Экспериментальная информационно-измерительная система для проведения испытаний на воздействие вибрации

УДК 368.3

С. А. Бростилов, Д. А. Голушко, Н. В. Горячев, В. А. Трусов, Н. К. Юрков

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ВИБРАЦИИ1

S. A. Brostilov, D. A. Golushko, N. V. Goryachev, V. A. Trusov, N. K. Yurkov

EXPERIMENTAL INFORMATION-MEASURING SYSTEM FOR TESTING THE EFFECTS OF VIBRATION

Аннотация. Актуальность и цели. Разработана экспериментальная информационно-измерительная система, позволяющая определять динамические характеристики, наиболее полно соответствующие свойствам объекта исследования. Результаты. Разработанная экспериментальная информационно-измерительная система является важным аспектом при выборе методов, средств и режимов проведения испытаний на воздействие вибрации. Информационно-измерительная система состоит из системы управления информационно-измерительной системы, многоканальной вибрационной установки индукционных виброизмерительных преобразователей прямого действия, цифрового генератора, дифференциального усилителя. Полученные экспериментальные данные сравнивались с результатами, полученными на вибростенде ВС132 при классическом закреплении объекта исследования на вибростоле. Анализ показал, что отдельные резонансы на вибростенде ВС132 возбуждаются со значительно меньшими амплитудами. На частоте 200 Гц амплитуда, полученная на вибростенде ВС132, на 75 % ниже амплитуды, полученной на разработанной информационно-измерительной системе. Кроме того, точность определения резонансных частот информационно-измерительной системы в низкочастотной области повышена на 5 %, что объясняется улучшенным усреднением при измерении и отсутствием пульсаций из-за увеличенного времени прохождения низкочастотной области частотного диапазона. Выводы. Разработанная информационно-измерительная система позволяет определять динамические характеристики, наиболее полно соответствующие свойствам объекта исследования. Такая возможность является важным аспектом при выборе методов, средств и режимов проведения испытаний на воздействие вибрации. Использование независимого возбуждения точек крепления объекта исследования позволяет возбуждать резонансы на всех собственных формах в исследуемом частотном диапазоне.

Abstract. Background. The development of a pilot information-measuring system allowing to determine the dynamic characteristics relate to properties of the object of study. Results. Developed experimental and measurement system allowing to determine the dynamic characteristics relate to properties of the object of study, which is an important aspect in the choice of methods, tools and modes of testing on the effects of vibration. Information-

1 Статья подготовлена в рамках реализации проекта «Разработка методов и средств создания высоконадежных компонентов и систем бортовой радиоэлектронной аппаратуры ракетно-космической и транспортной техники нового поколения» (Соглашение № 15-19-10037 от 20 мая 2015 г.) при финансовой поддержке Российского научного фонда.

measuring system consists of control system information-measuring systems, multi-channel vibration installation induction vibration measuring converters (VIP), digital generator, differential amplifier. The obtained experimental data were compared with the results obtained on a shaker ВС132 the classical consolidation of the research object on a vibrating table. The analysis showed the individual resonances on the shaker ВС132 are excited with much smaller amplitude. At a frequency of 200 Hz, the amplitude obtained on a shaker ВС132 75 % below the amplitude obtained on the developed IMS. In addition, the accuracy of determining the resonant frequencies of the IMS in the low frequency region increased by 5 % due to improved averaging of the measurement and the absence of pulsation due to the increased time of passage bass region of the frequency range. Conclusions. Developed information-measuring system allows to determine the dynamic characteristics relate to properties of the object of study. This is an important aspect when choosing methods, tools and modes of testing on the effects of vibration. The use of independent excitation of the points of attachment of the object of research allows to excite resonances in all its forms in the studied frequency range.

Ключевые слова: электронные средства, информационно-измерительная система, механические воздействия, динамические характеристики.

Key words: electronic media, information-measuring system, mechanical impact, dynamic performance.

Введение

В настоящее время задача повышения надежности электронных средств (ЭС), устанавливаемых на подвижных носителях, является актуальной. Это обусловлено повышением нагрузок на бортовые ЭС (повышение маневренности, дальности действия наземного транспорта, авиации, ракетно-космических систем и т.д. ) и увеличением требований к их функциональным возможностям (увеличение степени интеграции элементов, уменьшение массогаба-ритных показателей и т.д.) [1-3].

Во всем мире и в России в том числе многие ученые уделяют решению этой задачи немало внимания. В процессе разработки и производства радиоэлектронных средств (РЭС) подвергаются различным видам испытаний на воздействие внешних факторов. Эти испытания являются одной из наиболее трудоемких и дорогостоящих процедур программы обеспечения качества и надежности. Так, например, в комплексе государственных военных стандартов «Мороз-6» (введен в действие с 1999 г.) включены 5 категорий контрольных испытаний (предварительные и государственные опытных образцов, периодические, приемо-сдаточные и типовые серийной продукции) и 55 видов испытаний, в том числе 22 на воздействие климатических и 19 механических факторов, а также испытания на надежность, безотказность, долговечность и сохраняемость [1, 4, 5].

Для количественной оценки безотказности изделий анализ распределения количества повторяющихся неисправностей по наработке на отказ позволяет выявить закономерности физических процессов развития эксплуатационных повреждений и установить их причины. По оценкам Российских ученых, количество отказов РЭС, оказавшихся в реальных условиях эксплуатации, доходит до 30 %, при этом до 40 % всех отказов происходит из-за негативного влияния внешних вибрационных воздействий [6-8]. Поэтому совершенствование методов и средств повышения эффективности испытаний для определения динамических характеристик конструкции печатных узлов ЭС путем создания новых информационно-измерительных систем (ИИС) является актуальной научно-практической задачей.

Описание конструкции и принцип действия информационно-измерительной

и управляющей системы

ИИС состоит из системы управления, многоканальной вибрационной установки индукционных виброизмерительных преобразователей (ВИП) прямого действия, цифрового генератора, дифференциального усилителя. Внешний вид ИИС представлен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид информационно-измерительной и управляющей системы Многоканальная вибрационная установка состоит из четырех вибраторов с датчиками

тока.

Вибровозбудитель состоит из магнитной и подвижной систем, соединенных с помощью крепежных элементов. Магнитная система состоит из двух постоянных магнитов и магнито-провода с воздушными зазорами. Подвижная система состоит из двух катушек медного провода и намотанных на бумажных каркасах, подвесов подвижной системы, стержневого толкателя для передачи вибрационного воздействия. Пьезоэлектрический измерительный элемент находится на одной радиальной центрирующей пружине, которая является частью единой подвижной системы датчика. Внешний вид и конструкция используемого вибровозбудителя представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Внешний вид вибровозбудителя

Рис. 3. Конструкция вибровозбудителя

Вибровозбудители закреплены на основании системы позиционирования так, что оси толкателей вибровозбудителей совпадают с крепежными отверстиями объекта исследования

(ОИ). Применяемый вибровозбудитель предназначен для подачи скорости вибросилового воздействия линейных перемещений. Пьезодатчик электромеханической обратной связи (ЭМОС) выполняется заодно с пластинчатой пружиной, оснащенной двумя пьезорезистивными тензо-датчиками, смонтированными по схеме моста Уитсона. Изгиб пластины вызывает деформацию тензодатчиков. Пьезорезистивные акселерометры, используя резистивные датчики с малым импедансом, малочувствительны к паразитным внешним воздействиям и возмущениям окружающей среды.

Цифровой генератор прямого синтеза предназначен для формирования многоканального испытательного сигнала с необходимой скоростью изменения частоты и фазовым сдвигом между каналами, формирования сигнала управления постоянной времени сглаживающего фильтра, формирования сигнала управления чувствительностью дифференциального усилителя. Генератор формирует четырехканальный испытательный сигнал плавающей частоты с необходимым фазовым сдвигом и сигнал управления постоянной времени, который синхронизирован с изменяющейся частотой.

Генераторы прямого цифрового синтеза уникальны тем, что генерируемый ими сигнал синтезируется со свойственной цифровым системам точностью. Частотное разрешение таких генераторов составляет сотые и даже тысячные доли герца. Такое разрешение недостижимо для других методов синтеза. Иной характерной особенностью технологии прямого синтеза является быстрая перестройка по частоте и фазе. Кроме того, DDS-генераторы практически не подвержены температурному дрейфу и старению.

После восьмиразрядного цифроаналогового преобразователя сигнал поступает на усилитель мощности. Компенсация искажений, возникающих в цепях «усилитель мощности -вибростенд» осуществляется с помощью ЭМОС. Дифференциальный усилитель предназначен для усиления сигналов с активного сопротивления и обмотки возбуждения одного из вибровозбудителей для последующего выпрямления. Регулятор постоянной времени меняет значение т в соответствии с сигналом управления от генератора. Далее постоянное напряжение измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и передается для вычисления модуля полного электрического сопротивления в ЭВМ. Полученная зависимость модуля полного электрического сопротивления от частоты позволяет достаточно точно выявить собственные частоты в установленном диапазоне частот.

Для измерения фазо-частотных характеристик в информационно-измерительных и управляемых системах применен фазовый детектор, структурная схема которого изображена на рис. 4.

Дифференциальный Триггер Ф1 , Фазовый Ш > Ф1ГЧ

усилитель Шмидта детектор

1 ф2

Входной Старший бит входного Выходной

сигнал порта генератора сигнал

Рис. 4. Структурная схема фазового детектора

Триггер Шмидта представляет собой Я^-триггер, управляемый одним входным аналоговым сигналом, с двумя разными напряжениями переключения в «1» и в «0», причем напряжение переключения в «1» выше напряжения переключения в «0» [9, 10]. Таким образом, синусоидальный сигнал, усиленный дифференциальным усилителем, преобразуется в прямоугольные импульсы с сохранением фазы исходного сигнала.

Цифровой фазовый детектор обладает высокой линейностью, работает с аналоговыми или цифровыми сигналами прямоугольной формы и представляет собой вентиль Исключающее ИЛИ [11, 12]. Зависимость выходного напряжения от разности фаз для входных прямоугольных сигналов с коэффициентом заполнения, равным 50 %, показана на рис. 5.

Опорный сигнал

Сигнал с датчика

Выходной сигнал

Рис. 5. Зависимость выходного напряжения фазового детектора от разности фаз

Напряжение на выходе фазового детектора определяется разностью фаз между сигналом с датчика ф1 и опорным сигналом ф2, снимаемым со старшего бита выходного порта первого канала генератора:

Ш = К дет -Аф ,

где Кдет = 1,59 В/рад при напряжении питания 10 В.

На старшем бите порта генератора формируется опорный цифровой сигнал, фаза которого совпадает с синусоидальным испытательным сигналом после АЦП.

Экспериментальное исследование эффективности ИИС

Результаты экспериментальных исследований эффективности ИИС приведены в виде сравнительного анализа, представленного на рис. 6. Кривая 1 получена на разработанной ИИС при использовании методики проведения испытаний для определения динамических характеристик конструктивных элементов ЭС и алгоритма формирования испытательного сигнала. Кривая 2 получена на вибростенде ВС 132 при классическом закреплении ОИ на вибростоле.

Частотные характеристики

— 1 1 1 гД Л 1\ 1 \ 1 1 II II 11 II II 11 ! И l

А / 1' 1 1 i !! 1

1. '/ 1 в \ \ J ! V V V V J 1 V 1 1 t Ii M II t

ч ( 1 2 """ ч ч ч ч \ > i h Л t—. 1 *

Не

Рис. 6. Сравнительный анализ частотных характеристик вибростенда ВС132 и разработанной ИИС

На графике видно, что отдельные резонансы на вибростенде ВС 132 возбуждаются со значительно меньшими амплитудами. На частоте 200 Гц амплитуда, полученная на вибростенде ВС132, на 75 % ниже амплитуды, полученной на разработанной ИИС. Кроме того, точность определения резонансных частот ИИС в низкочастотной области повышена на 5 %, что объясняется улучшенным усреднением при измерении и отсутствием пульсаций из-за увеличенного времени прохождения низкочастотной области частотного диапазона.

Заключение

Таким образом, разработанная информационно-измерительная система позволяет определять динамические характеристики, наиболее полно соответствующие свойствам объекта исследования. Такая возможность является важным аспектом при выборе методов, средств и режимов проведения испытаний на воздействие вибрации. Использование независимого возбуждения точек крепления объекта исследования позволяет возбуждать резонансы на всех собственных формах в исследуемом частотном диапазоне. Доказано, что бесконтактная индикация резонансов по импедансно-частотной характеристике одного из вибраторов точна и показательна. Искажения в низкой частотной области рабочего диапазона, вносимые пульсациями фильтра низких частот преобразователя в эффективное значение, снижены благодаря введению переменной скорости изменения частоты испытательного сигнала и регулированию постоянной времени. Индукционный виброизмерительный преобразователь прямого действия как нельзя лучше подходит для исследования частотных свойств малогабаритных объектов исследования, так как вносимая масса, жесткость и площадь контактного взаимодействия сведены к минимуму. Дальнейшее продолжение исследования идет по пути автоматизации положения виброизмерительных преобразователей на поверхности объекта исследования. Такая автоматизация позволяет исследовать широкую номенклатуру объектов вне зависимости от их геометрических размеров и формы.

Библиографический список

1. Талицкий, Е. Н. Защита электронных средств от механических воздействий. Теоретические основы : учеб. пособие / Е. Н. Талицкий. - Владимир : Владим. гос. ун-т., 2001. -256 с.

2. Юрков, Н. К. Особенности конструирования бортовой космической аппаратуры : учеб. пособие / Н. К. Юрков, В. В. Жаднов. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - 112 с.

3. Лысенко, А. В. Анализ особенностей применения современных активных систем виброзащиты для нестационарных РЭС / А. В. Лысенко, Г. В. Таньков, Д. А. Рындин // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2013. - Т. 2. -С. 155-158.

4. Лысенко, А. В. Способ снижения величины вибрационных нагрузок в несущих конструкциях ЭС и методика, его реализующая / А. В. Лысенко // Надежность и качество сложных систем. - 2013. - № 4. - С. 41-44.

5. Голушко, Д. А. Исследование частотного спектра механических колебаний сложных технических систем эксплуатируемых подвижных объектов / Д. А. Голушко // Надежность и качество сложных систем. - 2014. - № 4. - С. 83-88.

6. Голушко, Д. А. Методика исследования динамических характеристик технических систем на основе рассогласования фаз внешнего вибрационного воздействия / Д. А. Го-лушко, А. В. Затылкин, О. Н. Герасимов // Надежность и качество сложных систем. -2014. - № 4 (8). - С. 88-92.

7. Голушко, Д. А. О скорости изменения частоты при проведении испытаний для определения динамических характеристик конструкции / Д. А. Голушко, А. В. Затылкин, А. В. Лысенко // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2015. -№ 4 (26). - С. 147-154.

8. Yurkov, N. Research of the Frequency Spectrum of Mechanical Vibrations of Nonstationary Radio-electronic Systems / N. Yurkov, A. Zatylkin, N. Goryachev // International Journal of Applied Engineering Research. - 2015. - Vol. 10, № 23. - Р. 43822-43824.

9. Голушко, Д. А. Способ управления амплитудой резонансных колебаний конструктивных элементов БРЭА / Д. А. Голушко, Г. В. Таньков, Н. К. Юрков // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. - 2015. - Т. 1. - С. 306-309.

10. Герасимов, О. Н. О применении испытаний РЭС на воздействие внешних дестабилизирующих факторов на заключительных этапах производственного контроля / О. Н. Герасимов, А. В. Пивкин, Н. К. Юрков // Надежность и качество сложных систем. - 2015. -№ 4 (12). - С. 116-121.

11. Затылкин, А. В. Метод оценки эффективности виброзащиты РЭС с применением интегрального критерия неэффективности виброизолятора / А. В. Затылкин, В. С. Калашников, А. М. Телегин // Надежность и качество сложных систем. - 2015. - № 4 (12). -С. 65-72.

12. Bushmelev, P. Study Algorithm Speed Signal Generating Feedbackfor Information-measuring System Control Active Vibration Protection Red / P. Bushmelev, A. Pivkin, B. Kuatov, A. Lysenko, S. Zatylkin // International Journal of Applied Engineering Research. -2015. - Vol. 10, № 23. - P. 43831-43834.

Бростилов Сергей Александрович

кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: ser-brostilov@yandex.ru

Голушко Дмитрий Александрович

кандидат технических наук, начальник сектора, Научно-производственное предприятие «Рубин» (Россия, г. Пенза, ул. Байдукова, 2) E-mail: dmitgoluschko@yandex.ru

Горячев Николай Владимирович

кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: ra4foc@yandex.ru

Трусов Василий Анатольевич

кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: trusov_v@mail.ru

Юрков Николай Кондратьевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: yurkov_NK@mail.ru

Brostilov Sergey Aleksandrovich

candidate of technical sciences, associate professor,

sub-department of radio equipment design

and production,

Penza State University

Golushko Dmitriy Aleksandrovich

candidate of technical sciences, chief of the sector,

Scientific production company «Rubin»

Goryachev Nikolay Vladimirovich

candidate of technical sciences, associate professor,

sub-department of radio equipment design

and production,

Penza State University

Trusov Vasiliy Anatol'evich

candidate of technical sciences, associate professor,

sub-department of radio equipment design

and production,

Penza State University

Yurkov Nikolay Kondrat'evich

doctor of technical sciences, professor,

head of sub-department of radio equipment design

and production,

Penza State University

УДК 368.3

Экспериментальная информационно-измерительная система для проведения испытаний на воздействие вибрации / С. А. Бростилов, Д. А. Голушко, Н. В. Горячев, В. А. Трусов, Н. К. Юрков // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2017. - № 1 (19). - С. 64-70.