CC BY
78
УДК 620.178.311.6
ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕМПФИРУЮЩИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ
А.В. Иванов, М.Н. Письмаров, А. А. Куфтин
Разработка устройств защиты от динамических воздействий малогабаритной бортовой аппаратуры, сочетающих высокую демпфирующую способность с повышенными механическими и хорошими технологическими свойствами является актуальной задачей. Решению этой задачи способствует исследование демпфирующих свойств конструкционных металлических материалов. На основе анализа механических свойств выбраны наиболее перспективные стали (сплавы) для защиты малогабаритной бортовой аппаратуры от динамических воздействий. Представлены результаты исследований образцов конструкционных металлических материалов по определению их демпфирующих характеристик. Даны рекомендации по проектированию устройств защиты на основе полученных результатов.
Ключевые слова: малогабаритная бортовая аппаратура, конструкционные металлические материалы, динамическое воздействие, защита, демпфирование.
В настоящее время достаточно актуальной является задача разработки малогабаритной бортовой аппаратуры (МБА). Трудность ее решения определяется жесткими, часто противоречивыми требованиями, которые предъявляются по ограничению габаритно-массовых характеристик, высокой надежности, а также стойкости к значительным уровням внешних механических воздействий.
Решение данной задачи возможно путем применения в конструкции МБА сплавов высокого демпфирования (СВД). При прочих равных условиях детали из СВД более надежны при вибрационных и ударных нагру-жениях, чем изготовленные из обычных конструкционных материалов. Благодаря высокой демпфирующей способности материала свободные колебания в изготовленных из него деталях быстро затухают, значительно снижаются амплитуды вынужденных резонансных колебаний, резко падают напряжения от ударного нагружения. Преимуществом метода снижения механических воздействий в результате использования СВД является его относительная простота по сравнению с другими методами, так как при этом отпадает надобность в специальных, иногда довольно сложных виб-ропоглощающих устройствах, практическая независимость эффекта демпфирования от частоты, и относительная небольшая зависимость от температуры по сравнению с пластмассами [1]. Также применение СВД в конструкциях МБА значительно повышает ремонтопригодность по сравнению с использованием пенопластов типа ППУ-305А ОСТ В95 2376-83.
Стоимость материалов и их прочностные свойства являются определяющими при выборе СВД для применения в составе МБА. Так как СВД в составе МБА предполагается применять в несущих элементах конструк-
304
ций приборов, то материал должен обладать низкой стоимостью, соответствующими технологичностью и конструкционной прочностью не хуже деформируемых алюминиевых сплавов (Д16, В95, АМг6).
В соответствии со значением коэффициента механических потерь (рис. 1) все материалы делятся на три класса: менее 1 % - низкодемпфи-рующие (деформируемые алюминиевые сплавы), от 1 до 10 % - средне-демпфирующие (хромистая сталь типа 1Х13, 2Х13 и сплавы на основе спеченного порошка алюминия типа САП), от 10 до 100 % - высокодемп-фирующие (магний и его сплавы с цирконием, кремнием и марганцем, сплавы системы Си - Мп, никель, сплавы Со - М, серый чугун, сплавы на основе соединений ИШ (нитинолы), сплавы на основе железа (Бг-Ст-Л!)) [2].
. 60 -и
8 50
Рис. 1. Коэффициент механических потерь металлов и сплавов
Большая часть материалов с высоким значением коэффициента механических потерь являются достаточно экзотическими, с высокой стоимостью, плохой обрабатываемостью и низкими прочностными свойствами. На основе анализа механических свойств и стоимости наиболее перспективными конструкционными металлическими материалами для защиты малогабаритной бортовой аппаратуры от динамических воздействий являются серый чугун СЧ20 ГОСТ 1412-85, стали 20ХН3А ГОСТ 4543-71, 40Х ГОСТ 4543-71, 30X13 ТУ 14-1-3957-85, 30ХГСА ГОСТ 4543-71, У8А ГОСТ 1435-99 и сплав 12Х18Н10Т ГОСТ5632-72.
Проведены исследования образцов металлических пластин выбранных материалов в количестве 4 шт. каждый (рис. 2) с использованием специально спроектированной установки.
Структурная схема установки показана на рис. 3. Установка защищена патентом [3].
Рис. 2. Исследуемые образцы
Рис. 3. Установка для определения демпфирующих характеристик: 1 - вибростенд; 2 - кронштейн; 3 - исследуемый образец; 4 - система управления возбудителем колебаний; 5 - чувствительная головка лазерной системы измерений; 6 - система измерения колебаний; 7 - контрольный датчки (вибропреобразователь)
Внешний вид испытательной установки показан на рис. 4.
Рис. 4. Кронштейн с закрепленным образцом
Принцип измерения основан на эффекте Доплера. Приборы измеряют сдвиг частоты отраженного от вибрирующей поверхности лазерного луча и вычисляют мгновенные значения виброскорости. Частотный сдвиг между излучённым и отражённым оптическими сигналами пропорционален мгновенной виброскорости, а фазовый сдвиг пропорционален мгновенному виброперемещению объекта.
Внешнее воздействие представляет собой периодический сигнал с генератора, встроенного во входной каскад сканирующего лазерного виброметра. Тип возбуждения - импульсы с линейной частотной модуляцией. Образцы металлических пластин подвергаются воздействию вибрации, при этом ведется запись уровней виброускорений в наборе точек на поверхности пластин и на испытательном кронштейне.
Типовой вид результатов испытаний приведен на рис. 5 и представляет собой амплитудно-частотную характеристику исследуемого образца.
Коэффициент механических потерь образца рассчитывается по формуле (1):
Упл = ^ (1)
Упл
где упл - коэффициент механических потерь, %; Л[0 7 - ширина резонансной кривой на уровне 0,707 от максимальной амплитуды, Гц; /пл - резонансная частота образца, Гц.
Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика образца
По результатам исследований установлено, что наибольшими демпфирующими свойствами обладает серый чугун СЧ20 ГОСТ 1412-85 с коэффициентом механических потерь 4,77 % (рис. 6).
В ходе исследований также установлено, что с увеличением амплитуды механического воздействия демпфирующие свойства материалов увеличиваются (рис. 7).
Рис. 6. Величина коэффициента механических потерь металлических пластин при механическом воздействии с амплитудой А=2,2 м/с2
■е<
о 1
«
О .........................
0,5 1 1,5 2 2,5
Амплитуда, м/с2
Рис. 7. Зависимость коэффициента механических потерь от величины амплитуды ускорения для чугуна серого СЧ 20 ГОСТ 1412-85
Необходимо отметить наличие «выброса» на рис. 7, а именно наибольшего значения коэффициента механических потерь при наименьшей величине механического воздействия (точка 1). Предположительно это связано с особенностями монтажа исследуемого образца и, как следствие, возникновения дополнительного дребезга и резонанса. Также на результаты исследований влияет плоскостность граней кронштейна, допуска при изготовлении образцов и кронштейна, а также значение момента затяжки крепежных элементов, которая различна для каждого исследуемого образца. Поэтому необходимо изготовление кронштейна с более ровными гранями и контроль значения момента затяжки крепежных элементов динамометрическим ключом. При проведении дальнейших подобных исследований следует обеспечить закрепление исследуемого образца как можно ближе к краю грани кронштейна. Более точные допуска при изготовлении
кронштейна и новых исследуемых образцов позволят контролировать величину выступания образца относительно грани кронштейна перпендикулярной плоскости установки.
Рис. 8. Свободный ход исследуемого образца
Широкое использование серого чугуна в МБА ограничивает то, что его основным компонентом является железо. Как следствие, детали из него имеют большую массу, что неприемлемо для МБА. Поэтому, несмотря на то, что применение серого чугуна для изготовления корпусов (как основной несущей детали аппаратуры) наиболее эффективно для рассеивания энергии механических воздействий, для МБА это нецелесообразно. Необходимо проведение исследований для определения оптимальных элементов конструкции (крепежные втулки основания, втулки для крепления функциональных модулей), не увеличивающих (критично) массу МБА и снижающих при этом динамичность конструкции (рис. 9 и 10).
Рис. 9. Внешний вид макета МБА
309
Втулка для '' крепления
функциональных модулей
Втулка для
--- крепления
основания
Рис. 10. Расположение втулок
Дальнейшие перспективы в части определения возможности применения СВД в конструкциях МБА связаны с исследованиями перспективной стали 01Ю5Т ТУ 14-1-5639-2013 разработки ФГУП «ЦНИИЧермет им. И. П. Бардина», слоистых и многослойных материалов, а также нити-нолов.
Список литературы
1. Фавствов Ю. К., Шульга Ю. Н., Рахштадт А. Г. Металловедение высокодемпфирующих сплавов. М.: Металлургия, 1980. 273 с.
2. Головин С. А., Пушкар А., Левин Д. М. Упругие и демпфирующие свойства конструкционных металлических материалов. М.: Металлургия, 1987. 190 с.
3. Установка для определения динамических характеристик низкомодульных полимерных материалов: пат. № 2628737 РФ. Приоритет от 17.10.2016; опубл. 21.08.2017.
Иванов Алексей Валерьевич, начальник отдела, infoakh2. vniief.ru, Россия, Са-ров, Российский федеральный ядерный центр - всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики,
Письмаров Михаил Николаевич, инженер-конструктор 1 категории, postmasterach2. vniief.ru, Россия, Саров, Российский федеральный ядерный центр - всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики,
Куфтин Артём Александрович, начальник группы, infoakh2.vniief.ru, Россия, Саров, Российский федеральный ядерный центр - всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
RESEARCH OF DAMPING PROPERTIES OF STRUCTURAL METALLIC MATERIALS FOR PROTECTION OF ON-BOARD EQUIPMENT
A. V. Ivanov, M.N. Pismarov, A.A. Kuftin 310
Design of devices for protecting small-sized on-board equipment against dynamic impacts and combining high damping capacity with enhanced mechanical and good technological properties is an important task. Solution of this task is promoted by research of the damping properties of structural metallic materials. The most perspective steels (alloys) for protection of small-sized on-board equipment against dynamic impacts were selected on the basis of analysis of mechanical properties. Research results of determining damping characteristics in the samples of structural metallic materials are presented. Recommendations for design of protectors are given relying of the results obtained.
Key words: small-sized on-board equipment, structural metallic materials, dynamic impact, protection, damping.
Ivanov Alexey Valerevich, department head, infoakb2. vniief.ru, Russia, Sarov, Russian Federal nuclear center all-russian research institute of experimental physics,
Pismarov Mikhail Nikolaevich, category 1 design engineer, postmaster@,cb2. vniief.ru, Russia, Sarov, Russian Federal nuclear center all-russian research institute of experimental physics,
Kuftin Artem Aleksandrovich, chief of a group, infoakb2. vniief.ru, Russia, Sarov, Russian Federal nuclear center all-russian research institute of experimental physics
