Устройство для испытаний на воздействие широкополосной случайной вибрации блоков радиоэлектронной аппаратуры Российский патент 2024 года по МПК G01M7/02 

Предлагаемое устройство вибрационных испытаний относится к средствам для испытаний различных приборов и устройств на однокоординатных вибростендах. Под однокоординатным вибростендом понимается вибростенд, обеспечивающий одноосевое воздействие.

После изготовления блока радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) согласно установленным требованиям проводятся испытания на стойкость к внешним воздействующим факторам, в частности, к вибрациям. При этом необходимо обеспечить наиболее приближенные к требуемым условиям воздействия.

Как правило, испытания блоков РЭА на воздействие вибрации на однокоординатных вибростендах проводятся последовательно вдоль осей XYZ. Такие испытания не полностью соответствуют реальным условиям эксплуатации РЭА на подвижных объектах. Реальные условия эксплуатации предполагают пространственное вибронагружение.

При испытаниях блоков РЭА методом вибронагружения часто воздействие, создаваемое однокоординатным вибростендом, превышает заданные значения, так как вибростенды создают дополнительную неучтенную нагрузку по осям ортогональным основному воздействию.

Пренебрежение влиянием таких нагрузок, может стать причиной необоснованной перегрузки испытываемого изделия и спровоцировать преждевременный отказ. Основной причиной отказа РЭА при испытаниях вибронагружением, является усталостное разрушение элементов конструкции, включая печатный монтаж плат и выводов, установленных на них радиоэлементов, под действием знакопеременных вибрационных нагрузок.

Поэтому задача учета и устранения действия этих нагрузок по осям ортогональным основному воздействию является весьма актуальной.

Решение подобной задачи является многогранным процессом, так как, при описании вибраций, воздействующих на аппаратуру, размещенную на том или ином изделии, необходимо учитывать, что, как правило, воздействующие на аппаратуру вибрации представляют собой совокупность некоррелированных случайных колебаний со спектральными плотностями, локализованными вблизи определенных частот, являющихся резонансными для элементов конструкции изделия. Подобные воздействия могут создавать перегрузку радиоэлектронной аппаратуры, смонтированной на испытываемых блоках. Поэтому очень важно разработать соответствующие устройства для проведения испытаний.

Известно устройство испытаний на широкополосную случайную вибрацию в виде короба с опорной плитой, на которой установлены штифты и сделаны отверстия для крепления, дополнительно на опорной плите установлены фиксирующие элементы [1]. С помощью фиксирующих элементов частично исключаются дополнительные вибрации, создаваемые дефектами и зазорами между крепежными частями короба и испытываемого изделия.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для виброиспытаний изделий, содержащее помимо вибростенда с приспособлением для закрепления испытуемого изделия пьезоэлектрические датчики, расположенные в контрольных точках попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях и подключенные к входам контроллера управления виброиспытаниями. В результате исключаются системные ошибки, вызываемыми паразитными угловыми колебаниями подвижной части вибростенда с закрепленным на ней испытуемым изделием, что повышает достоверность воспроизведения широкополосной случайной вибрации [2].

Недостатком указанных устройств является возможность обеспечить проведение испытаний по различным направлениям последовательно во времени. Это не позволяет полностью устранять неучтенные воздействия на аппаратуру.

Техническим результатом, достигаемым в предлагаемом изобретении, является устранение неучтенной перегрузки аппаратуры по двум ортогональным направлениям основному направлению воздействия при испытаниях на однонаправленную широкополосную случайную вибрацию.

Дополнительным техническим результатом является сокращение времени испытаний.

Указанный технический результат достигается за счет того, что на вибростенде для испытаний на широкополосную случайную вибрацию короб для размещения испытываемого блока РЭА крепится на стол с помощью опор с предварительно установленными на них подвижными грузами.

На фиг. 1а и 1б представлены чертежи предлагаемого устройства вибрационных испытаний, на фиг. 2 приведена фотография макета этого устройства.

Устройство для испытаний на широкополосную случайную вибрацию содержит опоры 1 с подвижными грузами 2. Опоры могут быть выполнены в форме стержней. Опоры жестко закреплены одним концом на опорной плите 4, другим концом жестко прикреплены к коробу 3. Короб изготовлен с возможностью монтажа испытываемого блока РЭА.

Блок РЭА может монтироваться и без короба, если есть такая возможность. При этом короб считается инерционно-массовым эквивалентом блока РЭА.

Крепление опор может быть произведено с помощью резьбового соединения. Опорная плита 4 устанавливается на столе вибростенда и жестко закрепляется. Оси Z, X и Y указаны на фиг. 1б. Ориентирование изделия при установке производится вдоль этих осей.

Испытания проводят на широкополосную случайную вибрацию в диапазоне частот от 20 до 2000 Гц с суммарным среднеквадратическим ускорением 10g на однокоординатном вибрационном стенде (по оси z). Диаметр опор составляет 6,5 мм, высота опор -210 мм, количество - 4 шт., общее количество грузов - 4 шт., масса каждого груза 0,5 кг, диаметр короба 242 мм, масса короба - 4 кг.

В основе разработки предлагаемого устройства лежат принципы, изложенные в [3]. Если на колеблющемся в вертикальном направлении основании расположены жесткие как в продольном направлении, так и на изгиб опоры, а на них некоторый объект, колебания объекта будут повторять колебания основания. Если опоры не являются абсолютно жесткими и на них, кроме того, закреплены грузы, то имеет место система со многими степенями свободы. Количество степеней свободы, которые необходимо учитывать при анализе такой системы, будет зависеть от числа грузов, конструкции закрепления грузов и упругих характеристик опор. Движение объекта в горизонтальном направлении возникнет вследствие неидентичности стержней и некогерентности колебаний их концов.

В случае применения при разработки предлагаемого устройства теории параметрического резонанса [4], для оценки его параметров применяют диаграмму Айнса-Стретта (фиг. 3, фиг. 4) [5].

Для определения параметров конструкции при применении теории параметрического резонанса выбираются значения коэффициентов а и q, находящимися в области параметрической неустойчивости с помощью диаграммы Айнса-Стретта.

В предлагаемом варианте возможно выбрать: а=1,0; q=0,1.

Уравнения, определяющие параметры а и q имеют вид:

Р_кр - критическое значение статически действующей силы, вызывающей отклонение от состояния равновесия, Н;

Р₀=m⋅g - сила тяжести короба и грузов, Н;

P₁=m⋅3⋅σ - вибронагружение широкополосной случайной вибрацией, Н;

ω - частота внешнего воздействия ШСВ, рад/с;

Е - модуль Юнга материала опор, Н/м²;

J=πd⁴/64-осевой момент инерции опоры, м⁴;

σ - суммарное среднеквадратическое значение ускорения ШСВ, в рассматриваемом случае составляет 10 g, м/с²;

1 - высота опоры, м.

Для упрощения соотношений (1) и (2) проведены следующие преобразования:

4π²⋅(Р_кр-Р₀)/m⋅(ω⋅l)²=1

2π^2⋅Р₁/m⋅(ω-l)²=0,1.

Подставляя в соотношение (1) значение m⋅(ω⋅l)², определенное из соотношения (2), избавляемся от частотной зависимости:

4π²⋅(Р_кр-Р₀)/20π²⋅Р₁=1.

Далее приведем полученное соотношение к виду:

Р_кр - Р₀=5⋅Р₁.

Введем значение критической силы из соотношения (3) и осевого момента инерции для опоры и получим:

π³Ed⁴/64⋅l²=m⋅(g+15⋅σ), где

E=2,1⁺¹¹ - модуль упругости материала опор, Н/м;

d - диаметр сечения опор, м.

Так как условие а=1,0; q=0,1 является граничным области неустойчивости по диаграмме Айнса-Стретта, чтобы обеспечить работу во всей области неустойчивости, необходимо учесть все условия нахождения устройства в зоне неустойчивости.

Таким образом, из соотношений (1)-(3) следует, что при соблюдении условий а=1,0; q=0,1, т.е. для нахождении устройства при воздействии широкополосной случайной вибрации в зоне неустойчивости по диаграмме Айнса-Стретта, параметры устройства должны удовлетворять соотношению:

Работа устройства

Опорную плиту 4 жестко закрепляют на столе вибростенда.

На опорную плиту 4 монтируют опоры 1. На опоры устанавливают подвижные грузы 2. На свободную часть опор монтируют короб 3. Устройство крепится на однокомпонентном вибростенде, создающем широкополосную случайную вибрацию вдоль оси Z в диапазоне частот от 20 до 2000 Гц с суммарным среднеквадратическим ускорением 10g. Включается вибростенд и задаются параметры вибрации в указанном диапазоне.

Контролируется среднеквадратичное значение суммарного ускорения широкополосной случайной вибрации вдоль каждой из трех координатных осей, например, трехкомпонентным акселерометром, который устанавливается в одной из вершин короба. Перемещая грузы по опорам, добиваются состояния, при котором среднеквадратичные значения ускорений вдоль трех координатных осей на испытываемом устройстве становится одинаковым. Момент наступления этого события контролируется трехкомпонентным акселерометром. Трехкомпонентный акселерометр, контролирующий среднеквадратичное ускорение по трем осям, установлен, например, в левой вершине короба. Затем проводят испытания на широкополосную случайную вибрацию с заданным значением среднеквадратичного ускорения.

В результате вместо испытания однонаправленной широкополосной вибрацией производятся испытания пространственной широкополосной случайной вибрацией.

Таким образом, устраняются неизбежные перегрузки испытываемой аппаратуры по двум дополнительным ортогональным осям, возникающие при испытаниях на однокоординатном вибростенде. В результате исключается преждевременный отказ аппаратуры, связанный с возможным накоплением усталостных повреждений элементов конструкции.

Кроме того, предлагаемое устройство, позволяет сократить время испытаний.

Подписи к рисункам фиг. 1 - конструкция устройства для испытаний на воздействие широкополосной случайной вибрации

а - фронтальная проекция б - изометрия;

фиг. 2 - фото макета устройства

фиг. 3 - диаграмма Айнса-Стретта

фиг. 4 - воздействие на опору силы, описываемой соотношениями (1)-(3)

Источники известности

1. Патент №2739337, 03.07.2020, G01M 7/00.

2. Патент №2729980, 18.02.2020,G01M 7/00.

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб, пособие. - В 10-ти т. Т. I Механика. М.: Наука, 1988, 216 с, с. 87- 94.

4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб, пособие. - В 10-ти томах. Т. I Механика. М.: Наука, 1988, 216 с, 106-110.

5. Я.Г. Пановко. Основы прикладной теории колебаний и удара. Под ред. профессора В.К. Житомирского. Ленинград: Машиностроение, 1976, 320 с.

Устройство вибрационных испытаний относится к средствам для испытаний различных приборов и устройств на вибростендах. Технической задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является устранение неучтенной перегрузки аппаратуры по двум ортогональным направлениям основному направлению воздействия при испытаниях на однонаправленную широкополосную случайную вибрацию. Устройство для испытаний на воздействие широкополосной случайной вибрации имеет опоры 1 с подвижными грузами 2. Опоры жестко закреплены одним концом на опорной плите 4, другим концом жестко прикреплены к коробу 3. Опорная плита 4 закрепляется на столе вибростенда. Перемещая грузы по опорам, добиваются состояния, при котором среднеквадратичное значение ускорений вдоль трех координатных осей на испытываемом устройстве становится одинаковым. Затем можно проводить испытания на широкополосную случайную вибрацию с заданным значением среднеквадратичного ускорения. 4 ил.

Устройство для испытаний на воздействие широкополосной случайной вибрации, содержащее пустотелый металлический короб и опорную плиту, отличающееся тем, что короб на опорной плите установлен с помощью опор с диаметром (d) и длиной (l), каждая из которых снабжена подвижным грузом, при этом масса короба и грузов (m) составляет не менее (d⁴/l²)⋅π³⋅Е/(9664⋅g), где g - ускорение свободного падения, Е - модуль Юнга материала опор.