CC BY
101
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ
УДК 378.147
АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ СТАТИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛИМЫХ СИСТЕМ АМОРТИЗАЦИИ РЭС
---- А. В. Затылкин, Г. В. Таньков, И. И. Кочегаров -
Введение
На конструкцию радиоэлектронных средств (РЭС) могут воздействовать внутренние и внешние динамические возбуждающие силы, причиной которых являются работающие электродвигатели, приводы антенны, различные электромеханические преобразователи, сейсмические, взрывные и иные внешние механические силы.
По статистическим данным, до 30 % всех отказов РЭС происходит по причине воздействия ударов и вибрации [1]. Защита РЭС от механического воздействия может осуществляться путем повышения надежности и жесткости конструкций или применением систем виброизоляции блоков и устройств РЭС.
При конструировании РЭС необходимо стремиться к тому, чтобы система амортизации имела минимальное число связанных форм колебаний и чтобы они находились вне заданного диапазона действующих вибраций, не имели близких друг к другу значений, а коэффициент динамичности не превышал допустимых значений.
Анализ современного состояния вопроса
Расчет системы амортизации можно проводить вручную, руководствуясь существующими методиками [2, 3], а можно с помощью специализированного программного обеспечения, что значительно сэкономит время проведения расчетов.
В настоящее время известна программа «УЛ1га2о1а1;юп», разработанная на кафедре «Технология аэрокосмического приборостроения» Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения [4].
Исходными данными для работы программы являются: масса блока, его габаритные размеры, координаты амортизаторов, диапазон частот, виброускорение и параметры материала амортизатора.
По результатам работы программы можно сделать вывод: подходит или нет выбранная группа амортизаторов. Расчет идет по схеме амортизации с двумя плоскостями симметрии и четырьмя амортизаторами.
Достоинства программы: простота использования, быстрая работа, рассчитана на работу в распространенной операционной системе - Windows 95/98/У^1а/ХР. Недостатки системы: статический расчет только одной схемы амортизации, отсутствие расчета компенсирующих прокладок, отсутствие базы данных на существующие амортизаторы.
Более совершенная программа расчета систем амортизации «ПРСА» бортовых РЭС разработана на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» Пензенского государственного университета [5].
Функциональные возможности этой программы во многом схожи. Их достоинства и недостатки в основном повторяются. Основное отличие программы «ПРСА» заключается в том, что рассчитывается схема установки с одной плоскостью симметрии на трех амортизаторах, а также проводится дополнительный расчет компенсирующих прокладок под устанавливаемые амортизаторы.
В связи с тем, что существующие программные продукты не обеспечивают необходимую функциональность при проведении расчетов систем амортизации бортовых РЭС, то следует разработать программный комплекс, который позволит автоматизировать выполнение следующих операций:
1) проводить расчет наиболее распространенных схем амортизации;
2) проводить не только статический, но и динамический расчеты схем амортизации;
3) подключать базу данных на существующие типы амортизаторов;
4) проводить расчет компенсирующих прокладок амортизаторов.
Наличие программного обеспечения с указанными функциональными возможностями позволит инженеру проводить все необходимые расчеты при проектировании систем амортизации бортовых РЭС. Также необходимо разработать графический интерфейс для обеспечения удобства работы пользователя.
Математический аппарат
Различают статически определимые и статически неопределимые системы амортизации. Статически определимыми системами амортизации являются системы, состоящие из трех амортизаторов, не расположенных на одной прямой; силы реакции амортизаторов не зависят от их упругих свойств и однозначно определяются из трех уравнений статики. В практических системах амортизации по конструктивным соображениям число амортизаторов равно четырем или более, поэтому такие системы амортизации являются статически неопределимыми.
Расчет системы амортизации включает в себя еще и определение сил реакций амортизаторов и величин статического прогиба, по которым с учетом возможного влияния дестабилизирующих факторов выбирают нужный типоразмер амортизатора.
Наиболее сложная часть расчета пространственных систем амортизации - определение силы реакции амортизаторов. Амортизаторы выбирают по методике схем однонаправленного нагружения, но с учетом всех направлений действия сил. В системах амортизации пространственного нагружения можно использовать только такие амортизаторы, которые гарантируют работу по осямX, У, І (АВД, АКСС, АПН, АСД, АР, АТ).
Силы реакции амортизаторов Ріх, Ріу, Ріг должны удовлетворять уравнениям
МММ
IРх = 9,81тх ; £Ру = 9,81ту ; £Рш = 9,81т2 ;
І І І
N N N
I (Рау, - Рух,) = 0; I (Ру2, - Р12у,) = 0; £ (Ршх, - Раг,) = 0,
І І І
где т, - компоненты массы по осям X, У и І; х, уг и г - координаты точки крепления к блоку і-го амортизатора.
При этом оси прямоугольной системы координат X, У, І направлены параллельно главным осям направления, одно из которых совпадает с осью амортизатора, а другие две перпендикулярны ей.
Подбор амортизаторов производят исходя из определения их жесткости и несущей способности в осевых направлениях Рх, Ру, Рг. При этом Рмин < Рі < Рмакс.
При расстановке амортизаторов, следует учитывать, что большие по горизонтали расстояния от амортизаторов до их центра жесткости, лежащего на вертикали, проходящей через центр тяжести блока, приводят к высоким частотам собственных вращательных колебаний блока.
Расстановка амортизаторов должна быть симметричной, хотя бы относительно одной из главных центральных осей инерции амортизируемого блока.
Алгоритмической обеспечение
Разработанное программное обеспечение позволяет выполнить расчет схем амортизации как с одной, так и с двумя плоскостями симметрии (на четырех амортизаторах), а также толщины компенсирующих прокладок, устанавливаемых под амортизаторы. Полученный результат можно вывести на монитор или распечатать.
Основная программа должна содержать перечень всех используемых модулей и несколько исполняемых операторов, обеспечивающих создание нужных окон и связь программы с Windows. Работоспособность программы обеспечивается кодом, содержащимся в раздельных модулях.
Модули расчета программного комплекса представляют собой внешние подключаемые модули общего назначения, разработанные в среде объектноориентированного программирования Borland Бе1рЫ 7.0. Модуль общего назначения - автономно компилируемая программная единица, включающая в себя различные компоненты интерфейсного раздела (типы, константы, переменные, процедуры и функции). Появление объектов в интерфейсной части делает их доступными для других модулей и основной программы.
Код процедур и функций располагается в исполняемой части модуля, которая может быть скрыта от пользователя.
Алгоритм программы расчета систем амортизации бортовых РЭС показан на рис. 1,а. Представленный алгоритм содержит несколько вложенных алгоритмов, описывающих работу соответствующих подпрограмм.
а)
б)
Рис. 1. Алгоритмическое обеспечение программы расчета систем амортизации бортовых РЭС: а - алгоритм основной программы; б - алгоритм подпрограммы инициализации базы данных
Основная программа включает в себя следующие подпрограммы, реализованные отдельными программными модулями:
- подпрограмма инициализации базы данных (алгоритм подпрограммы показан на рис. 1,б);
- подпрограмма статического расчета схемы амортизации с одной плоскостью симметрии (алгоритм подпрограммы показан на рис. 2,а);
- подпрограмма динамического расчета схемы амортизации с одной плоскостью симметрии (алгоритм подпрограммы показан на рис. 2,б);
- статического расчета схемы амортизации с двумя плоскостями симметрии (алгоритм подпрограммы показан на рис. 2,в);
- подпрограмма динамического расчета схемы амортизации с двумя плоскостями симметрии (алгоритм подпрограммы показан на рис. 2,г).
Начало
Расчет реакции амортизаторов
р _ р _ ЯН
ру р 4Ь
Расчет реакции амортизаторов
р _р __0Н
РзУ Р4У 4Ь ■
Расчет статического прогиба амортизаторов * =0--
,ст 4к,
Расчет статического прогиба амортизаторов
ЯН
Уі ст = У2 ст , її ;
прогиба амортизаторов
_ __ _ян_.
У3ст У3ст лі і ;
4Ьку
£ _£ = )
_ У 1ст _
ЯН
2ЬкУ
Конец
Расчет момента инерции блока по оси X
• (^2 + Б2У;
х 12
Расчет момента инерции блока по оси У
Л _12 • (С 2 + В2);
Расчет момента инерции блока по оси 2
3г_ — • (Л2 + С2); г 12
Расчет круговой частоты колебаний вокруг оси X
Конец
Начало
Расчет момента инерции блока по оси X
3 _ — • (Л2 + В2); х 12
Расчет момента инерции блока по оси У
-- — • (С2 + В2); 12
Расчет момента инерции блока по оси 2
3 _ — • (Л2 + С2); 2 12
Расчет собственных частот
&1,&2,&з,&4,&5,&>
'Т °)г = і і
вертикальных и связных продольных колебаний
а) б) в) г)
Рис. 2. Алгоритмическое обеспечение программы расчета систем амортизации бортовых РЭС: а - алгоритм подпрограммы 1_РЬ8_81а1; б - алгоритм подпрограммы 1_РЬ8_Біпат; в - алгоритм подпрограммы 2_РЬ8_81а1; г - алгоритм подпрограммы 2_РЬ8_Біпат
У
Важным достоинством разработанного программного обеспечения является возможность подключения базы данных на существующие типы амортизаторов, что существенно облегчает работу инженера по их поиску и подбору.
В разработанной программе вывод результатов расчета на экран реализован с помощью компонентов TstringGrid и Memo. Табличная форма представления информации принята основной формой, так как она позволяет компактно разместить данные, что существенно экономит пространство рабочей формы программы и позволяет пользователю лучше воспринимать их. Вывод на экран комментариев и прочей вспомогательной текстовой информации позволяет пользователю лучше ориентироваться в основных данных.
Генерируемый программным обеспечением отчет (компонент TSaveDialog) состоит из исходных данных, статического и динамического расчета системы амортизации.
Инженерная методика работы с программным обеспечением
Постоянное усложнение технических систем вызывает необходимость проведения их анализа с целью совершенствования функционирования и повышения эффективности. В США это обстоятельство было осознано еще в конце 70-х годов, когда ВВС США предложили и реализовали Программу интегрированной компьютеризации производства ICAM (ICAM - Integrated Computer Aided Manufacturing), направленную на увеличение эффективности промышленных предприятий посредством широкого внедрения компьютерных (информационных) технологий.
Реализация программы ICAM потребовала создания адекватных методов анализа и проектирования производственных систем и способов обмена информацией между специалистами, занимающимися такими проблемами. Для удовлетворения этой потребности была разработана методология IDEF, позволяющая исследовать структуру, параметры и характеристики производственно-технических и организационно-экономических систем.
В настоящее время методология IDEF отражена и в стандарте ГОСТ P 50.1.028-2001. Предложенная методика работы с программой расчета систем амортизации бортовых РЭС представлена в виде диаграммы IDEF0 на рис. 3. Последователбность выполняемых действий состоит из подключения базы данных (содержит информацию о параметрах современных амортизаторов), выбора конкретной схемы амортизации (либо с одной плоскостью симметрии, либо с двумя), проведения статического расчета (статический прогиб амортизаторов и толщина компенсирующей прокладки), проведения динамического расчета (определяются моменты инерции и жесткости амортизаторов, коэффициенты динамичности и др.) и анализа полученных парметров системы амортизации. Далее рассмотрим более подробно каждый из них.
Система ПК. программа расчета
управлений БД СА бортовых РЭС
Рис. 3. Инженерная методика работы с программным обеспечением в виде диаграммы ШЕБО по ГОСТ Р 50.1.028-2001
На этапе подключения базы данных пользователю следует подключить ту базу данных, которая содержит информацию о параметрах амортизаторов, имеющихся в наличии на предприятии или предполагаемых к использованию и закупке. Входными данными процесса служат исходные данные для расчета, такие как масса амортизируемого блока, его габаритные размеры, места расположения амортизаторов и др. Выходными данными процесса являются параметры имеющихся в базе данных амортизаторов.
На этапе выбора схемы амортизации пользователю следует выбрать схему с одной плоскостью симметрии либо с двумя, в зависимости от конкретной ситуации. Входными данными процесса служат параметры выбранных амортизаторов. Параметры заносятся в систему автоматически из базы данных после того, как пользователь выберет конкретные типы амортизаторов. Выходными данными процесса являются данные, необходимые для дальнейшего проведения расчетов.
На этапе проведения статического расчета программа автоматически выполняет расчет таких параметров системы амортизации, как статический прогиб амортизаторов и толщину компенсирующей прокладки для компенсации их перекоса. Входными данными процесса служат схема амортизации и параметры выбранных амортизаторов. Выходными данными процесса являются статические параметры системы амортизации.
На этапе проведения динамического расчета программа автоматически выполняет расчет таких параметров системы амортизации, как моменты инерции и жесткости амортизаторов, коэффициенты динамичности и др. Входными данными процесса служат схема системы амортизации, параметры выбранных амортизаторов и данные, полученные при статическом расчете. Выходными данными процесса являются динамические параметры системы амортизации.
На этапе анализа полученных парметров системы амортизации делается вывод о том, подходит предлагаемая система амортизации или нет.
Таким образом, была разработана методика работы с программой расчета систем амортизации бортовых РЭС на основе методологии ГОЕБО, позволяющая проводить расчет статических и динамических параметров системы амортизации.
Численные эксперименты
В целях проверки работоспособности программы проведен расчет амортизации по исходным данным, приведенным в [3].
Исходные данные для проведения статического расчета схемы амортизации с одной плоскостью симметрии показаны на рис. 4,а. Следуя методике расчета, получим данные, представленные на рис. 4,6.
Исходные данные для проведения динамического расчета схемы амортизации с двумя плоскостями симметрии показаны на рис. 5,а. Следуя методике расчета, получим данные, представленные на рис. 5,б.
а)
б)
Рис. 4. Статический расчет схемы амортизации с одной плоскостью симметрии: а - исходные данные; б - результаты расчета
Файл О грог ранне Гймошь Выход
2. Статически* расчет 3. Д«*имичм*>Л расчет
Выбор схемы -амослиз; Z Паиметрь! одаиы аморгимиии [Uifi-iHa. см Длине, см Высота, см бес йлжа, кг
А 80 [42 28 32
0 Q , ь в X _ „ 4acioia.ru
thl до его основания, см
1г, i £
I мпы амортнзатсрэв XI, см VI, см Z1, см
с • 2< .3 X Ам<*ггимгор_1 -АВД Л |32 | 6 | |18 | Х2,см Y2.CM Z2.CM
• 4 Амортимтор^2 'АВД Д| |-32 | |б | |1в | ХЗ, см Y3, см 23, см
Ly Дмсрти«тор_ЗДВД v -J? | |б ! .-18 XI, вы Y4, см Z4, см
Схема е 2-й ПЛОСКОСТЯМИ o*.ii.iCTpnit v [Аморгимм0_4 АВД v 32 S 18
а)
б)
Рис. 5. Динамический расчет схемы амортизации с двумя плоскостями симметрии: а - исходные данные; б - результаты расчета
В результате расчетов программы получили данные, значения которых совпадают с уже рассчитанными. Исходя из этого следует вывод, что разработанная программа по расчету амортизации, подверженной вибрационным воздействиям, работает безошибочно. Также разработанное программное обеспечение прошло апробацию и нашло применение в различных сторонних проектах [6-8].
Выводы
Разработанное нами программное обеспечение гарантирует необходимую функциональность при проведении расчетов систем амортизации бортовых РЭС, позволяя инженеру проводить расчет наиболее распространенных схем амортизации; проводить не только статический, но и динамический расчет схем амортизации; подключать базу данных на существующие типы амортизаторов; дополнительно проводить расчет компенсирующих прокладок амортизаторов.
Наличие программного обеспечения с указанными функциональными возможностями позволит инженеру проводить все необходимые расчеты при проектировании систем амортизации бортовых РЭС.
Список литературы
1. Токарев, М. Ф. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры : учеб. пособие для вузов / М. Ф. Токарев, Е. Н. Талицкий, В. А. Фролов ; под ред. В. А. Фролова. - М. : Радио и связь, 1984. -232 с.
2. Ильинский, В. С. Защита РЭА и прецизионного оборудования от динамических воздействий / В. С. Ильинский. - М. : Радио и связь, 1982. - 295 с.
3. Дульнев, Г. Н. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах / Г. Н. Дульнев, Э. М. Семяшкин. - Л. : Энергия, 1968. - 360 с.
4. Кафедра «Технология аэрокосмического приборостроения» Санкт-Петербургского государственного университета. - URL: http: //guap.ru /guap /dep02 /krat_ main.shtml.
5. Таньков, Г. В. Исследование моделей стержневых конструкций радиоэлектронных средств / Г. В. Тань-ков, В. А. Трусов, А. В. Затылкин // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2005. - С. 156-158.
6. Баннов, В. Я. Автоматизированный стенд исследования процедуры формирования тестового воздействия при проведении диагностики логических схем электронных устройств / В. Я. Баннов, Е. В. Сапро-ва, А. В. Затылкин // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. -Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 1. - С. 32-34.
7. Лабораторный комплекс в архитектуре ИКОС как основа формирования умений / И. Д. Граб, А. В. За-
тылкин, Н. К. Юрков, Н. В. Горячев, В. Б. Алмаметов, В. Я. Баннов, И. И. Кочегаров // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2008. - Т. 1. -
С. 213-215.
8. Лысенко, А. В. Анализ особенностей применения современных активных систем виброзащиты для нестационарных РЭС / А. В. Лысенко, Г. В. Таньков, Д. А. Рындин // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - Т. 2. - С. 155-158.
УДК 378.147
Затылкин, А. В.
Алгоритмическое и программное обеспечение расчета параметров статически неопределимых систем амортизации РЭС / А. В. Затылкин, Г. В. Таньков, И. И. Кочегаров // Надежность и качество сложных систем. - 2013. - № 4. - С. 33-40.
Затылкин Александр Валентинович
кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры,
Пензенский государственный университет (44002б, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
(S412) 3б8-212
E-mail: al.zatylkin@yandex.ru.
Таньков Георгий Васильевич
кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры,
Пензенский государственный университет (44002б, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
(S412) 3б8-212 E-mail: oldalez@yandex.ru
Кочегаров Игорь Иванович
кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры,
Пензенский государственный университет (44002б, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
(S412) 3б8-212 E-mail: kipra@pnzgu.ru
Аннотация. Рассмотрен вопрос обеспечения виброзащиты статически неопределимых систем амортизации бортовых РЭС. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для проведения расчетов основных параметров систем виброзащиты. Предложена инженерная методика работы с программным обеспечением в виде диаграммы IDEF0. Проведены численные эксперименты, которые показали безошибочность работы разработанного программного обеспечения.
Ключевые слова: удары, вибрации, надежность, амортизатор, программа, алгоритм, инженерная методика.
Zatylkin Alexander Valentinovich
candidate of technical sciences, associate professor,
sub-department of radio equipment
design and production,
Penza State University
(440026, 40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Tankov Georgiy Vasilievich
candidate of technical sciences, associate professor,
sub-department of radio equipment
design and production,
Penza State University
(440026, 40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Kochegarov Igor' Ivanovich
candidate of technical sciences, associate professor,
sub-department of radio equipment
design and production,
Penza State University
(440026, 40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Abstract. This article considers the question of providing Bn6poa3amnTM statically indeterminate systems depreciation onboard RES. Developed algorithms and software for the calculation of the main parameters of vibration protection systems. An engineering procedure of work with the software in the form of a diagram IDEF0. Numerical experiments showed that the developed software works accurately.
Key words, shock, vibration, reliability, shock absorber, program, algorithm, engineering technique.
