Комплект приспособлений для виброиспытаний радиоэлектронной аппаратуры в составе цилиндрического отсека и способ виброиспытаний Российский патент 2025 года по МПК G01M7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Группа изобретений относится к приспособлениям и способам виброиспытаний бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), находящейся в составе цилиндрического отсека, например, авиационной ракеты, которые могут быть использованы при автономных испытаниях РЭА на этапах ее разработки и изготовления.

Уровень техники

Известно «Устройство для виброиспытаний радиоэлектронных приборов» (RU 153800, опубликовано 10.08.2015, Бюл. №22, МПК G01M 7/02). Устройство выполнено в виде закрепленной на основании пустотелой призмы с гранями П-образного сечения, выполняющими роль элементов жесткости.

Известно «Приспособление для испытаний на вибрацию внутренних панелей экспериментальной кабины космической станции» (патент CN221302684U, опубликовано 09.07.2024, МПК В25 В11/00; G01M7/02). Приспособление представляет собой полый цилиндр, соединенный ребрами жесткости с опорной плитой.

Известен «Стенд для вибрационных испытаний длинномерных изделий» (RU 1840349, опубликовано 10.10.2006, МПК G01M 7/00), представляющий собой установленную на платформе пустотелую прямоугольную призму, к торцам которой прикреплено испытуемое изделие.

Недостатками подобных приспособлений, в которых консольно закрепляют испытуемое изделие, является то, что эти приспособления не учитывают упругость длинномерных испытуемых изделий, предполагая, что последние являются абсолютно твердыми телами. При испытаниях длинномерных тонкостенных цилиндрических изделий, длина которых в несколько раз превышает величину диаметра, могут возникать изгибные (консольные) и радиальные деформационные колебания выступающих из приспособления свободных концов испытуемого изделия.

Под радиальными колебаниями будем понимать деформационные колебания, происходящие в плоскости поперечных сечений цилиндрического отсека, при которых сечение отсека периодически меняет свою форму с кольцеобразной, например, на овальную или другую форму с большим количеством полуволн. Наличие указанных форм колебаний, отсутствующих в отсеке с пристыкованными ответными частями, например, в реальной ракете в сборе, приводит во время испытаний к появлению поперечной вибрации, которая способна внести паразитные составляющие в сигналы вибродатчиков, включенных в цепь обратной связи управления вибрационной установкой. Это может привести к недоиспытанию или переиспытанию изделия.

Попытка решения проблемы с устранением изгибных деформаций, наблюдающихся при виброиспытаниях длинномерных изделий, предпринималась в «Фиксирующем приспособлении для механических испытаний цилиндрических изделий» (RU 198178, опубликовано 22.06.2020 Бюл. №18, МПК G01M 7/00). Приспособление содержит установленные на основании два кронштейна с ребрами жесткости, в которых горизонтально фиксируют оба торца длинномерного цилиндрического изделия. Недостатком такого фиксирующего приспособления является то, что с его помощью возможно проведение виброиспытаний изделий цилиндрической формы только в поперечных относительно продольной оси цилиндра направлениях.

В технике широко используются заглушки в виде тонких пологих сферических оболочек. В частности, известна заглушка для отверстия, выполненная в виде фрагмента сферической оболочки (RU 2141423, МПК B62D 25/20, F16J 13/00), использующаяся для перекрытия отверстия в панели кузова транспортного средства. Известно использование пологой оболочки в конструкции затвора для горловины емкости (RU 2059548, МПК B65D 51/00). Известно использование пологой сферической подкрепляющей оболочки в качестве силового основания для гермоконтейнера с электронной аппаратурой в ступени ракеты-носителя по патенту RU 2120604 (МПК F42B 15/00).

Во всех указанных случаях тонкостенные сферические оболочки используются для упрощения и повышения надежности конструкций, улучшения их массогабаритных характеристик, удобства эксплуатации. Использование заглушек в виде пологих тонких сферических оболочек с заранее рассчитанной частотой установочного резонанса в способах виброиспытаний РЭА с целью повышения точности виброиспытаний в источниках информации не обнаружено.

Известен «Способ вибрационных испытаний авиационных управляемых ракет в сборе на прочность при воздействии широкополосной случайной вибрации» (RU 2731019, опубликовано 28.08.2020, Бюл. №25, МПК G01M 7/00), который реализуется с помощью «Универсального стенда для испытаний авиационных управляемых ракет на динамические нагрузки» (RU 2736846, опубликовано 20.11.2020, Бюл. №32, МПК G01M 7/00).

Данный способ виброиспытаний обеспечивает передачу заданных уровней вибрации в узлах подвески ракеты к самолету-носителю по двум поперечным осям. Воздействие пониженного уровня вибрации в направлении продольной оси косвенно обеспечивается за счет действия пространственного вектора вибрации.

Недостатком такого способа виброиспытаний является его неприменимость к испытаниям отдельного отсека ракеты. Для РЭА, размещенной в отсеке, как отдельной самостоятельной сборочной единицы, уровни вибронагружения по всем трем осям должны быть одинаковыми (см. табл. 9 ГОСТ РВ 20.39.304-98 для группы 4.1.2), что требует проведения отдельных испытаний в направлении каждой из трех осей. Также заданная вибрация должна передаваться на отсек в узлах стыковки отсека к ответным частям ракеты.

Известны также способы виброиспытаний, в которых используются приспособления по патентам RU 153800, RU 1840349, CN221302684U. Общим недостатком упомянутых способов является то, что эти способы не принимают во внимание упругость тонкостенных цилиндрических изделий, длина которых в несколько раз превышает величину их диаметра. При этом возникают изгибные (консольные) и радиальные деформационные колебания выступающих из приспособления свободных концов испытуемого изделия. Как следствие, в узлах крепления РЭА к испытуемому отсеку возникают дополнительные вибрационные воздействия, отсутствующие в собранной ракете.

Раскрытие сущности изобретения

Задача, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, заключается в следующем. При виброиспытаниях необходимо максимально приблизить уровни вибрационного нагружения РЭА в составе открытого с двух сторон цилиндрического отсека к уровням вибрации, действующим на РЭА в составе собранной ракеты в условиях ее реального полета. Комплект приспособлений и способ виброиспытаний должны позволять проводить испытания РЭА в составе отсека в направлении каждой из трех осей. При виброиспытаниях должны быть устранены степени свободы элементов конструкции, имеющиеся в отсоединенном от ракеты отсеке и отсутствующие в собранной ракете.

Технический результат, который достигается при решении указанной задачи, заключается в повышении точности виброиспытаний за счет устранения влияния как собственных изгибных колебаний цилиндрического отсека, так и радиальных колебаний его открытого торца на передачу заданных параметров вибрации к узлам крепления РЭА внутри отсека.

При виброиспытаниях по трем осям РЭА, находящейся внутри отсека авиационной ракеты, к приспособлению для виброиспытаний предъявляется ряд требований. Так, приспособление с установленным в него изделием не должно, по возможности, иметь резонансов в рабочем диапазоне частот, который для авиационных ракет составляет 20-2000 Гц. Точки крепления изделия к приспособлению для передачи вибрационных воздействий должны быть идентичными стыковочным узлам между отсеками в реальной ракете.

В идеальном случае весь испытуемый отсек ракеты должен находиться внутри приспособления и быть закрепленным по обоим торцам. Такое приспособление, соизмеримое по габаритам с длиной отсека, имеет большую массу и момент инерции, что приводит к значительному уровню поперечных колебаний и появлению резонансов в рабочем диапазоне частот.

Для снижения массы обычно конструируют приспособления, в которых испытуемый отсек ракеты крепится за один торец цилиндра. Второй торец цилиндра выступает наружу приспособления, представляя собой по сути тонкостенную консольную балку. Такой способ крепления отсека ракеты позволяет значительно снизить массу приспособления и дает конструктивную возможность проводить виброиспытания отдельно по каждой из трех осей. При этом увеличивается жесткость приспособления, но одновременно возникают изгибные и радиальные колебания выступающей из приспособления части цилиндрического отсека.

Изгибные колебания выступающей из приспособления части отсека на своих резонансных частотах создают дополнительные инерционные составляющие виброускорений в направлениях, перпендикулярных продольной оси отсека. Радиальные колебания открытой части отсека, при которых происходит изменение кольцеобразного сечения цилиндра с количеством n полуволн (n=1, 2, 3,…), способны также привести к дополнительным инерционным, особенно в случае нечетного количества полуволн, воздействиям на узлы крепления РЭА внутри отсека.

Расчеты с помощью компьютерной программы «SolidWorks» собственных частот изгибных колебаний консольного цилиндра с длиной выступающей части l, диаметром d и толщиной стенки s показали, что первая собственная частота для тонкостенных цилиндров с соотношением толщины к диаметру s/d от 0,01 до 0,05 мало зависит от величины s/d и определяется в основном величиной l. Например, для тонкостенных цилиндров из титана диаметром d=200 мм условием отсутствия резонанса изгибных колебаний в диапазоне частот от 20 до 2000 Гц будет соотношение l/d≤1,0.

При этом расчеты с помощью той же программы показали, что в диапазоне частот до 2000 Гц условием отсутствия собственных радиальных колебаний, при которых не происходит изменения круговой формы сечения цилиндра, является соотношение l/d≤0,7 для цилиндра с относительной толщиной стенки s/d=0,04; l/d≤0,6 для s/d=0,03; l/d≤0,5 для s/d=0,02.

Для того чтобы уменьшить массу приспособления, высота приспособления должна быть как можно меньше. При этом соответственно увеличивается длина l выступающей из приспособления части отсека. С другой стороны, чтобы выступающая из приспособления часть отсека не имела изгибных и радиальных резонансов в рабочем диапазоне частот, ее длина l должна быть минимальной.

Для решения задачи устранения изгибных и радиальных колебаний выступающей из приспособления части цилиндрического отсека и достижения технического результата - повышения точности виброиспытаний, в первом объекте настоящего изобретения предложен комплект приспособлений для виброиспытаний РЭА в составе цилиндрического отсека, включающий в себя крепежное приспособление для крепления на столе вибростенда цилиндрического отсека, и заглушку в виде тонкостенной пологой сферической оболочки.

Крепежное приспособление выполнено в виде пустотелого цилиндра с основанием и ребрами жесткости. При этом конструкция приспособления предусматривает выступание консольной части закрепленного в приспособлении цилиндрического отсека на величину l, не превышающую диаметр d испытуемого отсека.

Заглушка в виде тонкостенной пологой сферической оболочки имеет такой же диаметр d, как и цилиндрический отсек. Заглушка должна иметь узлы крепления, как у ответной части ракеты, но при этом должна иметь минимальную массу, максимальную жесткость и не иметь резонансов в рабочем диапазоне частот до 2000 Гц.

Существенным отличием комплекта приспособлений для осуществления способа виброиспытаний является то, что крепежное приспособление, входящее в состав комплекта, сконструировано таким образом, что длина l выступающей из него части цилиндрического отсека не превышает величину его диаметра d. Это позволяет устранить в рабочем диапазоне частот изгибные формы колебаний отсека.

Ещё одним существенным отличием комплекта является введение в его состав заглушки в виде пологой тонкой сферической оболочки. Заглушка конструируется таким образом, чтобы при креплении заглушки на торце цилиндрического отсека ее нижняя частота собственных колебаний находилась выше верхней границы диапазона частот виброиспытаний.

Основная функция заглушки - имитация сопрягаемой с отсеком ответной части ракеты, которая, в отличие от открытого торца отсека, ужесточает круговой контур цилиндрической оболочки и устраняет радиальные колебания испытуемого отсека, отсутствующие в собранной ракете. Указанную задачу выполняет заглушка в виде тонкостенной пологой сферической оболочки. В частности, для сплава Д16 высота h_сф такой сферической оболочки составляет h_сф≈0,1d; толщина стенки сферической оболочки при этом составляет s_сф≈0,005d.

Результаты расчёта с помощью компьютерной программы «SolidWorks» показывают, что первая частота собственных колебаний заглушки из сплава Д16 в виде тонкостенной пологой сферической оболочки с высотой h_сф=20 мм и толщиной оболочки s_сф=1,2 мм для отсека диаметром d=200 мм в зависимости от толщины стенки отсека составляет от 3000 до 3500 Гц.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложен способ виброиспытаний РЭА в составе цилиндрического отсека, включающий этапы, на которых испытуемый отсек с установленной внутри РЭА закрепляют в крепёжном приспособлении, выполненном в виде пустотелого цилиндра, с основанием и ребрами жесткости. В используемом приспособлении предусмотрено выступание консольной части цилиндрического отсека на величину l, не превышающую диаметр d испытуемого отсека. Далее на торце выступающей из приспособления части цилиндрического отсека закрепляют заглушку, выполненную в виде тонкостенной пологой сферической оболочки с нижней частотой собственных колебаний, находящейся выше верхней границы диапазона частот виброиспытаний. Используемая заглушка должна иметь узлы крепления, как у ответной части ракеты, иметь минимальную массу, максимальную жесткость и не иметь резонансов в рабочем диапазоне частот до 2000 Гц.

Закрепление на выступающем из крепежного приспособления свободном торце цилиндрического отсека заглушки в виде пологой сферической оболочки при проведении испытаний позволяет устранить в рабочем диапазоне частот радиальные формы колебаний отсека, которые могут отсутствовать в собранной ракете. Наличие паразитных форм колебаний способно исказить картину вибрационного воздействия на узлы крепления РЭА внутри отсека и снизить достоверность результатов виброиспытаний.

Далее устанавливают приспособление с отсеком и заглушкой на стол вибростенда и проводят виброиспытания, например, по ГОСТ 30630.0.0-99 и ГОСТ 30630.1.2-99.

Монтаж испытуемого отсека, заглушки и крепежного приспособления к столу вибростенда может выполняться в любом порядке, определяемом технологическими особенностями приспособления.

Существенным отличием способа виброиспытаний РЭА в составе цилиндрического отсека является использование при проведении виброиспытаний вместо одного крепёжного приспособления комплекта приспособлений, включающего крепёжное приспособление и заглушку для открытого торца отсека с заранее рассчитанной частотой собственных колебаний.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан цилиндрический отсек 1 диаметром d с закрепленной в нескольких точках крепления 2 радиоэлектронной аппаратурой 3. Отсек 1 консольно установлен в крепежном приспособлении 4 для виброиспытаний в данном случае в направлении вдоль оси отсека. На верхнем торце отсека установлена заглушка 5 в виде тонкостенной пологой сферической оболочки. Штриховой линией показана первая форма изгибных колебаний выступающей на величину l из приспособления части отсека.

На фиг. 2 показано сечение А-А (см. фиг. 1) отсека 1 в области точек крепления 2 РЭА 3 к отсеку при отсутствии вибрации.

На фиг. 3 показана одна из форм собственных колебаний стенок корпуса отсека 1 в виде трех полуволн. Показано смещение РЭА 3 относительно продольной оси отсека 1, вызванное вектором поперечных ускорений, действующим на РЭА при радиальной деформации цилиндрической оболочки с нечетным количеством полуволн.

На фиг. 4 показаны расчетные графики зависимостей первых частот собственных колебаний выступающей из приспособления 4 части отсека длиной l и диаметром d от безразмерного параметра l/d для случая толщины стенки отсека s=0,025d. График 6 показывает первую частоту изгибных колебаний отсека 1 без использования заглушки 5. График 7 показывает первые частоты радиальных колебаний контура отсека также без использования заглушки (см. фиг. 3). График 8 показывает первые (нижние) частоты собственных колебаний выступающей из приспособления 4 части отсека 1 по предлагаемому способу виброиспытаний с использованием заглушки в виде тонкостенной пологой сферической оболочки. Штриховкой показана зона рабочего диапазона частот до 2000 Гц, в которой не должно быть резонансов приспособления с закрепленным в нем цилиндрическим отсеком.

На фиг. 5 показан пример крепления заглушки в виде тонкостенной пологой сферической оболочки 5 к открытой части отсека 1 при помощи стяжных болтов 9 с эксцентриковой головкой.

На фиг. 6 показан пример крепежного приспособления 4 в виде пустотелого цилиндра с основанием и ребрами жесткости для осуществления способа виброиспытаний. На рисунке показан пример приспособления для виброиспытаний РЭА в продольном направлении вдоль оси отсека.

Осуществление изобретения

Группа изобретений реализуется следующим образом. Комплект приспособлений состоит из крепежного приспособления и тонкостенной сферической заглушки. Крепежное приспособление сконструировано таким образом, что длина выступающей из приспособления консольной части цилиндрического отсека не превышает величину его диаметра. Приспособление должно быть, по возможности, монолитным, выполненным в виде пустотелого цилиндра с основанием и ребрами жесткости (см., например, фиг. 6), в котором предусмотрена возможность консольного крепления испытуемого отсека. Точки крепления изделия к приспособлению выполняются такими же, как в стыковочном узле с ответным отсеком в реальной ракете. Крепление может быть осуществлено, например, с помощью эксцентриковых болтов 9, показанных на фиг. 5. Приспособление изготавливают, например, из литейного алюминиевого сплава марки АК7 по ГОСТ 1583-93.

Крепежные приспособления для испытаний в направлении продольной оси (см. фиг. 1) и для испытаний в направлении поперечных осей будут отличаться только расположением своего основания относительно оси пустотелого цилиндра. Допускается использование одного крепежного приспособления, предназначенного для испытаний в продольном направлении, для испытаний отсека с РЭА в поперечных направлениях при использовании дополнительного приспособления в виде угольника (см., например, РД 11 091.049-80 «Приспособления для испытаний изделий электронной техники на воздействие вибрационных и ударных нагрузок», черт. 6).

Заглушка в виде тонкостенной пологой сферической оболочки предварительно рассчитывается на отсутствие частот собственных колебаний в рабочем диапазоне частот виброиспытаний с учетом конкретных условий ее крепления на торце испытуемого цилиндрического отсека. Расчет заглушки осуществляется с помощью любой компьютерной программы, позволяющей проводить частотный анализ трехмерных моделей (SolidWorks, КОМПАС-3D и др.). Рекомендуемая высота заглушки в виде тонкостенной пологой сферической оболочки h_сф≈0,1d, рекомендуемая толщина оболочки s_сф≈0,005d. Материал - алюминиевый сплав, например, марки Д16 по ГОСТ 4784-2019. Например, для отсека с толщиной стенки 5 мм и диаметром d=200 мм толщина заглушки составит s_сф=1,2 мм, а высота h_сф=20 мм.

Способ виброиспытаний осуществляется следующим образом. На первом этапе в крепежном приспособлении закрепляют цилиндрический отсек с установленной внутри испытываемой РЭА. Далее на свободном торце цилиндрического отсека к штатным стыковочным узлам отсека ракеты крепят сферическую заглушку. Крепежное приспособление с отсеком устанавливают на стол вибростенда и проводят виброиспытания, например, по ГОСТ 30630.0.0-99 и ГОСТ 30630.1.2-99. Очередность монтажных операций может иметь любую последовательность в зависимости от конструктивных особенностей крепежного приспособления.

Группа изобретений относится к приспособлениям и способам виброиспытаний бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), находящейся в составе цилиндрического отсека, которые могут быть использованы при автономных испытаниях РЭА на этапах ее разработки и изготовления. Крепежное приспособление, выполненное в виде пустотелого цилиндра, имеющего основание и ребра жесткости, входящее в состав комплекта, сконструировано таким образом, что длина выступающей из него консольной части цилиндрического отсека не превышает величину диаметра отсека. Заглушка, входящая в комплект приспособлений, выполнена в виде пологой тонкой сферической оболочки с нижней частотой собственных колебаний, находящейся выше верхней границы диапазона частот виброиспытаний. При проведении виброиспытаний используют указанный комплект приспособлений. Технический результат - повышение точности виброиспытаний за счет устранения влияния изгибных колебаний цилиндрического отсека и радиальных колебаний его открытого торца на передачу заданных параметров. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Комплект приспособлений для виброиспытаний радиоэлектронной аппаратуры в составе цилиндрического отсека, состоящий из крепежного приспособления, выполненного в виде пустотелого цилиндра с основанием и ребрами жесткости, предусматривающего выступание консольной части закрепленного в приспособлении цилиндрического отсека на величину, не превышающую диаметр испытуемого отсека, и заглушки, предназначенной для крепления на торце выступающей из приспособления части цилиндрического отсека, выполненной в виде тонкостенной пологой сферической оболочки, с нижней частотой собственных колебаний, находящейся выше верхней границы диапазона частот виброиспытаний.

2. Способ виброиспытаний радиоэлектронной аппаратуры в составе цилиндрического отсека, заключающийся в том, что отсек с радиоэлектронной аппаратурой закрепляют в крепежном приспособлении, выполненном в виде пустотелого цилиндра с основанием и ребрами жесткости, устанавливают его на стол вибростенда и проводят виброиспытания, отличающийся тем, что используют крепежное приспособление, предусматривающее выступание консольной части закрепленного в приспособлении цилиндрического отсека на величину, не превышающую диаметр испытуемого отсека, а на торце выступающей из приспособления части цилиндрического отсека закрепляют заглушку, выполненную в виде тонкостенной пологой сферической оболочки с нижней частотой собственных колебаний, находящейся выше верхней границы диапазона частот виброиспытаний.