Автореферат (Разработка методов моделирования динамики высокоточных кварцевых генераторов и их основных элементов), страница 4

Поэтому нарушенный слойпластины достигает некоторой предельной глубины, дальше которой трещиныне развиваются в пределах срока технической эксплуатации генератора.Однако закон геологии (4) описывает развитие трещины, неизменноприводящее к разрушению (рис. 9). Это противоречит экспериментальнымданным о работе кварцевого резонатора. Поэтому, как было предложено выше,с течением времени длина трещины в поверхностном слое кварцевой пластины15считается стремящейся к некоторой постоянной величине (приработка кварца).Отметим также, что закон (4) был сформулирован в геологии для кристалловкварца, подверженных статическому воздействию нагрузки, тогда как длякварцевой пластины, работающей в схеме генератора, основная нагрузкаявляется гармонической.Рис. 9.

Изменение длины трещины во времениПоэтому предлагается ввести в закон (4) поправку, позволяющую учестьприведенные замечания:n(5)v  C  f  lk  exp   H RT    K I K 0   Y (l )где С – константа, f – частота колебаний пластины, lк - конечное значениедлины трещины,Y (l )   n 2  1   lк l  1 . График изменения длинытрещины, описываемый законом (5), представлен на рис.

10. n/ 2n/ 2Рис. 10. Изменение длины трещины во времени при внесении поправки в закон ЧарльзаПри описании кинетики повреждений кварцевой пластины считается, что,как и обычно, скорость роста длины трещины коррелирована со скоростьюизменения высоты неровности поверхности пластины Rz. Учитывая, что вформуле (3) a  Rz 5.5 , получаем зависимость коэффициента внутреннеготрения в нарушенном обработкой слое кварцевой пластины от времени в видесоотношения162ct4T  2 Rz (t ) 2(6)1  0.066Для контроля реальных изменений в поверхностном слое кварцевойпластины проведен следующий эксперимент. В одинаковые схемы кварцевыхгенераторов были включены шесть резонаторов с основной частотой 25 МГц спластинами АТ среза (производство Тайвань).

Кварцевые генераторы былиподключены к источнику питания и работали в течение двух недель. Наряду сэтим изучались шесть резонаторов, находившихся в покое.Для исследования поверхности кварцевых пластин после работырезонаторов была использована зондовая нанолаборатория (ЗНЛ) ИНТЕГРАСпектра. Было выполнено сканирование поверхностей пластин в режимеатомно-силового микроскопа. Шероховатость поверхностей исследованныхпластин представлена в табл.

4.Таблица 4Шероховатость поверхностей исследованных пластинШероховатость пластины, мкм№пластиныпокоившейсяколебавшейся11,0662,14121,0091,37330,9722,34541,0741,91351,6521,67961,4071,534<R>1,1971,831В соответствии с полученными данными, среднее значениешероховатости поверхности покоившихся пластин составляет 1,197 мкм,колебавшихся пластин – 1,831 мкм. Таким образом, можно сделать вывод, что впроцессе колебаний пластины повреждения нарушенного обработкойповерхностного слоя развиваются больше, чем на поверхности покоящейсяпластины.

В соответствии с этими данными были определены все константысоотношения (5), проведены контрольные расчеты, получена зависимостьдобротности пластины от времени, представленная на рис. 11.17Рис. 11. Зависимость добротности кварцевой пластины от времениВ заключении дана общая характеристика работы и приведены основныеее результаты.ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1) Получено уравнение планарных колебаний пьезоэлектрическихпластин с произвольной анизотропией материала. Выполнено сравнениерешения данного уравнения с помощью комплекса Matlab с решением задачи отрехмерных колебаниях пластины, полученным в программном комплексеComsol Multiphysics.Проверена выполнимость гипотезы о плоскомэлектроупругом состоянии, принимаемойв расчете пьезоэлектрическихпластин.2) Разработана модель кварцевого генератора, позволяющая учестьвлияние механических факторов на динамику генератора.

Модель представляетсобой совокупность электрической схемы генератора и механической моделикварцевой пластины, заключенной в объеме газа. Модель реализована вкомплексе Comsol Multiphysics и описывается уравнениями механикипьезоэлектрической сплошной среды, волновым уравнением для давлениявоздуха и уравнениями электростатики и электродинамики для электрическойцепи.3) С помощью разработанной модели исследовано влияние внешнихнизкочастотных вибраций на частоту выходного сигнала кварцевогогенератора. Рассмотрено влияние вибраций в двух перпендикулярныхнаправлениях для промежутков времени, много меньших периода внешнихвибраций.Установлено, что с ростом амплитуды воздействия изменениечастоты увеличивается. Наибольшая чувствительность к ускорению из двухрассмотренных направлений имеет место в направлении толщиннойкоординаты.4) Предложено математическое описание кинетики поврежденийповерхности кварцевой пластины.

Проведен сравнительный анализ причинстарения кварцевого резонатора и причин развития трещин в кристалле кварца.Отмечено, что ряд причин старения резонатора совпадает с причинами ростатрещин в кристалле кварца. Это позволило предположить, что18основополагающим фактором, влияющим на старение резонатора испособствующим существованию других факторов, является наличие и глубинаповреждений поверхности кварцевой пластины и их эволюция во времени.Выполненоэкспериментальное исследование кинетики поврежденийповерхности кварцевой пластины резонатора при работе резонатора в схемекварцевого генератора. Экспериментально показано, что в процессе колебанийпластины повреждения ее поверхности развиваются больше, чем наповерхности покоящейся пластины.5) Выполнено численное моделирование изменения добротностирезонатора во времени вследствие роста трещин в поверхностном слоепластины.6) На основании полученных результатов расчетов и экспериментоввпервые удалось теоретически доказать, что возможно математическоемоделирование динамики высокоточных кварцевых генераторов и их основныхэлементов с учетом комплексного влияния как внешних механическихвоздействий, так и качества поверхности, состояния окружающей среды наэксплуатационные свойства и параметры качества генераторов.СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ1.

Коровайцева Е.А. Оценка влияния кинетики повреждений поверхностикварцевой пластины на добротность кварцевого резонатора // Наука иобразование.Инженерноеобразование.E–Journal2012,№4.(http://www.technomag.edu.ru/doc/383658.html).2. Патент 2447336 РФ, МПК F16F 3/02, F16F 15/00. Пространственнаявиброизолирующая подвеска / А.М.

Гуськов, Г.Я. Пановко, А.Е. Шохин,Е.А. Коровайцева, А.М. Васильев, О.В. Бармина; Учреждение российскойакадемии наук Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН. –Заявка № 2010108319; Заяв. 05.03.2010; Опубл.10.04.2012, Бюл. № 10.3. Пановко Г.Я., Коровайцева Е.А. Учет влияния внешних вибраций вмодели кварцевого генератора // XVIII Международный симпозиум«Динамические и технологические проблемы механики конструкций исплошных сред» им. А.Г.Горшкова: Материалы.-М.: МАИ, 2012.4.

Гуськов А.М., Коровайцева Е.А. Влияние качества обработкиповерхности кварцевой пластины на динамику кварцевого генератора //XVIII Международный симпозиум «Динамические и технологическиепроблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г.Горшкова:Материалы.-М.: МАИ, 2012.5. A.M. Gouskov, E.A. Korovaytseva, G.Ya. Panovko, A.E. Shokhin.

Parametricsynthesis of rod spatial vibroisolation system under arbitrarily directed externaldisturbance // Journal of Vibroengineering. Vol.13, issue 4, 2011.6. Гуськов А.М., Коровайцева Е.А. Исследование воздействия механическихфакторов в электромеханической модели кварцевого генератора // // ХХIIIМеждународная инновационно-ориентированная конференция молодыхученых и студентов: Материалы.-М., 2011.197. Гуськов А.М., Коровайцева Е.А., Пановко Г.Я., Шохин А.Е.Исследование влияния внешнего вибрационного поля на динамикукварцевого генератора // Машиностроение и инженерное образование.Выпуск 3-М.: МГИУ, 2011.8.

Gouskov A.M., Korovaytseva E.A., Panovko G.Y. Quartz oscillator nonlineardynamics // 7th European Nonlinear Dynamics Conference. – pp. 99-100.9. Коровайцева Е.А. Моделирование динамики кварцевого генератора //XVII Международный симпозиум «Динамические и технологическиепроблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г.Горшкова:Материалы.-М.: МАИ, 2011. – с. 106.10.

Гуськов А.М., Коровайцева Е.А., Шохин А.Е. Особенности численногомоделирования собственных колебаний кварцевой пластины //Машиностроение и инженерное образование. Выпуск 3.-М.: МГИУ, 2010.11. Коровайцева Е.А., Гуськов А.М. Исследование нелинейной динамикикварцевого генератора //ХХII Международная инновационноориентированная конференция молодых ученых и студентов «Будущеемашиностроения России»: Материалы.-М., 2010.12. Гуськов А.М., Коровайцева Е.А.

Основные проблемы производствакварцевых генераторов // XVI Международный симпозиум «Динамическиеи технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им.А.Г.Горшкова: Материалы.-М.: МАИ, 2010.-С. 60.13. Гуськов А.М., Коровайцева Е.А. Расчет частот кварцевых пластинпрямоугольной формы // XVI Международный симпозиум «Динамические итехнологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им.А.Г.Горшкова: Материалы.-М.: МАИ, 2010.-С.

61.14. Коровайцева Е.А. Особенности динамики кварцевого генератора // ХХIМеждународная инновационно-ориентированная конференция молодыхученых и студентов по современным проблемам машиноведения:Материалы.-М., 2009.-С. 189.20.