Вибровозбудитель сейсмического типа для проведения испытаний РЭС на стойкость к внешним вибрационным воздействиям

УДК УДК 519.879.5

Голушко Д.А., Долотин А.И., Ястребова Н.А.

ПГУ

ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЬ СЕЙСМИЧЕСКОГО ТИПА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ РЭС НА СТОЙКОСТЬ К ВНЕШНИМ ВИБРАЦИОННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

Аннотация. Предложен волновой метод исследования динамических характеристик упругих конструкций РЭС при внешних механических воздействиях. Показана актуальность и теоретические основы метода. Приведены аналитические расчеты стержневых элементов конструкций РЭС, а также результаты экспериментов проведенных предложенным методом.

Ключевые слова: деформация, вибрационное воздействие, надежность, волновой метод.

Силовыми элементами конструкций радиоэлектронных средств (РЭС) могут быть стержни, рамы, стержневые каркасы. При эксплуатации на подвижных носителях в указанных конструкциях могут возникать вибрации. Возникновение резонансных колебаний в этих конструкциях и их элементах оказывает существенное влияние на функционирование электронного средства в целом.

Поэтому, по-прежнему остаётся актуальной задача исследования и анализа работы конструкций и их элементов в условиях динамических внешних воздействий. При этом сочетание экспериментальных и теоретических методов исследования даёт хорошие результаты при решении различных практических задач.

Классическая теория колебаний упругих систем исходит из элементарных опытных данных: закона Гука, колебаний материальной точки (пружинный маятник), а также колебаний дискретных систем, состоящих из отдельных масс [1]. Считается, что нормальные колебания сплошной системы идентичны нормальным колебаниям дискретной системы. Таким образом, классическая теория склонна расчленять сложные явления на элементы, чтобы выводить законы поведения целого из законов поведения элементов.

Однако опыт квантовой механики показывает, что в случае сложных систем целесообразнее делать непосредственные переходы от поведения одного целого к поведению другого целого, минуя элементарный уровень [2].

В этом случае анализ поведения сложной системы должен строиться на интегральном опытном материале, то есть на некоторых данных о поведении системы как целого.

Для получения фундаментального опытного материала нужен метод, позволяющий получить данные - полные в смысле их обусловленности только исследуемой системой и приспособленности для систематического модельного экспериментирования.

В статье рассматривается применение динамического волнового метода для исследования поведения упругих конструкций (стержневых, пластинчатых) при нестационарном нагружении.

По предлагаемому методу исследуются спектральные колебательные характеристики виброизолированного объекта 4, который закрепляется на эластичных виброизолирующих опорах или подвесах 3 (рис. 1).

На поверхности объекта выбираются несколько точек, в которых осуществляется воздействие переменными силами, действующими в выбранных постоянных направлениях, а также выбирается точка и соответствующее направление приёма компоненты виброскорости. Источники силового воздействия 1 и приёма сигналов 2 закрепляются внешне по отношению к исследуемой системе и входят в точечный контакт с системой посредством игл 5 (см. рис. 1).

Источники вибросил 1 и виброприёмники 2 представляют собой электромеханические преобразователи магнитоэлектрического типа. Их устройство показано на рисунке 2.

В их состав входит магнитная система 1 с кольцевым воздушным зазором 2, в котором имеется радиально направленное магнитное поле. Применение электромагнита вызвано стремлением получить в зазоре величину магнитной индукции порядка 0,5-0,7 Тл при относительно большой ширине зазора (1-1,5 мм), но остаётся возможным применение постоянных магнитов.

В кольцевой зазор магнита входит подвижная катушка 3 из тонкого медного провода, намотанного на цилиндрический бумажный каркас. В верхней части каркас имеет донышко, посредством которого катушка приклеивается к игле 5 (рис. 2). Игла вместе с подвижной катушкой образует лёгкую (20-30 мг) подвижную систему, подвешенную на эластичных полосковых пружинах 4.

Жёсткость подвеса определяется формулой

F = ma/S,

где F - сила упругости на единицу перемещения иглы; a - максимальная величина виброускорений в исследуемой системе; m - масса подвижной системы; S - допустимый ход подвижной катушки

(±2 мм).

При имеющихся на практике виброускорениях и при указанной массе подвижной системы жёсткость получается достаточно малой, для того чтобы обеспечить виброразомкнутость устройства.

Также устройство источника силового воздействия на практике даёт возможность воздействовать на упругий элемент именно сосредоточенной внешней силой, изменяющейся по какому-либо закону.

Справедливость этого утверждения в физике колебаний [1] показана на примере полубесконечного стержня, на один край которого (сечение В) через упругую связь С (рис. 3) действует рычаг (сечение А) с силой, изменяющейся по гармоническому закону. Показано, что если жёсткость связи С гораздо меньше жёсткости стержня, то можно считать, что движется только конец А связи С (в нашем случае это подвижная катушка), а конец В практически покоится, так как всегда можно настолько уменьшить жёсткость связи С, чтобы смещением точки В можно было пренебречь по сравнению со смещением точки А. Тогда практически сила со стороны связи С на конец стержня В не зависит от движения этого конца стержня В.

А В

о

-Х0 *о

Рисунок 3 - Способ задания внешней силы в полубесконечный стержень

В этом случае малая жёсткость связи С достигается введением упругого промежуточного звена (консольные пружины, на которых крепится игла с подвижной катушкой) с малой жёсткостью, почти полностью отражающего колебания сечения В стрежня.

В теории упругости [3] доказано, что если на границе полубесконечной среды (рис. 4) действует сосредоточенная сила (задача Лемба), то непосредственно от действия этой силы в полупространстве распространяются две волны: волна расширения занимающая области I, II, III и волна сдвига - область I. При распространении этих волн возникает дополнительное возмущение в

Волна расширения порождает отражённые волны расширения (области I, II, III) и сдвига (области I, II). Волна сдвига также порождает две отражённые волны, причём отражённая волна расширения по-прежнему занимает все три области, а отражённая волна сдвига - область I. Фронты указанных волн представляют собой дуги окружностей и отрезки прямых (см. рис. 4).

Сдвиговая волна порождает незатухающие поверхностные волны, распространяющиеся с релеевской скоростью (волны Релея) по поверхности полупространства (то есть при Z = 0). Когда скорость нагрузки (переменной внешней силы) совпадает одновременно с фазовой и групповой скоростями распространяющихся в среде волн, возникают резонансные волны [3]. Для конкретных конструктивных элементов (стержни, пластины) это положение формулируется так [1]: когда частота гармонической внешней силы совпадает с одной из нормальных частот колебательной системы, в последней возникает явление резонанса, при котором амплитуда волны начинает значительно возрастать.

Эти волны фиксирует виброприёмник 2 (см. рис.1) в подвижной катушке которого возникает электродвижущая сила, пропорциональная принимаемой виброскорости. Приведённый анализ показывает, что предлагаемое устройство (источник вибросил и виброприёмник) позволяет получить в упругой системе резонансную волну, зависящую только от исследуемой системы (рис. 5).

Возбуждая в колебательной системе различные резонансные волны путём установления соответствующей резонансной частоты воздействия, можно определить дискретный спектр собственных частот исследуемой конструкции, получить собственную форму колебаний для отдельных собственных частот, а также исследовать пространство собственных в случаях, близких к вырождению собственных чисел. Всё это и составит спектральные колебательные характеристики виброизолированного упругого пространственного объекта, которые можно использовать в практической деятельности, например, для анализа работоспособности конструкций РЭС, работающих в условиях сложных внешних динамических воздействий.

Рисунок 5 - Прототип виброиспытательной установки

При помощи предложенного метода и соответствующего программно-аппаратного обеспечения были проведены исследования динамических характеристик стального стержня длиной l = 180 мм. Сечение

Е = 2,1

стержня - квадрат со стороной b = 3 мм. Модуль упругости материала стержня

1 0 1 1 Н/м 2, плотность материала р = 7800 кг/м3

При помощи формулы для расчёта собственной частоты изгибных колебаний шарнирно закреплённого стержня [4]:

П2Т12

П - L2

где - момент инерции сечения, для данной задачи равный

площадь поперечного сечения, равная

9-1 0 - 6 м 2,

6 ,7 5-1 0 - 1 2 м 4;

определены три первые резонансные

S

частоты.

Первая резонансная частота:

fi =7- = 217 (Гц);

Z71

Вторая резонансная частота:

f2 = 1 = 8 7 1 (Гц) ;

Третья резонансная частота:

f3=|= 19 59 (Гц) ;

На втором этапе проведено исследование колебаний стержня на представленной установке.

В ходе первого эксперимента были определены первые три резонансные частоты исследуемого стержня. На рисунке 6 представлена амплитудно-частотная характеристика исследуемого стержня. Всплескам на характеристике соответствуют резонансные частоты, первая из которой равна 270 Гц, вторая - 740 Гц и третья резонансная частота соответственно 1500 Гц.

0 500 1000 1500 2000

Рисунок 6 - Амплитудно-частотный спектр исследуемого стержня

Во втором эксперименте были построены формы колебаний стержня на полученных резонансных частотах. На рисунках 7-9 изображены формы колебаний стержня на первой, второй и третьей резонансных частотах. Полученные формы с определённой погрешностью соответствуют теоретическим представлениям о колебаниях систем такого рода [1].

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Рисунок 9 - Форма колебаний стержня на первой резонансной частоте

см

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Рисунок 7 - Форма колебаний стержня на второй резонансной частоте

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Рисунок 8 - Форма колебаний стержня на третьей резонансной частоте

Таким образом, если брать за основу частоты аналитического решения, то погрешность эксперимента по определению резонансных частот составляет от 15 до 23 %, что является удовлетворительным, с практической точки зрения, результатом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хайкин С.Э. Физические основы механики. - М.: Физматлит, 1963. - 772 с.

2. Горшков А.А. Метод экспериментального исследования колебаний упругих систем. - М.: ВИНИТИ, №1136 - 75 Деп. 1975. - 16 с.

3. Слепян Л.И. Нестационарные упругие волны. - Л.: Судостроение, 1972. - 373 с.

4. Токарев М.Ф. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие / М.Ф. Токарев и др./ Под ред. В.А. Фролова. - М.: Радио и связь, 1984. - 224 с.

5. Рындин Д.А. Система генерации тестового сигнала для исследования динамических характери-

стик элементов конструкций РЭС / Рындин Д.А., Таньков Г.В., Затылкин А.В. // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС : межвуз. сб. науч. тр. / под ред. проф. Н. К. Юркова. -

Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - Вып. 17. - 290 с.

6. Затылкин, А.В. Метод связанных систем в моделировании процесса обучения /

А. В. Затылкин, В. Б. Алмаметов, И. И. Кочегаров // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. № 4 (9). - С. 56-61.

7. Затылкин, А.В. Инновации в образовательных учреждениях и интерактивные программы обучения / А.В. Затылкин // Надежность и качество: тр. Междунар. симп. Том 1 / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2011. - С. 340-344.

8. Затылкин, А.В. Система адаптивного тестирования на основе нечеткого логического вывода /

A. В. Затылкин // Надежность и качество: тр. Междунар. симп. Том 2 / под ред. Н. К. Юркова. -Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012. - С. 133-135.

9. Архитектура ИКОС с внешним объектом изучения / А.В. Затылкин, Н.К. Юрков, И.Д. Граб,

B. Б.Алмаметов, В.А.Трусов // Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 1./

Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008, с. 211-213.

10. Лысенко, А.В. Структура и программно-информационное обеспечение информационноизмерительного лабораторного комплекса / А.В. Лысенко, Н.В. Горячев, Н.К. Юрков // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2012. Т. 130. № 5. С. 169-173.

11. Лысенко, А.В. Алгоритм функционирования стенда исследования теплоотводов и систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры / А.В. Лысенко, И.Д. Граб, Н.В. Горячев, Н.К. Юрков // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2011. № 1. С. 385-391.

12. Затылкин, А.В. Управление исследованиями моделей радиотехнических устройств на этапе

проектирования / А. В. Затылкин, А. Г. Леонов, Н. К. Юрков // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии: научно-технический журнал - Астрахань: Издательский дом «Астрахан-

ский университет», 2012. - № 1(17). - С. 138-142.

13. Затылкин, А. В. Система обработки экспериментальной информации в проектных исследованиях радиотехнических устройств / Д. В. Ольхов, А. В. Затылкин, Н.К. Юрков // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012. № 5. - С. 94-99.

14. Затылкин, А.В. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом / А.В. Затылкин, И.И. Кочегаров, Н.К. Юрков // Надежность и качество: тр. Междунар. симп. Том 1 / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та,

2012. - С. 365-366.

15. Држевецкий А.Л., Григорьев А.В. Автоматизированная система оптического допускового контроля печатных плат и фотошаблонов. — «Метрология» (прил. к ж. «Измерительная техника»), 1995,

вып. 4, C. 11-18.

16. Григорьев А.В., Држевецкий А.Л., Граб И.Д. Уровни предпочтений в системе распознавания электронно-дифракционных картин. — Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том

1 / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2010, С. 396-399.

17. Григорьев А.В., Држевецкий А.Л. Критерий обнаружения объектных фрагментов штрихового

изображения в полутоновом. — Надежность и качество - 2011: труды Международного симпозиума: в

2 т. /под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011, С. 310-312.

18. Затылкин, А.В. Автоматизированная многоканальная виброиспытательная установка / А. В. Затылкин, А.В. Лысенко, Д.А. Голушко, Д.А. Рындин, Н.К. Юрков // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс : Периодическое научное издание - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2012. Спецвыуск - С. 63-67 С.

19. Юрков, Н.К. Измерение параметров трехэлементных нерезонансных двухполюсников на фиксированной частоте/Н.К.Юрков, М.В.Клюев, Е.В. Исаев //Измерительная техника, 2012, № 11, с. 2932

20. Информационные технологии проектирования РЭС. Единое информационное пространство предприятия : учеб. пособие / В. Б. Алмаметов, В. Я. Баннов, И. И. Кочегаров. - Пенза : Изд-во

ПГУ, 2013. - 108 с.

21. Микроконтроллеры AVR. Лабораторный практикум : учеб.пособие / И. И. Кочегаров, В. А.

Трусов. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - 122 с

22. Горячев Н.В. Совершенствование структуры современного информационно-измерительного комплекса / Н.В. Горячев, Н.К. Юрков // Инновационные информационные технологии. 2013. Т. 3. № 2.

C. 433-436.

23. Юрков, Н.К. Синтез автоматизированной системы оценивания качества пилотирования на авиационном тренажере/Н.К.Юрков, А.И.Годунов, Ю.Г. Квятковский //Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 1 (21). - С. 58-64

24. Затылкин, А.В. Программная система оценки теплового режима конструкций РЭС / А. В. Затылкин, И. И. Кочегаров, С. В. Крылов, // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс: Периодическое научное издание - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2012. №4 - С. 125-130 С.

25. Затылкин, А.В. Моделирование изгибных колебаний в стержневых конструкциях РЭС / А.В. Затылкин, Г.В. Таньков, // Надежность и качество: Труды международного симпозиума / Под ред.

Н.К. Юркова - Пенза: ИИЦ ПГУ, 2006, с. 320-323.