CC BY
198
УДК 621.316.969
1Лысенко А.В., 1Затылкин А.В., 1Таньков Г.В., 2Апенбин М.А.
Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
2Военный институт Сил воздушной обороны Республики Казахстан, Актобе, Казахстан
К ВОПРОСУ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ОТ ВНЕШНИХ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Введение
Известно, что радиоэлектронная аппаратура (РЭА) ракетной, авиакосмической, морской и наземной техники, подвержена негативному воздействию ударов и вибрации. При этом, максимальная частота воздействующей вибрации может достигать 5 000 Гц, что приводит к возникновению резонансных колебаний элементов конструкций РЭА [1]. Вследствие этого происходит увеличение амплитуд колебаний в десятки и даже сотни раз и резкий рост интенсивности отказов РЭА за счет механических разрушений несущих конструкций и электрорадиоэлементов [2].
Поэтому устранение негативного влияния резонансных колебаний элементов конструкции РЭА или снижение их до допустимого уровня составляют одну из важнейших задач при проектировании РЭА [3 - 5].
1 Анализ современных методов виброзащиты РЭА
В настоящее время наиболее широкое применение нашли методы пассивной и активной виброзащиты [6, 7]. Рассмотрим каждый из них более подробно.
Пассивные методы виброзащиты, связаны с использованием инерционных, упругих, диссипативных и других пассивных элементов. Особенностью простых пассивных виброзащитных систем является то, что на собственной резонансной частоте амплитуда колебании и связанные с ней ускорения значительно превышают уровень возмущающих воздействий на основании. Обычно эффективность виброзащиты пассивных систем проявляется при частотах возмущающего воздействия, несколько превышающих резонансную частоту.
Снижение резонансной частоты в результате уменьшения жесткости упругого элемента имеет ряд ограничений эргономического и технического характера [8]. Поэтому даже самые совершенные пассивные виброзащитные системы, применяемые в настоящее время, обеспечивают эффективное виброгашение частот, составляющих 3 Гц и более [9].
К менее существенным недостаткам пассивных виброзащитных систем относят чувствительность к весу изолируемого от вибрации объекта, а также чувствительность к внешним силам.
Поэтому, во многих случаях пассивные виброзащитные системы оказываются неэффективными, т.к. они не могут в полной мере обеспечить выполнение сложных и, как правило, противоречивых требований, предъявляемых к виброзащитным устройствам.
В связи с этим чаще применяются так называемые активные системы, являющиеся, по существу, системами автоматического управления движением амортизируемых тел, обладающими обычно независимыми источниками энергии.
Активные виброзащитные системы представляют собой следящие системы, которые осуществляют движение каркаса и объекта виброзащиты в противофазе относительно вибрирующего основания. Эти системы стремятся обеспечить абсолютную в вертикальном направлении неподвижность объекта виброзащиты при наличии вертикальных перемещений основания.
Как и всякие следящие системы, активные виброзащитные системы требуют для функционирования подвода энергии. Эта особенность и объясняет, почему подобные системы называют активными. Кроме того, активность системы связана также с принудительным перемещением объекта виброзащиты относительно вибрирующего основания на основании информации или сигналов управления, снимаемых с соответствующих датчиков .
Несмотря на относительную сложность и более высокую стоимость по сравнению с пассивными системами, активные системы виброзащиты имеют ряд достоинств, позволяющих прогнозировать их широкое применение в тех случаях, когда пассивные подвески не могут обеспечить эффективной виброзащиты, особенно низкочастотной.
Применение активных систем позволяет получить:
- очень малую жесткость при колебательном возбуждении (с собственной частотой, значительно меньшей, чем у обычных пассивных систем);
- высокую жесткость по отношению к постоянно действующей нагрузке;
- нулевые статические смещения;
- возврат изолируемой массы в исходное положение при стационарной и случайной нагрузках;
- независимость работы системы от изменения изолируемой массы;
- одно- и двухстороннюю характеристики жесткости;
- требуемые формы амплитудно-частотных характеристик;
- возможность адаптивного управления путем использования упреждающей обратной связи.
На рисунке 1 приведена структурная схема активной виброзащитной системы [2].
Рисунок 1 - Структурная схема активной виброзащитной системы.
Активные системы могут быть с управлением трех типов: по обратной связи; по внешнему воздействию; комбинированным [10].
Качественные показатели систем первого типа ограничены устойчивостью регулятора. При управлении по внешнему воздействию необходима информация о характере этого воздействия, что в некоторых случаях является трудновыполнимой и технически сложной задачей (например, при случайных возмущениях). Введение в систему обратной связи управления по внешнему воздействию (комбинированное управление) позволяет улучшить качественные показатели и получить систему, инвариантную по отношению к этому воздействию.
Управление регулятором можно осуществлять по перемещению, скорости, ускорению, резкости, интегралу по перемещению или их комбинациям. Выбирая соответствующую структуру, можно добиться эффективной работы виброзащитной системы в широком частотном диапазоне.
В зависимости от физической природы исполнительного устройства активные системы могут быть механического, гидравлического, пневматического, электромагнитного типов или их сочетаниями.
2 Электрогидравлическая система активной виброизоляции
На практике для активной виброзащиты наиболее широко используют гидравлические системы дроссельного регулирования, обладающие сравнительно высоким быстродействием и подтвердившие хорошие эксплуатационные свойства в аналогичных системах автоматического управления.
В настоящее время активные электрогидравлические системы виброзащиты принято разделять по признаку установки акселерометра. Электрогидравлическая система виброзащиты, в которой в качестве основного управляющего сигнала используется сигнал, снимаемый с акселерометра, установленного на каркасе системы, является системой с управлением по сигналу ускорения объекта виброзащиты, т. е системой управления по отклонению выходной величины.
Электрогидравлические виброзащитные системы, в которых используют для управления сигналы с акселерометра, установленного на основании, являются системами управления по возмущающему воздействию.
Существуют также электрогидравлические системы виброзащиты с комбинированным управлением, когда применяют для управления сигнал, снимаемый как с акселерометра, установленного на каркасе системы, так и с акселерометра, установленного на основании.
Применение электрогидравлических виброзащитных систем активного типа обусловлено рядом их достоинств, которые в основном сводятся к следующему:
Возможность создания активных электрогидравлических виброзащитных систем из готовых стандартных элементов, применяющихся в других аналогичных системах. Это обстоятельство послужило, пожалуй, одной из основных причин создания первых активных гидравлических систем виброзащиты в виде электрогидравлических.
Возможность простого и оперативного изменения параметров электрогидравлических виброзащитных систем в процессе настройки благодаря изменению параметров электрической системы управления.
Электрогидравлические активные виброзащитные системы удобны при отработке принципа действия и алгоритмов управления.
Возможность гибкого формирования амплитудно-частотной характеристики виброзащитной системы.
Возможность эффективного гашения низкочастотных колебаний, возникающих на остове (основании) машины. С этой точки зрения некоторые схемы электрогидравлических активных виброзащитных систем являются наиболее эффективными среди других активных систем низкочастотной виброзащиты.
Недостатком гидравлических устройств является нестабильность свойств рабочей жидкости, зависящих от температуры и от эмульсирования жидкости воздухом. Последнее обстоятельство резко повышает сжимаемость жидкости и существенно влияет на динамическую характеристику системы.
3 Пневматическая система активной виброизоляции
Пневматические исполнительные устройства могут иметь различную конструкцию. В одних случаях исполнительным органом может являться цилиндр двойного действия, давление в камерах которого регулируется золотниковым или струйным распределительным устройством; в других случаях используются проточные камеры, давление в которых изменяется с помощью различных дроссельных устройств (например, типа «сопло - заслонка»). Кроме рабочих камер, объем которых ограничен с одной стороны подвижным элементом (поршнем или мембраной), в пневматических системах используются также камеры постоянного объема, соединяющиеся дросселями с рабочими камерами.
Вследствие наличия обратной связи по смещению, выходное усилие возбудителя является функцией интеграла относительного смещения. Управление по интегралу от смещения может быть эффективным только на очень низких частотах. Поэтому обратная связь по смещению используется лишь для позиционирования защищаемого объекта. Качество же защиты от вибраций и ударов определяется жесткостью и демпфированием пассивной пневматической системы. Система сравнительно мало чувствительна к изменению величины изолируемой массы.
Пневматические системы предназначены для гашения низкочастотных вибраций и компенсации медленно меняющихся нагрузок. Они характеризуются высокой эксплуатационной надежностью, большими усилиями, а также широкими возможностями управления, обеспечиваемые электромеханическими датчиками.
4 Электромагнитная система активной виброизоляции
В отличии от пневматических систем, позволяющих получать малые величины статической жесткости. Электромагнитные системы обладают малой инерционностью и позволяют в широких пределах варьировать амплитудно-частотные характеристики.
Электромагнитные системы активной виброзащиты, тем самым пытаются убрать серьезное ограничение применения метода активной виброзащиты - невозможность обеспечения широкой частотной полосы гашения различных мод.
Но, конечно же, при расширении рабочей полосы частот возникают условия для положительной обратной связи, и вместо ослабления наступает неустойчивая работа системы, а на некоторых частотах даже самовозбуждение, проявляющееся в резком возрастании амплитуд колебаний системы.
Зачастую используется комбинация пассивных и активных амортизаторов. Пассивные амортизаторы хорошо компенсируют возмущения на низких частотах, а активные - на высоких. Это обстоятельство позволяет использовать электромагнитную системы в широкополосном диапазоне частот.
Достоинством электромагнитной системы активной виброзащиты являются: высокая стабильность характеристик; большое быстродействие (в сравнении с гидравлической и пневматической симстемами); хорошая сочетаемость с упругими амортизаторами и допустимость существенных боковых смещений подвижной платформы относительно виброизолируемого основания. Последнее свойство, обусловленное конструктивной особенностью электромагнитных систем, существенно расширяет область их применения.
5 Электромеханическая система активной виброизоляции
Электромеханическая система виброизоляции, предназначенная для защиты от инфранизких частот, обладает преимуществами электрогидравлической системы и лишена указанных выше недостатков. Однако, частотный диапазон действия значительно уже, и следует ожидать, что система будет работоспособной до частот не более 5- 10 Гц.
Отличительной особенностью электромеханической системы является выполнение силового привода в виде электрической следящей системы, воздействующей на исполнительный механизм. Электрическая следящая система включает: усилитель, вращательный двигатель постоянного тока, датчики обратной связи и регулятор .
Главной особенностью является наличие самотормозящейся пары в механизме передачи движения от двигателя к объекту. Это обеспечивает нечувствительность системы к возмущениям со стороны объекта, жесткую фиксацию при неработающем электродвигателе, что соответствует концепции системы виброизоляции кинематического принципа действия.
Заключение
Активные системы виброзащиты позволяют существенно повысить эффективность подавления вибраций на низких частотах, а их свойства могут изменяться в связи с изменениями условий функционирования. Основными недостатками активных виброзащитных систем можно назвать их конструкторскую сложность, что влечет меньшую надежность в эксплуатации, безусловно, большую стоимость относительно пассивных систем, сложность обеспечения подавления вибраций на высоких и низких частотах одновременно. Результаты проведенного анализа нашла применение в учебном процессе кафедры «КиПРА» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» [11, 12] .
Учитывая недостатки активных систем, получил распространение принцип использования комбинации пассивной и активной систем. Системы, сконструированные по этому типу, содержат пассивные амортизаторы и систему активного подавления вибраций. Пассивные амортизаторы подавляют высокочастотные колебания и рассеивают часть энергии, вследствие чего, мощность, требуемая на возбуждение колебаний в активной системе, может быть значительно снижена по сравнению с активными системами виброзащиты прямого действия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Талицкий Е.Н. Защита электронных средств от механических воздействий. Теоретические основы: Учеб. пособие / Владим. гос. ун-т. Владимир, 2001. 256 с.
2. Затылкин, А. В. Моделирование изгибных колебаний в стержневых конструкциях РЭС / Затылкин А.В., Таньков Г.В., Трусов В.А. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2006. Т. 1. С. 320-323.
3. Божко, А. Пассивная и активная виброзащита судовых механизмов / А. Божко / Судостроение, 1987. -176 с.
4. Затылкин, А. В. Алгоритм и программа расчета статически неопределимых систем амортизации бортовых РЭС с кинематическим возбуждением / Затылкин А.В., Лысенко А.В., Таньков Г.В. // Инновации на
основе информационных и коммуникационных технологий. 2013. Т. 1. С. 223-225.
5. Таньков, Г. В. Волновой метод исследования динамических характеристик упругих конструкций радиоэлектронных средств при нестационарном нагружении / Таньков Г.В., Затылкин А.В., Рындин Д.А. //
Вестник Пензенского государственного университета. 2013. № 2. С. 101-107.
6. Лысенко, А.В. Анализ особенностей применения современных активных систем виброзащиты для нестационарных РЭС / А.В. Лысенко, Г.В. Таньков, Д.А. Рындин // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 2. С. 155-158.
7. Лысенко, А. В. Конструкция активного виброамортизатора с электромагнитной компенсацией / А. В. Лысенко, Д.В. Ольхов, А.В. Затылкин // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2013. Т. 1. С. 454-456.
8. Лысенко А. В. Краткий обзор методов имитационного моделирования / А. В. Лысенко, Н. В. Горячев, И.Д. Граб, Б.К. Кемалов, Н.К. Юрков // Современные информационные технологии. 2011. № 14. С. 171-
176 .
9. Лысенко, А. В. Методика моделирования внешних механических воздействий на бортовую РЭА / А. В. Лысенко, Е.А. Данилова, Г.В. Таньков / Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2013. Т. 1. С. 226-228.
10. Лысенко, А. В. Классификация амортизаторов радиоэлектронных средств на основе фасетной структуры / А.В. Лысенко // Инновационные информационные технологии. 2013. Т. 3. № 2. С. 242-247.
11. Затылкин, А. В. Опыт применения технологии ERM в разработке интеллектуальных средств обучения
/ Затылкин А.В., Буц В.П., Юрков Н.К. // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2011. № 2. -С. 218 -223.
12. Затылкин, А. В. Модели и методики управления интеллектуальными компьютерными обучающими системами: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Пенза, 2009. 18 с.
