Курсовая работа (т): Методы и средства защиты РЭС от ударных воздействий

Методы и средства защиты РЭС от ударных воздействий

Содержание

. Основные понятия об ударе

. Защита конструкций РЭС от воздействий ударов

. Повышение жесткости конструкций

. Защита конструкций с помощью амортизаторов и демпферов

. Повышение прочности конструкций

. Ударопрочные конструкции крепления радиоэлементов и узлов

.1 Способы крепления соединительных проводов

.2 Конструкции креплений конденсаторов

.3 Крепление резисторов

.4 Ударопрочные шасси и каркасы

. Расчеты механических нагрузок

.1 Статический расчет амортизаторов

.2 Упаковочная тара для транспортирования

.3 Ударная прочность элементов

Список использованных источников

1. Основные понятия об ударе

В механике ударом твердых тел друг о друга называют такое движение, при котором за очень малый промежуток времени происходят конечные изменения количества движения твердых тел.

При ударе происходит конечное изменение скорости v, а следовательно, и количества движения mv за весьма малый промежуток времени, называемый длительностью импульса τ. Величина силы взаимодействия тел за время их соударения определяется импульсом силы или ударной силой

,

где F(t) - мгновенное значение силы, действующей при ударе.

Ударный процесс характеризуется импульсом силы, длительностью импульса, коэффициентом восстановления скорости и формой ударного импульса. Ударные импульсы различают простой (скоростной удар, вызываемый изменением ускорения, скорости, смещения) и сложной формы (импульсы, которые могут быть представлены энергетическим спектром удара).

2. Защита конструкций РЭС от воздействий ударов

Радиоэлектроника и вычислительная техника применяются практически во всех отраслях народного хозяйства для выполнения однотипных задач - сбора, обработки и выдачи информации. но условия эксплуатации в разных областях могут быть неодинаковыми. Поэтому при изготовлении аппаратуры различными предприятиями, объединениями складываются определённые приёмы конструирования и типовые конструкции. Типовые конструкции многократно испытаны, проверены многолетней практикой, и нет сомнений в их высокой надежности. Они вошли в соответствующие стандарты и отступление от них рассматривается как нарушение закона.

Постоянное расширение сферы применения аппаратуры, новые условия эксплуатации, новые требования заказчиков приводят к необходимости пересмотра сложившихся приёмов конструирования и к разработке принципиально новых конструкций.

Каждая новая идея, новое конструкторское решение должно вначале проверяться теоретически - с помощью имитационной системы, и только после этого, если проверка дала положительный результат, можно переходить к изготовлению макетов и опытных образцов и проводить натурные испытания.

Мероприятия конструктора по защите РЭС от ударных нагрузок сводится к выбору соответствующих материалов, ударопрочному конструктивному исполнению и использованию элементов защиты. При разработке ударопрочных РЭС, кроме прочностных свойств используемых материалов, большое значение имеет их пластичность, причём на основе материалов с повышенной пластичностью элементы конструкций характеризуются большей ударопрочностью. Материалы с малой степенью пластичности разрушаются при незначительных деформациях, и их применение в составе ударопрочной аппаратуры следует ограничивать. К таким материалам относят, например, литьевой алюминий, фарфор, силикатное стекло и др. Однако стремление в наибольшей степени использовать прочностные свойства материалов приводит к повышению уровней возникающих механических напряжений и увеличению деформаций из-за недостаточной жёсткости конструктивных элементов. В этом случае нарушается расчётное взаимодействие элементов конструкции - ослабляются контакты, изменяется сопротивление контактных пар соединителей, возможно соударение близко расположенных элементов конструкции и т.д. Деформацию изгиба элементов конструкций блоков при воздействии ударных нагрузок можно уменьшить выбором соответствующего сечения и его формы, применением дополнительных точек крепления, ребер жесткости для печатных плат. Эффективными мерами защиты являются также использование клеевого соединения компонентов для их присоединения к печатным платам, покрытие лаком печатных плат совместно с размещёнными на их поверхности компонентами, заливкой компаундами.

Реакция конструктивных элементов блоков на ударные нагрузки оценивается с помощью методов сопротивления материалов и теории упругости после представления элементов конструкций моделями в виде балок и пластин с определёнными способами закрепления сторон в соответствии с реальной конструкцией.

Для защиты блоков аппаратуры от ударных нагрузок используют стандартные виброизоляторы. Низкочастотные виброизоляторы, обладающие меньшей жесткостью, могут быть доведены ударной нагрузкой до упора, и защита окажется неэффективной. В системах противоударной виброизоляции используются виброизоляторы с нелинейными силовыми характеристиками.

3. Повышение жесткости конструкций

радиоэлемент надежность ударопрочный демпфер

Предположим, что с помощью численных экспериментов проверяется действие на конструкцию низкочастотной вибрации. Диапазон частот источника вибрации fн…fв охватывает частоты до 200…300 Гц, и более высокочастотных воздействий на конструкцию нет. Предположим далее, что нижняя резонансная частота конструкции f1 попадает в интервал fн< f1<fв. Следовательно, неизбежно возникновение резонанса на частоте f1, что и вызывает отказы или сбои. В этом случае можно попытаться повысить нижнюю резонансную частоту конструкции так, чтобы выполнялось условие f1>fв. Тогда резонансов в диапазоне fн…fв не будет. Повысить резонансные частоты конструкции можно двумя путями: или уменьшить массы деталей, или увеличить жесткость упругих звеньев несущих конструкций.

Формула для резонансной частоты блока на амортизаторах

 (1)

показывает, что для повышения резонансной частоты вдвое необходимо уменьшить массу или увеличить жесткость в 4 раза. Эта зависимость справедлива только для пружинного маятника. Но её можно использовать для качественных оценок и более сложных конструкций.

Уменьшение массы деталей всегда целесообразно, и всякую такую возможность необходимо использовать. Но вряд ли удаётся уменьшить массу всех деталей в такой степени.

Другое дело - жесткость конструкции. Здесь возможности более широкие. Рассмотрим формулу

 (2),

где h_z - толщина пластины.

Следует обратить внимание на то, что в формуле (2) отражена зависимость (1). Действительно, если считать, что жесткость пластины пропорциональна модулю Юнга Е, а масса пропорциональна плотности материала ρ, то зависимость (1) выполняется с точностью до некоторого постоянного множителя. То же самое можно сказать про любую конструкцию; например, увеличение модуля Юнга всех деталей конструкции в 4 раза приводит к увеличению любой резонансной частоты в 2 раза. Но жесткость конструкции зависит не только от модуля Юнга материалов, но и от размеров и конфигурации деталей.

Таким образом, можно повысить нижнюю резонансную частоту за счёт увеличения толщины пластины. Отрицательный эффект от такого увеличения толщины пластины - увеличение расхода материалов и массы изделия.

Ещё больший эффект даёт уменьшение размеров платы и увеличение жесткости крепления. Однако и здесь имеется отрицательный эффект - уменьшение полезной площади для размещения навесных элементов. Поэтому у конструктора чаще всего имеется один путь повышения нижней резонансной частоты - применение более жесткого крепления.

Случаи шарнирного закрепления по контуру и жесткого закрепления по контуру можно считать предельными случаями: шарнирное - самым мягким, а жесткое - самым жестким креплением. Между ними лежат крепления с помощью различного числа винтов или болтов, расположенных по контуру (рис. 1).

Если увеличение жесткости крепления по контуру даёт недостаточный эффект, то используют различные виды дополнительного крепления по площади пластины. И здесь возможности достаточно широкие. В зависимости от формы несущих конструкций применяют дополнительное крепление винтами в различных точках вблизи центра (рис.2).

Для увеличения жесткости используют также дополнительную арматуру (рис. 3). В пределе если считать арматуру по сравнению с пластиной абсолютно жёсткой, то фактически вместо одной пластины нужно рассматривать четыре пластины меньших размеров. Эта мера повышает резонансные частоты в 4 раза. Фактически ребра жесткости и арматура имеют конечную жесткость, и эффект от их применения снижается. Дальнейшее повышение жесткости пластинчатых конструкций за счёт дополнительных ребер, арматуры и других дополнительных деталей не всегда даёт положительный результат.

Считается, что если нижняя резонансная частота конструкции вдвое превышает верхнюю частоту внешних воздействий, f1>2fв, то это является достаточной гарантией от возникновения в конструкции резонансных явлений.

Если опасность возникновения резонансных явлений остаётся, то повышение жесткости конструкции может привести к отрицательным результатам и нужно позаботиться не о повышении жесткости, а о повышении прочности конструкции.

4. Защита конструкций с помощью амортизаторов и демпферов

Если рассматривать блок как жесткое недеформируемое тело, то при установке его на амортизаторы получается колебательная система, в общем случае имеющая шесть степеней свободы. Обычно рассматривается только одна степень свободы - в направлении, наиболее опасном с точки зрения внешних воздействий. Тогда резонансная частота ω₀ определяется формулой (1). Эта частота обычно является довольно низкой и не превышает 100 Гц. В этом случае весь диапазон частот внешних возмущений оказывается выше ω₀. И только при условии

сказывается защитное действие амортизатора. Амплитуда колебаний блока уменьшается по сравнению с амплитудой колебаний точек крепления амортизаторов к источнику вибрации в k раз

k=f/f0.

То, что блок аппаратуры не является абсолютно жестким и сам деформируется при колебаниях на амортизаторах, практически мало влияет на защитные свойства амортизаторов и, кроме того, это влияние положительно, поскольку установка более мягкого блока на амортизаторы уменьшает резонансную частоту f₀. С другой стороны, установка конструкции на амортизаторы изменяет резонансные частоты самой конструкции. Все резонансные частоты становятся несколько ниже. Стремление повысить эффективность применения амортизаторов привело к изобретению множества различных конструкций амортизаторов:

1.   Амортизаторы с дополнительными пружинами (рис. 4). Дополнительные пружины имеют длину, меньшую чем у основной пружины, и вступают в действие при увеличении амплитуды колебаний. В результате получается нелинейная ступенчатая характеристика жесткости. Дополнительные пружины могут устанавливаться как рядом с основной, так и внутри её.

.     Амортизаторы с коническими пружинами, позволяющими плавно изменять жесткость с ростом растяжения и сжатия (рис. 5). У таких пружин наружные витки, которые имеют больший диаметр, имеют меньшую жёсткость. Поэтому при небольшом сжатии работают только эти большие витки. При увеличении сжатия большие витки касаются нижней жесткой поверхности и начинают сжиматься верхние витки меньшего диаметра и большей жесткости. Поскольку амортизатор имеет начальное сжатие под действие массы блока, то аналогичный процесс получается и при растяжении амортизатора, когда начинают растягиваться сначала витки меньшего диаметра, а затем большего. В результате при растяжении жесткость плавно уменьшается.

.     Проволочно-пружинные (сетчатые) амортизаторы (рис. 6), получающиеся прессованием упругого элемента из тонкой спирали. В качестве материала спирали используется тонкая проволока из легированной стали или бериллиевой бронзы. Трение проволоки при деформации упругого элемента создаёт большие потери энергии в упругом элементе. При больших деформациях, например при растяжении, отдельные спирали вытягиваются в одном направлении. При этом получается картина такая же, как и при деформации материалов с длинными волокнами, например резины. Поэтому материал упругого элемента сеточного амортизатора стали называть металлической резиной.

Основной недостаток металлической резины - непостоянство во времени её упругих свойств. Поэтому промышленностью выпускаются пружинно-сеточные амортизаторы (рис. 7), в которых роль упругого элемента выполняет пружина 1, а роль демпфера - металлическая резина 2.

4.  
Тросовые амортизаторы. Металлический трос, или канат, свитый из множества тонких жил, при растяжении и особенно при изгибе обладает свойствами упругого тела с большими потерями энергии на трение между отдельными жилами. Эти свойства изменяются в широких пределах в зависимости от материала жил, их диаметра, способа изготовления троса и способа использования его в качестве амортизатора. Поэтому возможно большое разнообразие конструкций и характеристик тросовых амортизаторов (рис. 8).

Заметим, что все амортизаторы, в которых используется трение металлических частей, обладают тем недостатком, что металлы истираются, образуя металлическую пыль. Поэтому приходится принимать меры предосторожности, чтобы эта пыль не попадала на электрические цепи.

.     При малой массе блоков стали применять амортизаторы с распределёнными параметрами. Такими амортизаторами и демпферами можно считать амортизационные прокладки, а также заливки и засыпки аппаратуры различными синтетическими материалами. Амортизационные прокладки применяют для защиты от ударов и вибраций как целых блоков (рис. 9), так и отдельных частей внутри блока (рис. 10).

В различных конструкциях применяются сотни различных материалов, но по-видимому, самыми надежными материалами являются поролоны, пенопласты и резина.

При создании различных амортизаторов конструкторы стремились обеспечить, во-первых, нелинейную характеристику упругости и, во-вторых, большие потери энергии на трение.

Нелинейность характеристики "сила - деформация" амортизатора оказывается полезной по трём причинам.

Во-первых, она позволяет уменьшать габариты амортизатора. Дело в том, что большой эффект защиты конструкции дают "мягкие" амортизаторы. Но чем меньше жесткость, тем больше ход амортизатора при действии тех же сил. Приходится в конструкции выделять значительное место для устройств защиты. Для избежания ударов приходится увеличивать габариты амортизатора. Установка дополнительных коротких пружин (см. рис. 4) или конической пружины (см. рис. 5) позволяет с ростом амплитуды колебаний включать дополнительные жесткости и тем ограничивать амплитуды колебаний, не допуская ударов об ограничители движения.