Материал: Защита конструкций РЭС от динамических механических воздействий

(5.1)

где h — коэффициент демпфирования; К—коэффициент жесткости амортизатора с линейной характеристикой. В случае сухого трения , где . — коэффициент трения; N—нормальная к поверхности сила; sgn — знак, означающий, что сила направлена противоположно скорости движения (для сухого трения) или противоположно направлению перемещения (для вязкого трения). В случае вязкого трения ; в случае нелинейного демпфи­рования с использованием вязкой жидкости , т. е. пропорционален квадрату скорости и противоположен перемеще­нию. Иногда применяют амортизаторы с нелинейной характерис­тикой, особенностью которых является зависимость частоты их свободных колебаний от амплитуды.

Рис. 5.2. Номограмма для опреде- Рис. 5.3. Зависимость коэффициента

ле­ния эффективности виброи - виб­роизоляции г) от коэффициента

золяции си­стемы Э в зависи - расстрой­ки у при вязком трении

мости от соотноше­ния час - и кинематичес­ком возбуждении

тот f и f₀ (через основание)

Качество виброизоляции характеризуется коэффициентом ви­броизоляции (динамичности) , который показывает, во сколько раз амплитуда перемещения объекта х или его перегрузка больше (меньше) амплитуды А_о перемещения основания, на кото­ром расположен виброизолированный объект или его перегрузки Другим показателем, характеризующим качество виброизоляции является коэффициент эффективности виброизоляции

Э = (1— )*100 (рис. 5.2).

Решение уравнения (5.1) зависит от коэффициента относитель­ного затухания , где —коэффициент критичес­кого демпфирования. Стационарной частью решения уравнения (5.1) является зависимость , на основании которой в результате преобразования могут быть построены зависимости коэффициента виброизоляции от коэффициента расстройки различных значений коэффициента относительного затухания D (рис. 5.3). При рассмотрении графиков рис. 5.3 можно отметить следующие особенности работы амортизаторов с демпфером.

1. При , близком единице, наступает резонанс. Однако из-за наличия демпфирования амплитуда колебаний виброизолиро­ванного объекта не превышает 5... 10-кратного усиления ко­лебаний основания. Чем больше демпфирование, тем при резонансе меньше максимальная амплитуда колебаний. Часто резонансные явления возникают в переходном режиме при пуске или остановке двигателя. В этом случае чем быстрее происходит изменение частоты, тем меньше амплитуда резонанс­ных колебаний. В случае слабого демпфирования (острая резонансная кривая) отличие частоты возбуждающих колебаний от частоты собственных колебаний на 5... 10% приводит к исчезновению резонанса.

2. Независимо от степени демпфирования осуществляется защита от вибрации в области, удаленной от резонансной, когда . С увеличением у все кривые стремятся к нулю и эффективность виброизоляции повышается. В области частот, где , значение уменьшается при снижении демпфирования, т. е. увеличение демпфирования оказывает отрицательное влияние на эффективность виброизоляции в зарезонансной области.

3. В области , т.е. при , виброизоляция отсутствует . В этом случае защита от механических воздействий достигается обеспечением жесткости и прочности элементов конструкции, а также их демпфированием за счет свойств материалов.

Рис. 5.4. Схематическое изображение наиболее распространенных типов амортиза­торов:

а — АП, АЧ; б — АКСС; в — AM; г — АН; д — АО; е —АР; ж — АД; з — АФД, АПН; и — ДК; к — АЦМ, АЦП; л — лепестковый; м — тросовый; н —пружинно-поролоновый

Таблица 5.2 Параметры некоторых приборных амортизаторов

Амортизаторы для виброизоляции РЭС. Частоты интенсивных вибрационных воздействий на РЭС обычно составляют 5...2000 Гц. Поэтому нижняя граница частоты собственных колебаний амор­тизаторов должна лежать в полосе 1...3 Гц. Для виброударо-защиты РЭС первых поколений были разработаны так называе­мые приборные амортизаторы, которые можно разделить на три группы: резинометаллические (АП, АЧ, АКСС, AM, АО, АР и др.); пружинные с демпфированием (АД, АФД, АПН и др.); металлические (АЦМ, АЦП, АКПО, тросовые и т. д.). Схемати­ческое изображение некоторых приборных амортизаторов приве­дено на рис. 5.4, а основные характеристики — в табл. 5.2. Не­достатками приборных амортизаторов являются высокая собст­венная частота (10...30 Гц) и линейность статических и динами­ческих характеристик. Это накладывает ограничение на диапазон изменения статических нагрузок и свободный ход амортизатора одного типоразмера, что обусловлено сложностью регулирования сил внутреннего трения таких материалов, как резина, поролон, металл пружины.

Рис. 5.5. Пневмогидравлические амортизаторы:

а—с упругим шарниром; 6—малогабаритный со сферическим шарниром; в—тороидальный; /—корпус; 2—шток; 3, 4—кольца; 5 — упругий элемент; г — маятниковый противосейсмичес-кий: 1 — маятник; 2 — несущая платформа; 3— опора; 4 — упругий элемент; 5 — основание; д—гидропневматический: 1 — упругий элемент; 2, 8—трубопроводы; 3 — вентиль; 4—шток; 5—пружина; б — поршень; 7—корпус с жидкостью; 9—диафрагма; 10— баллон; 11— сжатый г

322

Рис. 5.6. Полимерно-пружин­ный амортизатор: 1 — корпус; 2—полимерный демпфер; 3 — шток; 4—цилинд­рическая пружина; 5, 7—верхняя и нижняя полимерные проклад­ки; 6—обойма; 8—днище

Рис. 5.7. Полимерно-пружин­ный амортизатор с экспо­ненциальной пружиной: 1—корпус амортизатора; 2, 6— нижняя и верхняя полимерные прокладки; 3 — обойма; 4—по­лимерный демпфер; 5—шток; 7—пружина

Рис. 5.8. Трехслойный поли­мерный амортизатор (а) (1—верхняя обойма; 2 — по­лимер КМ-9; 3—полимер, композиция № 1 на основе низковязкого тиокола; 4 — полимер ЭЗК-7; 5 — основа­ние) и схема испытаний амортизаторов (б) {1 — амортизаторы; 2—макет РЭС; 3 — крепежное прис­пособление; 4 — вибростенд; 5—виброакселерометры)

От этих недостатков свободны пневмогидравлические аморти­заторы (рис. 5.5.). Нижний предел собственной частоты аморти- заторов различных типов составляет 0,5...5 Гц. Это позволяет осуществлять виброизоляцию от воздействий частотой 1...7 Гц. Дросселирование упругой среды позволяет обеспечить большой диапазон изменения статических нагрузок и нелинейность характеристик при значительном отклонении амортизаторов от статического положения, что позволяет получить высококачественную виброудароизоляцию при ограниченном ходе амортизатора. В последнее время стали также использовать амортизаторы на основе вибропоглощающих полимерных мате риалов (рис. 5.6—5.8), что позволяет осуществить виброзащиту в диапазоне 20...2000 Гц. Это особенно важно при защите аппаратуры от акустического воздействия двигателей самолетов и ракет.

Проектирование системы виброизоляции. При разработке си­стемы виброизоляции габариты, масса, стоимость, надежность и условия эксплуатации защищаемого объекта выступают в качестве ограничений. Определению подлежат типоразмер и число амортизаторов, их расположение, параметры прокладок для устранения перекосов и меры коррекции положения оси жесткости амортизаторов. Критериями правильности проектирования си­стемы виброизоляции являются допустимые перегрузки и амп­литуды вынужденных колебаний виброизолированного блока.

При проектировании системы виброудароизоляции исходят из общих положений теории колебаний и теории удара. Как правило, производят статический и динамический расчет. Целью статического расчета системы виброизоляции является определе­ние статических нагрузок на каждый амортизатор и последующий выбор типоразмера амортизаторов в соответствии с найденными нагрузками. При этом уточняются координаты расположения амортизаторов и параметры выравнивающих прокладок. Если блок массой т опирается на четыре несимметрично расположен­ных амортизатора (рис. 5.9), то нагрузка на каждый амортизатор:

Если нагрузка оказывается неравномерной, то следует либо изменить координаты размещения амортизаторов, либо приме­нить амортизаторы различных типоразмеров. В случае различного начального прогиба амортизаторов необходимо предусмотреть выравнивающие прокладки. Для изменения суммарной жесткости системы виброизоляции применяют параллельные, последователь­ные и смешанные схемы соединения амортизаторов (рис. 5.10). Формулы для расчета суммарной жесткости приведены на рис. 5.10. Параллельное соединение амортизаторов делает систему более жесткой, а последовательное соединение — более мягкой. Однако стремление повысить эффективность виброизоляции путем последовательного соединения двух амортизаторов приводит к системе с 12 степенями свободы, что чаще всего дает обратный эффект. Прибегать к таким конструкциям, как правило, нежела­тельно.

При расчете системы виброизоляции на воздействие ударного импульса необходимо определить максимальное ускорение и перемещение амортизированного объекта в результате действия ударного импульса. Исходным для расчета является закон изменения ускорения во время удара n(t), который может быть задан функциональной зависимостью или графически, что пол­ностью определяет форму ударного импульса.

Рис. 5.9. Схема для опреде­ления Рис. 5.10. Схемы соединения

нагрузки на аморти­затор блока: аморти­заторов: а—параллельное;

ОЦТ—ось центра тяжести б—последовательное; в — смешанное

Форма эквивалентного ударного импульса принимается пря­моугольной, что в энергетическом отношении является наиболее тяжелым случаем для системы амортизации. Формулы для вычисления параметров эквивалентного прямоугольного импульса для некоторых частных случаев приведены в табл. 5.3, где n(t) —закон изменения ускорения основания амортизированного объекта, — длительность ударного импульса. Если соотношение между длительностью эквивалентного ударного импульса и собственной частотой системы соответствует условию , то удар называется длинным, при ударназывается коротким.

Таблица 5.3 Формулы для расчета параметров эквивалентного прямоугольного ударного импульса

Максимальное перемещение амортизиро­ванного объекта для длительного удара , а для короткого Максимальное ус­корение амортизированного объекта в результате действия прямоугольного ударного импульса определяется по формуле - Защита от удара имеет место в том случае, если обеспечено соотношение . При этом ускорение объекта меньше ускорения внешнего удара. Поэтому для обеспечения условий защиты от ударов надо стараться уменьшить значение - Однако следует учесть нелинейность характеристик амортизаторов, иначе могут быть получены неверные результаты.

Реальные виброизолирующие системы способны ослаблять только очень короткие и резкие удары (ускорением 50.. 100 g и длительностью 0,001 с) или продолжительные, но слабые (5...10g и 0 005 .0,01 с). Если система не защищена от удара и переме­щение объекта превышает допустимую осадку амортизаторов, то выбирают амортизатор другого типа или вводят ограничение перемещения объекта.

Сложность выбора амортизаторов, защищающих одновремен­но от вибрации и ударов, обусловлена тем, что при ограниченном ходе амортизатора с малой жесткостью (низкой собственной частотой сильный удар может довести его до упора. В результате удар от упора, передаваемый аппаратуре, может иметь ускорение большее, чем при первоначальном ударе, так как перемещение при торможении может быть меньше. Затрудняет работу амор­тизаторов одновременное воздействие вибраций, ударов и линей­ных ускорений. Так, линейное ускорение после достижения установившегося значения приводит к дополнительной деформа­ции амортизаторов и может довести их до упора. В этом случае виброизолирующие свойства исчезают, а виброзащита РЭС осуществляется за счет прочности и жесткости конструкции РЭС (как и в случае отсутствия амортизаторов). При одновремен­ном воздействии значительных ударных нагрузок и вибрации целесообразно использовать пневмогидравлические амортизаторы. Определяя расположение амортизаторов, надо стремиться к тому, чтобы координаты центра тяжести объекта по возможности совпадали с координатами центра жесткости системы виброизоляции. Схемы расположения амортизаторов относительно центра тяжести РЭС могут быть самыми разнообразными (рис. 5.11). Каждая схема имеет свои преимущества и недостатки. Схема нижнего монтажа (рис 5 11 а) чаще всего используется для амортизации при воздействии вибрации. Это' наиболее простая схема, и ее часто выбирают по привычке без учета недостатков. Наиболее существенный из них состоит в том, что при боковых нагрузках следует предусматривать достаточный зазор между виброизолируемым объектом и смежными конструкциями, чтобы избежать соударения. Такие же последствия вызывает несовпадение центра тяжести РЭС с центром жесткости системы виброизоляции. Поэтому эта схема применяется в РЭС винтовыхсамолетов.