких частотах.

Амортизаторы относятся к группе среднечастотных, при номинальной нагрузке частота собственных колебаний в вертикальном направлении 10-15 Гц и в горизонтальном направлении 15-25 Гц.

К недостаткам амортизаторов можно отнести следующее. Резина плохо переносит действие радиации и солнечных лучей. После пребывания на солнце в течение 20 ч поверхность резинового массива покрывается мелкими трещинами, приводящими к разрушению амортизатора. Амортизаторы весьма чувствительны к низким температурам. При температуре около -30оС амортизаторы начинают затвердевать, упругость их уменьшается на 50%, жёсткость повышается, частота собственных колебаний возрастает. При температуре -60оС они полностью затвердевают и делаются непригодными для виброизоляции. Только после продолжительной работы при частоте 50 Гц и выше амортизаторы начинают немного разогреваться, при этом частично восстанавливаются их виброизолирующие свойства.

В результате старения резины при хранении амортизаторов в течение шести месяцев их жёсткость может увеличиться на 15%. Амортизатор обладает невысокой вибропрочностью и может выходить из строя из-за недостаточно прочного присоединения арматуры к резиновому массиву. Поэтому допустимое статическое напряжение на поверхности при вулканизации резины к металлической арматуре не превышает 35 Н/см2. Средняя вибропрочность амортизатора составляет 40-50 ч.

3.Амортизаторы пружинные с воздушным демпфированием.

Если в резинометаллических амортизаторах резиновый массив работает и как упругий элемент, и как демпфирующий, то в пружинном амортизаторе с воздушным демпфированием эти функции разделены между двумя самостоятельными элементами. В качестве этого элемента такой амортизатор обычно имеет спиральную пружину с цилиндрическим, коническим или экспоненциальным профилем. Экспоненциальная пружина обеспечивает равночастотность амортизатора. Пружина, по существу, не обладает заметным внутренним трением. Её собственные колебания затухают очень медленно. Поэтому в амортизаторах стальная пружина заключена в резиновый баллончик с калиброванным

резинометаллические амортизаторы. Частоты собственных колебаний амортизаторов в

На более низких частотах наступает резонанс, воздушное демпфирование даже при нормальных окружающих условиях не обеспечивает полного эффекта.

Амортизаторы могут использоваться преимущественно в системах, обеспечивающих статическую нагрузку вдоль оси амортизатора. Вибрационную нагрузку в боковом направлении амортизаторы могут воспринимать при соблюдении некоторых ограничений. Использование воздуха в демпфере приводит к тому, что при изменении климатических условий (температура, влажность), а также при увеличении высоты полёта качество демпфирования значительно ухудшается и практически может совсем исчезнуть.

В лабораторной работе используются амортизаторы типа АД (рис.П.5).

20

Рис. П.5 Амортизатор типа АД.

В амортизаторах данного типа применена фасонная пружина, обеспечивающая равночастотность амортизатора, то есть при нагружении пружины различным весом (в

+70оС. В условиях низких температур колебания амортизаторов иногда носят явно выраженный апериодический характер. Частоты собственных колебаний амортизаторов в условиях низких температур и пониженных давлений несколько возрастают вследствие увеличения упругости подмороженного резинового демпфера. Высокая температура окружающей среды, как показали исследования, на работу амортизаторов не влияет.

Амортизаторы АД могут работать при атмосферном давлении 190 мм Hg и влажности 95..98% при температуре +20оС.

Согласно техническим условиям амортизаторы предназначены для эксплуатации в

испытания и опыт эксплуатации показывают, что амортизаторы АД способны удовлетворительно работать в условиях вибрации до 2000 Гц при ускорении на высоких частотах до 10g.

В нормальных условиях частоты собственных колебаний нагруженных амортизаторов находятся в пределах 8..10 Гц. Испытания амортизаторов АД на ударную нагрузку выявили сравнительно удовлетворительные качества. Применяя эти амортизаторы, можно в некоторых случаях снизить ударные ускорения примерно в 2,8 раза.