lec06 Защита от механ воздействий и помех (Лекции проф Давыдова УГГИ)

15

КОНСТРУИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

Development and creation of geophysical instruments. Protection of the equipment from mechanical influence

Тема 6: ЗАЩИТА АППАРАТУРЫ

ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ПОМЕХ

Мы все умны, когда дело идет о том, чтобы давать советы, но, когда надо избегать промахов, мы не более как дети.

Менандр. Греческий поэт-комедиограф. IV в. до н.э.
Луис И. Канн.

Потому как совет строится на обобщениях, а промах всегда конкретен.

Валерий Самойлин. Уральский геофизик и радиоинженер. ХХ в.

Содержание:

1. Защита от механических воздействий. Виды механических воздействий на РЭА. Понятие виброустойчивости и вибропрочности. Понятие жесткости и механической прочности конструкции. Конструкция как колебательная система. Амортизация конструкции РЭА. Схемы размещения амортизаторов. Прочность конструктивных элементов. Фиксация крепежных элементов. Срок службы конструкции.

2. Защита аппаратуры от воздействия помех. Природа помех. Классификация помех. Способы снижения помех. Помехи в сигнальных проводниках. Помехи в «коротких» связях. Помехи при соединении элементов «длинными» связями. Паразитные наводки в «длинных» линиях связи. Методы разводки «длинных» линий связи. Наводки по цепям питания и методы их уменьшения. Применение индивидуальных сглаживающих конденсаторов. Уменьшение общих участков протекания токов элементов по шинам питания. Помехоподавляющие фильтры. Использование металлического листа в качестве «земли». Использование сплошных металлических прокладок в качестве шин питания. Применение экранов в РЭА. Электростатическое экранирование. Магнитостатическое экранирование. Электромагнитное экранирование.

6.1. Защита от механических воздействий [1, 2]

Виды механических воздействий на РЭА. Все виды РЭА подвергаются воздействию внешних механических нагрузок (вибрации, удары, ускорения, акустические шумы), которые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию. Механические воздействия имеют место в работающей РЭА, если она установлена на подвижном объекте, или только при транспортировке ее в нерабочем состоянии, как в случае стационарной и некоторых видов возимой РЭА. Количество переданной энергии определяет уровень и характер изменения конструкции. Допусти­мые уровни механического изменения конструкции определяются ее проч­ностью и устойчивостью к механическим воздействиям.

Под прочностью конструкции понимается способность аппаратуры выполнять функции и сохранять параметры после приложения механиче­ских воздействий. Устойчивость конструкции - способность РЭА сохра­нять функции и параметры в процессе механических воздействий.

Откликом, или реакцией конструкции на механические воздействия называют трансформацию и преобразование энергии меха­нического возбуждения. К ним относятся механические напряжения в элементах конструкции, перемещения элементов конструкции и их соударения, деформации и разрушения конструктивных элементов, изменения свойств и параметров конструкции.

Механические воздействия могут приводить к взаимным перемещениям деталей и узлов, деформации крепежных, несущих и других элементов конструкций, их соударению. При незначительных механических воздейст­виях в элементах конструкций возникают упругие деформации, не сказывающиеся на работоспособности аппаратуры. Увеличение нагрузки приводит к появлению остаточной деформации и при определенных усло­виях разрушению конструкции. Разрушение может наступить и при нагрузках, много меньших предельных значений статической прочности мате­риалов, если конструкция окажется подверженной знакопеременным на­грузкам.

Отказы аппаратуры бывают восстанавливаемыми после снятия или ослабления механического воздействия (изменение параметров компонентов, возникновение электрических шумов) и невосстанавливаемыми (обрывы и замыкания электрических соединений, отслаивание проводников печатных плат, нару­шение элементов крепления и разрушение несущих конструкций).

На транспортируемую РЭА в процессе ее эксплуатации воздействует вибрации, ударные нагрузки и линейные ускорения. Гармонические вибрации характеризуются частотой, амплитудой, ускорением. Ударные нагрузки характеризуются числом одиночных ударов или их серией (обычно оговаривают максимальное число ударов), длительностью ударного импульса и его формой, мгновенной скоростью при ударе, перемещением соударяющихся тел. Линейные ускорения характеризуются ускорением, длительностью, знаком воздействия ускорения.

Возникающие при вибрациях, ударах и ускорениях перегрузки оценивают соответствующими коэффициентами. Для уменьшения воздействия вибраций и ударов аппаратуру устанавливают на амортизаторы или применяют демпфирующие материалы.

Воздействие линейных ускорений эквивалентно увеличению массы аппаратуры и при значительной длительности воздействия требует увеличения прочности конструкции. Амортизаторы от линейных перегрузок практически не защищают.

Как показывает опыт эксплуатации транспортируемой РЭА, наибольшее разрушающее воздействие на конструкцию оказывают вибрации. Как правило, конструкция аппарата, выдержавшая воздействие вибрационных нагрузок в определенном частотном диапазоне, выдерживает ударные нагрузки и линейные ускорения с большими значениями соответствующих параметров.

Понятие виброустойчивости и вибропрочности. В отношении конструкции РЭА различают два понятия: вибрационная устойчивость и вибрационная прочность.

Вибрационная устойчивость - свойство объекта при заданной вибрации выполнять заданные функции и сохранять значения своих параметров в пределах нормы. Вибрационная прочность - прочность при заданной вибрации и после прекращения ее.

Воздействие транспортной тряски складывается из ударов и вибраций. Введение амортизаторов между РЭА и объектом в качестве среды, уменьшающей амплитуду передаваемых колебаний и ударов, снижает действующие на РЭА механические силы, но не уничтожают их полностью. В некоторых случаях образованная с введением амортизаторов резонансная система влечет за собой возникновение низкочастотного механического резонанса, который приводит к увеличению амплитуды колебаний РЭА.

Понятие жесткости и механической прочности конструкции. При разработке конструкции РЭА необходимо обеспечить требуемую жесткость и механическую прочность ее элементов.

Жесткость конструкции есть отношение действующей силы к деформации конструкции, вызванной этой силой. Под прочностью конструкции понимают нагрузку, которую может выдержать конструкция без остаточной деформации или разрушения. Повышение прочности конструкции РЭА связано с усилением ее конструктивной основы, применением ребер жесткости, контровки болтовых соединений и т. д. Особое значение имеет повышение прочности несущих конструкций и входящих в них узлов методами заливки и обволакивания. Заливка пеноматериалом позволяет сделать узел монолитным при незначительном увеличении массы.

Конструкция как колебательная система. Во всех случаях нельзя допускать образования механической колебательной системы. Это касается крепления монтажных проводов, микросхем, экранов и других частей, входящих в РЭА.

Основными параметрами любой конструкции с позиций реакции на механические воздействия являются масса, жесткость и механическое со­противление (демпфирование). При анализе влияния вибраций на конструк­ции модулей последние представляют в виде системы с сосредоточенными параметрами, в которой заданы масса изделия m, элемент жесткости в виде пружины и элемент механического сопротивления в виде демпфера, характеризующиеся параметрами k и r соответственно.

При необходимости построения более сложных моделей, например пластины с установленными на ней модулями, можно воспользоваться мо­делью, приведенной на рис. 6.1.1, и при достаточно большом числе ячеек полу­чить модель системы с распределенными параметрами.

Рис. 6.1.1.

Важнейшим показателем механической системы является чис­ло степеней свободы, определяющих положение системы в про­странстве в любой момент времени. Рассматриваемое число степеней свободы кон­струкции зависит от степени ее упрощения, т. е. модель должна в определенной степени отображать реальную конструкцию и быть достаточно простой для исследования.

В системе с одной степенью свободы внешней силе F(t) в каждый мо­мент времени будут противодействовать силы инерции массы F_m, жесткости F_k и демпфирования Fr:

F(t) = F_m + F_r + F_k. (6.1.1)

F_m = m d²/dt², F_r = r d/dt, F_k = k .

где  смещение системы от положения равновесия под воздействием си­лы F(t).

Линейное дифференциальное уравнение, описывающее состояние системы в любой момент времени:

m d²/dt² + r d/dt + k F(t). (6.1.2)

Уравнение собственных колебаний системы можно получить, прирав­няв F(t) нулю, при этом получим (без учета начальной фазы):

_exp(-t) sin _ot

где _o - начальные амплитуда колебаний;  = г/(2m) - ко­эффициент демпфирования; _o = = 2f_o - собственная частота колебаний системы с демпфированием.

В реальных механических системах в каждом цикле колебаний проис­ходят потери энергии затухание колебаний.

Решение дифференциального уравнения вынужденных колебаний системы (при F(t) = F_m sin t)име­ет вид:

_exp(-r_ot) sin _ot + A_в sin t.

Первое слагаемое описывает собственные колебания сис­темы с частотой, второе - вынужденные колебания, где _ и A_в - амплитуда соответственно собственных и вынужденных колебаний. Когда частота собственных колебаний системы близка к частоте вы­нужденных, в колебательной системе возникает явление механического ре­зонанса, что может привести к повреждению конструкции.

Амортизация конструкции РЭА. Один из эффективных методов повышения устойчивости конструкции, как транспортируемой, так и стационарной, к воздействию вибраций, а также ударных и линейных нагрузок - использование амортизаторов. Действие амортизаторов основано на демпфировании резонансных частот, т. е. поглощении части колебательной энергии. Аппаратура, установленная на амортизаторах, в общем случае может быть представлена в виде механической колебательной системы с шестью степенями свободы: совокупностью связанных колебаний, состоящих из линейных перемещений, и вращательных колебаний по каждой из трех координатных осей.

Эффективность амортизации характеризуется коэффициентом динамичности или передачи, числовое значение которого зависит от отношения частоты действующих вибраций f к частоте амортизированной системы f_o.

При разработке схемы амортизации необходимо стремиться к тому, чтобы система имела минимальное число собственных частот и чтобы они были в 2-3 раза ниже наименьшей частоты возмущающей силы.

Для амортизированной аппаратуры следует как можно больше уменьшать собственную частоту, а для неамортизированной, напротив, увеличивать, приближая ее к верхней границе возмущающих воздействий или превышая ее.