Материал: Защита конструкций РЭС от динамических механических воздействий

Глава5 защита конструкций рэс от динамических механических воздействий

§ 5.1. Влияние динамических механических воздействий на надежность и качество рэс

Виды и источники механических воздействий. В процессе произ­водства, эксплуатации и хранения РЭС могут испытывать те или иные механические динамические воздействия, количествено характеризуемые диапазоном частот колебаний, а также их амплитудой, ускорением, временем действия. Качественно все виды механических динамических воздействий делятся на ви­брационные (вибрации), ударные (удары), инерционные (линейные ускорения). Под вибрацией РЭС обычно понимают длительные знакопеременные процессы в ее конструкции, которые влияют на работу РЭС. Ударом называют кратковременное воздействие, длительность которого примерно равна двойному времени распространения ударной волны через объект, подвергшийся удару. Удар сопровождается конечным изменением скорости движения тела за время удара. В момент удара происходит колебание системы на вынужденной частоте, определяемой длительностью удара, а после него—на собственной частоте конструкции.

Линейные ускорения характерны для всех объектов, движущихся с переменной скоростью (например, при разгоне и торможении), а также при движении по криволинейной траектории (центробеж­ное ускорение). В процессе работы может изменяться значение и направление линейного ускорения (например, при выключении стартового двигателя ракеты). Результат воздействия линейных ускорений на РЭС может носить характер динамический (при изменении ускорения до установившегося значения) или статический (после достижения установившегося значения).

Механические воздействия характеризуются перегрузкой п, которая кратна ускорению силы тяжести g. Вибрации характеризуются также амплитудой колебаний и их частотой, а удар — длительностью, амплитудой и формой ударного импульса. Перегрузка объекта при вибрации выражается коэффициентом виброперегрузки , где х — амплитуда вибраций объекта, мм; f—частота колебаний, Гц. Амплитуда перегрузки удар­ного импульса, характеризующая максимальное значение ударно­го ускорения, может быть определена по формуле , где S—перемещение соударяющихся тел с учетом амортизации, мм; — мгновенная скорость в момент удара, мм/с.

При перемещении по криволинейной траектории (например, при маневрировании летательного аппарата) линейное центро­бежное ускорение может быть определено по формуле , где — линейная центробежная перегрузка при вращении; R—радиус вращения, мм; — частота равномерного вращательного движения, Гц.

Параметры механических динамических воздействий на РЭС для различных условий эксплуатации согласно отечественным и зарубежным данным приведены в табл. 5.1. Источниками механи­ческих воздействий могут быть: вибрации движущихся частей двигателя и движителя из-за несбалансированности их частей и наличия зазоров; акустические колебания, вызванные взаимо­действием турбулентных газовых потоков с корпусом реактивного двигателя; перегрузки при маневрировании; неровности дорог и стыки рельсов; аэродинамические и гидродинамические воздейст­вия окружающей среды (ветер, волны, снежные лавины, землетря­сения, обвалы и т. д.); взрывные воздействия; небрежность или неосторожность обслуживающего персонала (падение РЭС, удары при погрузочно-разгрузочных работах и пр.).

Механические динамические нагрузки, воздействующие на РЭС, могут вызвать большие механические напряжения в их элементах (компонентах), нарушить нормальные режимы работы или даже привести к выходу из строя тех или иных частей РЭС. Согласно проведенным в США исследованиям, от 22 до 41% отказов самолетного оборудования были вызваны действием механических нагрузок, а число отказов бортовых ЭВМ вследствие механических воздействий достигает 50%.

Влияние механических воздействий на РЭС. В результате воз­действия вибраций, ударов и линейных ускорений могут иметь место следующие повреждения РЭС: нарушение герметичности вследствие разрушения паяных, сварных и клеевых швов и появле­ния трещин в металлостеклянных спаях; полное разрушение кор­пуса РЭС или отдельных его частей вследствие механического ре­зонанса или усталости; обрыв монтажных связей, в том числе внеш­них выводов ИС; отслоение печатных проводников; отрыв навесных ЭРЭ; расслоение многослойных печатных плат; поломка (растрески­вание) керамических и ситалловых подложек; временный или окон­чательный выход из строя разъемных и неразъемных электрических контактов (в реле, соединителях, цепях заземления, экранирования и т. д.); модуляция размеров волноводных трактов, коаксиальных кабелей, конденсаторов переменной емкости, колебательных конту­ров, электровакуумных приборов; изменение паразитных связей; сме­щение положения органов настройки и управления; выход из строя механических узлов (подшипников, зубчатых пар, крепежа и т. д.). Под влиянием механических воздействий может произойтиизменение параметров полупроводниковых приборов: вольт-ам­перных характеристик диодов с барьером Шотки, транзисторов и других приборов; емкости и напряжения пробоя p-n-переходов, некоторых характеристик диодов Ганна, коэффициента усиления транзисторов, длины волны излучения полупроводникового лазера и т. д.

Таблица 5.1 Параметры механических воздействий РЭС

Прожолжение таблицы 5.1 Параметры механических воздействий РЭС

В основе этих изменений лежат явления смещения энергети­ческих уровней, изменения ширины запрещенной зоны при дефор­мации; эффективной массы, времени жизни и подвижности носителей тока.

Механические воздействия на РЭС могут привести к изменению диаграммы направленности антенн, сбоям цифровых устройств, снижению чувствительности и смещению частотного диапазона приемников, повышению энергопотребления (при коротком замы­кании), снижению точности работы. Это наиболее вероятно в тех случаях, когда компоненты РЭС одновременно подвергаются различным воздействиям: вибрациям, ударам, линейным ускорени­ям, монтажным усилиям (затяжка винтов), возникшим в результате полимеризации внутренним напряжениям в полимерах и напряжения в структурах из-за различия ТКЛР материалов и изменения температуры Наибольшую опасность представляют резонансы отдельных компонентов и узлов, возникающие в случаях, когда их собствен­ная частота ( ) совпадает с частотой действующих на аппа­ратуру вибраций ( ). Собственная частота компонентов и узлов конструкции может быть определена по формуле , где —коэффициент жесткости конструкции, Н/м, определяемый как отношение силы к деформации, вызванной этой силой; т масса конструкции, кг. Поведение конструкции при воздействии механических колебаний зависит от соотношения действующей и собственной частот конструкции, называемого коэффициентом расстройки: . Для виброизолирующих систем коэффициент расстройки стараются выбрать более 1,41, а для жестко закрепленных компонентов—равным 0,8...0,3. При =1 режим соответству­ет резонансному. Одной из основных причин вибраций и резонансов является наличие зазоров между деталями и люфтов в соеди­нениях. Чем выше частота колебаний, тем при меньшем зазо­ре может возникнуть резонанс. Зоны контакта деталей при их соударении являются центрами возбуждения механических колебаний.

Защита РЭС от механических воздействий осуществляется сле­дующими группами методов: 1) уменьшается интенсивность источников механических воздействий (путем их балансировки, уменьшения зазоров, виброизоляции самого источника механичес­ких воздействий); 2) уменьшается величина передаваемых РЭС воздействий (путем его виброизоляции, демпфирования, устране­ния резонансов, активной виброзащиты с помощью эксцентриков, маятников, гироскопов); 3) используются наиболее прочные и жесткие компоненты и узлы.

Методы первой группы применяют специалисты по двигателям и транспортным средствам. Методы второй и третьей групп используют конструкторы РЭС, однако методы активной виб­розащиты имеют ограниченное применение по причине высокой сложности и низкой надежности технических решений.

Устойчивость РЭС к механическим воздействиям принято характеризовать ее вибропрочностью и виброустойчивостью. Первая характеристика связана с транспортной вибрацией (ап­паратура выключена), вторая — с эксплуатационной (аппаратура включена). Вибропрочностью называют способность конструкции противостоять разрушающему воздействию вибрации в заданном диапазоне частот и ускорений (не должно происходить силовых и усталостных разрушений). Виброустойчивостью называют спо­собность конструкции РЭС выполнять свои функции при вибрации в заданных диапазонах частот и ускорений (не должно проис­ходить изменения параметров РЭС: чувствительности, мощности излучения, паразитной модуляции, перемежающихся отказов и т. д.). Под прочностью понимают способность конструкции выдер­живать нагрузки без остаточной деформации и разрушения.

Повышение прочности в ряде случаев связано с увеличением массы конструкции или использованием дорогих и дефицитных материалов (титана, легированных сталей, бериллиевых сплавов и т. д.), сложной технологии их обработки (магниевых, берилли­евых сплавов).

§ 5.2. Защита рэс от механических воздействий с помощью виброизоляции

Система виброизоляции РЭС. Виброизоляция осуществляется путем установки между РЭС и основанием упругих опор, образующих вместе с конструкцией РЭС сложную колебательную систему, ко­торая обладает свойствами демпфирования и частотной селекции механических колебаний. Демпфирование заключается в поглоще­нии механических колебаний за счет трения в материале конструк­ции упругой опоры (резине, поролоне, вибропоглощающем покры­тии), сочленениях амортизатора (сухом демпфере), перетекающем через дроссель материале (воздухе, вязкой жидкости). Частотная селекция механических колебаний заключается в том, что система виброизоляции в зарезонансной области является фильтром ниж­них частот, а при совпадении собственной частоты системы и частоты внешних воздействий переходит в резонансный режим.

Рис. 5.1. Колебательная система из инерционного элемента массой т, спи­ральной пружины и демпфера, подверженная силовому возмущению

В общем случае виброизолированный объект может иметь шесть степеней свободы относительно трех осей координат (три—для линейных перемещений и три — для угловых). В тех случаях, когда линейные или угловые перемещения не являются взаимосвязанными, можно ограничиться рассмотрением поведения системы с одной степенью свободы, для чего требуется только одна координата, чтобы определить положение системы в любой момент времени (рис. 5.1). Такая колебательная система состоит из инерционного элемента массой т, установленного на пружине, характеризуемой коэффициентом жесткости К, и демпфере с коэффициентом демпфирования h, которые закреплены не­посредственно на основании. Таким об­разом, тело массой т может перемещаться в направлении оси X так, что его положе­ние полностью определяется координатой х.

Силы, действующие при колебаниях виброизолированного объекта, можно раз­делить на возмущающие, восстанавлива­ющие, демпфирующие, инерционные. Воз­мущающие силы F(t) — это внешние силы, являющиеся некоторыми функциями вре­мени и вызывающие вынужденные коле­бания системы, на которую они действуют.

Восстанавливающие силы Кх возникают при отклонениях системы виброизоляции от положения равновесия и стремятся вернуть ее в это положение. Колебательные свойства систем вибро­изоляции обусловлены в основном наличием восстанавливающих упругих сил. Количественным показателем, характеризующим восстанавливающие свойства амортизатора, является статический коэффициент жесткости К, устанавливающий связь между вос­станавливающей силой и деформацией амортизатора х. Демп­фирующие силы h зависят от знака, знака и скорости или знака и амплитуды колебаний. Эти силы всегда направлены противоположно направлению скорости или перемещения, что способствует гашению колебаний за счет поглощения энергии. Инерционные силы (т ) обусловлены массой колеблющейся системы и ее ускорением.

Если такую виброизолированную механическую систему вывес­ти каким-либо образом из равновесия или сообщить ей некоторую скорость, то после прекращения действия внешней силы под дей­ствием инерционных и упругих сил в ней возникает затухающее колебательное движение. Такие колебания называют свободными собственными колебаниями системы. Количественной мерой этих колебаний является частота свободных колебаний (Гц) или собственная частота системы.. Если колебания системы совершаются в результате постоянного действия силы F(t), приложенной непосредственно к виброизолированному телу мас­сой т либо к основанию или в результате постоянно совершаемо­го движения основания, то такие колебания называют вынужден­ными; частота их соответствует частоте внешнего воздействия /. Дифференциальное уравнение движения тела массой т под воз­действием силы F(f) для демпфированной системы