Рисунок 1.6. Проволочно-пружинные амортизаторы.
У металлической резины один основной недостаток, это потеря со временем её упругих свойств. Поэтому промышленностью выпускаются пружинно-сеточные амортизаторы (рисунок 7), в которых роль упругого элемента выполняет пружина 1, а роль демпфера металлическая резина 2.
Рисунок 7 - Пружинно-сеточные амортизаторы
Тросовые амортизаторы выполнены на базе металлического троса (каната), свитого из тонких жил, которые обладают большой упругостью при растяжении. Это свойство изменяется в широком диапазоне в зависимости от материала, диаметра жил, способа изготовления троса. Поэтому есть большая возможность разнообразия в выборе конструкции и характеристик тросовых амортизаторов (рисунок 8).
Рисунок 8 - Тросовые амортизаторы
Все амортизаторы, в которых используется трение металлических частей, обладают общим недостатком, это образование металлической пыли. Поэтому необходимо предпринимать меры предосторожности, во избежание попадания пыли на электрические цепи.
В связи с небольшой массой блоков стали использовать амортизаторы с распределёнными параметрами. Амортизаторы с распределёнными параметрами можно назвать амортизационные прокладки, заливки и засыпки аппаратуры различными синтетическими материалами. Амортизационные прокладки применяют для защиты от ударов и вибраций как блоков в целом, так и отдельных его частей (рисунок 9).
Рисунок 9 - Защита блока с помощью амортизационных прокладок: 1 - корпус; 2 - прокладки
Материалы, из которых изготовлены амортизационные прокладки должен обеспечивать высокие требования и обладать хорошими свойствами.
Во-первых, материал должен обладать отличными упругими свойствами, т.е. должен восстанавливать свою форму после деформации.
Во-вторых, за счет внутреннего трения он должен обеспечивать высокую потерю энергии. Чем сложнее макроскопическая структура материала, тем больше потери.
В-третьих, материал должен быть износоустойчив. Обеспечить хорошую защиту от истирания.
В различных конструкциях применяются самые надежные материалы, такие как поролоны, пенопласты и резина.
Во время создания амортизаторов необходимо обеспечить, нелинейную характеристику упругости и большие потери энергии на трение.
5. Повышение прочности конструкций
Когда защита аппаратуры от механических воздействий не дает результата тогда, возникает необходимость в решении задач по повышению прочности конструкций. Корпус и отдельные детали не выдерживают нагрузок, что в последующем приводит к отказам и поломкам. Варианты решения этих задач могут быть разнообразны и неожиданны в зависимости от конкретных условий.
Во время проектировки конструкций блоков часто возникают однотипные ошибки. Анализируя эти «неточности», можно выработать самый оптимальный вариант решения данных вопросов и в конечном итоге сформулировать рекомендации, позволяющие избежать грубых ошибок.
Необходимо стремиться к равнопрочным конструкциям. Это значит, что у всех деталей конструкции должен быть одинаковый запас прочности.
Нужно избегать концентраторов напряжения. Сложные детали в напряженном состоянии показывают, что не всегда по сечению детали напряжения в материалах распределяются равномерно. Возникновение концентрации напряжений происходит в определённых местах (в концентраторы напряжения).
Желательно не обрабатывать поверхности деталей со снятием стружки. Механическая обработка поверхностей, например при помощи точения или фрезерования, нарушает (разрушает) покрытие защитного слоя, кроме того после этих операций, на поверхности остаются канавки, риски, царапины, что также снижает прочность.
При установке аппаратуры на транспортные средства необходимо учитывать направление вибрации. Для установки на транспортные средства обычно проектируется специальная передвижная аппаратура. Во время проектировки чаще всего, заранее известно, в каком именно месте будет установлена передвижная аппаратура. Необходимо знать какие в последствие механические воздействия будут воздействовать на устройство, какими будут направления ударов и вибраций. При ударах и вибрациях точки фиксации конструкции перемещаются. Зная направление вектора перемещения на транспортном средстве, можно ориентировать аппаратуру при её установке так, чтобы она менее деформировалась при ударах и вибрациях.
6. Вибропрочность и ударопрочность
Вибропрочность и ударопрочность - способность конструкций выполнять функции и сохранять значения параметров в пределах норм, установленных стандартами, после воздействия механических факторов.
Наиболее жёсткие условиями эксплуатации свойственны бортовым ЭС. Например, на них могут воздействовать вибрации с частотами от 20 до 2000 Гц, с уровнями ускорений до 50g. В указанной полосе частот часто не удается избавиться от резонансов элементов конструкции, при которых сильно возрастают ускорения, перемещения и напряжения в них, а затем к их разрушениям.
Разработчики РЭС очень часто ограничиваются только стендовыми испытаниями конструкций на прочность и устойчивость, не прибегая к математическому моделированию. Недостатки такого подхода:
сами по себе испытания мало информативны из-за невозможности установить датчики во многих точках изделия;
испытания не позволяют провести исследования конструкции в критических режимах из-за её разрушения;
результаты испытаний нельзя распространить на другие образцы из-за случайных значений разбросов параметров.
Эти проблемы вполне успешно решаются путем математического моделирования на ЭВМ или путем его интеграции с экспериментом.
7. Моделирование РЭС
Для определения динамических характеристик РЭС как сложной механической системы (МС) строится ее модель, которая должна быть достаточно точной и в то же время достаточно простой для аналитического исследования [4].
К важнейшим характеристикам МС относится масса, которая является мерой его инертности, и число степеней свободы, которое определяется количеством координат, необходимым для однозначного задания положения системы в пространстве [4].
Число степеней свободы МС в общем случае является бесконечно большим, так как любое тело состоит из бесконечного числа материальных точек, не имеющих между собой абсолютно жестких связей. При решении инженерных задач, реальная конструкция заменяется моделью с ограниченным числом степеней свободы, которое определяется требуемой точностью результатов [3].
а) б)
Рисунок 10 - Модели с одной степенью свободы: а) с кинематическим возбуждением; б) с силовым возбуждением.
Наиболее простая расчетная модель (РМ), имеющая одну степень свободы, приведена на рисунке 10 [3]. Ею может быть представлен, например, блок установленный на амортизаторах, если он перемещается только вдоль одной оси - Z [3]. В этой модели вся масса конструкции сосредоточена в элементе массы m, жесткость конструкции - в элементе (пружине) с коэффициентом жесткости k, а демпфирующая связь - в элементе демпфирования b [3]. Поведение такой модели определяется не только параметрами m, k, b и характером действующей силы, но и местом приложения этой силы. В связи с этим, различают модели с кинематическим и силовым возбуждением (рисунок 1.11 а, б) [3].
Рассмотрим более сложные случаи моделирования МС. На рисунке 11, а представлен эскиз конструкции блока разъемного типа [2]. Его модель может иметь несколько степеней свободы, простейшая из них имеет две степени свободы:
первую степень свободы по отношению к действующим извне вибрациям вносит шасси;
вторую степень свободы вносит печатный узел (ПУ) относительно шасси, поскольку динамические усилия могут быть переданы на печатные платы только через этот элемент конструкции.
а) Конструкция блока б) Модель блока
Рисунок 11 - Моделирование разъемной конструкции блока: 1 - печатный узел; 2 - направляющая; 3 - корпус или шасси; 4 - масса ПУ
Для элементов конструкций типа стержней, модель может быть построена путем многократного повторения простейшей РМ (рисунок 1.12) [3]. Анализ моделей этого типа из-за сложности эффективен только с применением ЭВМ.
Рисунок 12 - Модели конструктивов типа стержня и пластины
Динамические свойства любой МС существенно зависят от характера восстанавливающих и диссипативных сил [3].
К восстанавливающим силам, относятся силы упругости, возникающие при деформации элементов.
Диссипативные силы вызывают необратимое рассеяние энергии механических колебаний. Основные их виды:
- силы трения в опорах и сочленениях;
- силы сопротивления среды, в которой происходят колебания;
- силы внутреннего трения в материалах опор (в амортизаторах). Действие диссипативных сил приводит к затуханию свободных и ограничению вынужденных колебаний [2].
Случай силового возбуждения.
Рассмотрим модель, изображенную на рисунке 1.11, б. Кроме возбуждающей силы в этой МС действующая сила инерции , сила упругости пружины и диссипативная сила (сила демпфирования) [3].
Имеется два случая: свободные и вынужденные колебания.
Для свободных колебаний при отсутствии демпфирования (величина коэффициента демпфирования колебания описываются выражением [3]:
где - частота свободных колебаний;
- амплитуда свободных колебаний;
V - мгновенная (начальная) скорость, которая была сообщена массе m в момент времени t=0.
Частота не зависит от начальных условий (от начальной скорости V) и определяется только собственными параметрами МС (k и m), поэтому она получила название собственной частоты [3]. С увеличением массы или с уменьшением жесткости пружины k, частота уменьшается. Амплитуда колебаний зависит от начальных условий (от V) [3].
Для реальных МС коэффициент (он обычно находится в пределах 0,02…0,3). В этом случае колебания системы будут совершаться по закону:
,
где - собственная частота с демпфированием.
Учитывая, что величина близка к нулю, на практике считают .
Рисунок 13 - Затухающее колебание с периодом .
Более точное представление о процессе затухания колебаний дает величина логарифмического декремента затухания:
где - период затухающих колебаний.
При вынужденных колебаниях на МС постоянно воздействует внешняя сила Р, в этом случае колебательный процесс описывается выражением [2]:
Второе слагаемое в этом выражении - это перемещение при вынужденных колебаниях [2]:
В последних двух формулах используются параметры:
- статический прогиб упругого элемента;
коэффициент динамичности МС (другое название - коэффициент динамического усиления при силовом возбуждении колебаний);
- коэффициент частотной расстройки;
j - начальная фаза вынужденных колебаний.
С течением времени колебания МС устанавливаются, а их амплитуда становится равной zв=mZст, откуда m = zв /Zст [2].
Коэффициент динамичности m системы показывает, как в зависимости от частотной расстройки, изменяется амплитуда вынужденных колебаний относительно ее статического смещения Zст.
Амплитуда перемещения при вынужденных колебаниях зависит не только от параметров МС и возмущающей силы, но и от частоты w [2]. Зависимость коэффициента динамичности m от частоты расстройки является амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) системы при силовом возбуждении (рисунок 13).
Рисунок 14 - Зависимость коэффициента динамичности от частотной расстройки, при различной степени затухания колебаний
На частоте возникает резонанс, при котором амплитуда вынужденных колебаний достигает максимальной величины [3]. В этом случае коэффициент динамичности равен добротности механической системы Q:
где - относительный коэффициент демпфирования МС;
Для типовых конструкций известны ориентировочные значения m: для микроблоков пенального типа - около 40, для цифровых ячеек на металлических рамках - 10...25, для ячеек на платах из стеклотекстолита - 5...12 [1].
В системах с несколькими степенями свободы ситуация осложняется возможностью существования совместных резонансов. Понятие совместного резонанса характеризует условия, когда две системы, объединенные вместе или связанные между собой, одновременно колеблются на частотах, близких к резонансной [2]. Часто бывает так, что увеличенное за счет резонанса смещение на выходе первой системы является входным воздействием для второй системы, которая вторично усиливает это смещение. Совместные резонансы в большинстве случаев удается исключить, применяя так называемое «правило октавы» [2]. Оно рекомендует в системах с последовательным соединением упругих масс удваивать собственную частоту каждого элемента, вносящего дополнительную степень свободы.
8. Описание реальной конструкции РЭС с точки зрения защиты данного РЭС от внешних воздействующих факторов
Источник вторичного электропитания импульсный БП-5А-У.