CC BY
203
ТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЯ, УПРАВЛЕНИЕ
УДК 368.3.068
А. В. Лысенко, А. В. Затылкин, Н. А. Ястребова
КОНСТРУКЦИЯ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА ГИБРИДНОГО ВИБРОАМОРТИЗАТОРА С ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ
Аннотация. Рассмотрены основные свойства пассивных и активных систем виброзащиты. Выявлены их основные достоинства и недостатки. Предложена конструкция гибридного виброамортизатора с электромагнитной компенсацией. Показана методика расчета подвеса виброамортизатора.
Ключевые слова: вибрация, виброзащита, активная система, пассивная система, механическая система, амортизатор, подвес, конструкция.
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. Вследствие этого происходят увеличение амплитуд колебаний в десятки и даже сотни раз и резкий рост интенсивности отказов РЭА за счет механических разрушений несущих конструкций и электрорадиоэлементов [1].
Поэтому устранение негативного влияния резонансных колебаний элементов конструкции РЭА или снижение их до допустимого уровня составляет одну из важнейших задач при ее проектировании.
Анализ современных способов виброзащиты РЭА
В настоящее время наиболее широкое применение нашли методы пассивной и активной виброзащиты. Рассмотрим каждый из них более подробно.
Пассивные методы виброзащиты связаны с использованием инерционных, упругих, диссипативных и других пассивных элементов [2, 3]. Особенностью простых пассивных виброзащитных систем является то, что на собственной резонансной частоте амплитуда колебаний и связанные с ней ускорения значительно больше уровня возмущающих воздействий на основание. 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. Поэтому даже
самые совершенные пассивные виброзащитные системы, применяемые в настоящее время, обеспечивают эффективное виброгашение частот, составляющих 3 Гц и более.
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, так как 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 [4, 5]. 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 их называют активными. Кроме того, активность системы связана также с принудительным перемещением объекта виброзащиты относительно вибрирующего основания в результате обработки 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 использование 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.
Таким образом, недостатки различного характера присутствуют в обоих типах систем, что приводит к следующей ситуации: существуют как дешевые, простые, но малоэффективные пассивнные, так и крайне дорогие, сложные, но эффективные активные системы виброзащиты. Именно поэтому в настоящее время становится актуальным совмещение принципов пассивной и активной защиты в одной системе.
Конструкция гибридного виброамортизатора с электромагнитной компенсацией
Идея создания нового типа виброамортизатора заключается в совмещении активной электромагнитной системы виброзащиты, характеризующейся быстродействием, высокой стабильностью работы, и пружинного пассивного амортизатора, от-
личающегося относительном простотой конструкции по сравнению с аналогичными системами [5].
Способ виброзащиты и конструкция гибридного виброамортизатора с электромагнитной компенсацией представлены на рис. 1. Основными конструктивными элементами являются амортизатор и блок управления.
Рис. 1. Конструкция гибридного виброамортизатора с электромагнитной компенсацией
Амортизатор принимает сигнал от источника вибрации благодаря измерительной обмотке, преобразует его в электрический импульс с помощью постоянного магнита и передает на блок обработки. Он в свою очередь производит обработку сигнала - усиление и инверсию, после чего измененный сигнал поступает на задающую обмотку.
Устройство снабжено верхним и нижним подвесами, выполняющими три функции:
1) балансировки общего стержня, на который закреплены обмотки;
2) пассивных амортизаторов, способных гасить вибрации на высоких частотах;
3) несущей части объекта защиты.
Благодаря жесткому соединению измерительной и задающей обмоток происходит сложение двух сигналов - исходного и инвертированного:
A0
f (t) = —0+A1 cos (co0t + ф1) + A2 cos (co0t + ф2),
где ф1, ф2 - начальная фаза первого и второго сигнала; « - круговая частота; А1, А2 - амплитуда первого и второго сигнала.
В результате получаемый сигнал по амплитуде в несколько раз меньше исходного.
Для реализации предложенного способа необходимо разработать методику расчета подвеса.
Предлагаемая методика расчета подвеса
Для расчета подвеса (рис. 2) необходимо определить размеры его отверстий, зная массу объекта виброзащиты.
Рис. 2. Подвес гибридного виброамортизатора с электромагнитной компенсацией
Известна формула для определения силы давления Р, воздействующей на точку пластины площадью 5:
Р = р5, (1)
где р определяется по формуле
64ОЖ
р = 2 , (2)
а2
где О - цилиндрическая жесткость; Ж - максимальная величина прогиба; а - радиус подвеса.
Цилиндрическая жесткость находится по формуле
О = , (3)
12 11 --2 I
где Е - модуль Юнга; Ь - толщина подвеса; и - коэффициент Пуассона.
Подставив формулу (3) в выражение (2), получим:
64ЕЬ3Ж , Л
Р =—Ъ-------гг. (4)
12а211-
(1--2 )'
Подставив формулу (4) в выражение (1), выведем итоговую формулу, определяющую силу давления Р:
р = ,64^5. (5)
12а2 (1 --21
Из формулы (5) следует:
12Ра2 (1 --21
в =-------*-----’-. (6)
64ЕЬ3Ж
Площадь подвеса в вычисляется по формуле
5 = яа2. (7)
Но так как подвес имеет отверстия, его площадь вычисляется за вычетом суммарной площади всех отверстий 5отв:
в = па2 -вотв,
где вотв = Ь2, Ь - сторона элементарного отверстия в форме квадрата. Подставив формулу (8) в выражение (6), получим:
(8)
па2 - b2 =
12Ра2 (1 -к2 j 64 Eh3W
(9)
Отсюда
bl=
i2Pa2 (1 -^2)
64 Eh3W
-па
(10)
Таким образом, формула (10) показывает размеры элементарного отверстия в подвесе, на который давит объект защиты с силой Р. Иначе говоря, зная массу объекта, можно определить необходимый вид подвеса, что дает нам максимально точную и эффективную конструкцию всего гибридного амортизатора.
Вывод
Предложенная конструкция гибридного виброамортизатора с электромагнитной компенсацией сочетает в себе свойства как активной, так и пассивной системы виброзащиты, что позволило сохранить не только высокое быстродействие и высокую стабильность работы, но и простоту конструкции.
Список литературы
1. Рындин, Д. А. Система генерации тестового сигнала для исследования динамических характеристик элементов конструкций РЭС / Д. А. Рындин, Г. В. Таньков, А. В. Затылкин // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС : межвуз. сб. науч. тр. / под ред. проф. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - Вып. 17. - 290 с.
2. Леонов, А. Г. Управление исследованиями моделей радиотехнических устройств на этапе проектирования / А. Г. Леонов, А. В. Затылкин, Н. К. Юрков // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - 2012. - № 1 (17). - С. 138-142.
3. Ольхов, Д. В. Система обработки экспериментальной информации в проектных исследованиях радиотехнических устройств / Д. В. Ольхов, А. В. Затылкин, Н. К. Юрков // Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2012. - № 5. - С. 94-99.
4. Затылкин, А. В. Моделирование изгибных колебаний в стержневых конструкциях РЭС / А В. Затылкин, Г. В. Таньков // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2006. - С. 320-323.
5. Автоматизированная многоканальная виброиспытательная установка / А. В. Лысенко, А. В. Затылкин, Д. А. Голушко, Д. А. Рындин, Н. К. Юрков // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2012. - Спецвып. - С. 83-87.
Лысенко Алексей Владимирович
аспирант,
Пензенский государственный университет E-mail: lysrenko7891@rambler.ru
Lysenko Aleksey Vladimirovich
postgraduate student,
Penza State University
Затылкин Александр Валентинович
кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет E-mail: al.zatylkin@yandex.ru
Ястребова Наталья Анатольевна
студентка,
Пензенский государственный университет E-mail: kipra@pnzgu.ru
Zatylkin Alexander Valentinovich
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of construction and production of radio equipment,
Penza State University
Yastrebova Natal'ya Anatol'evna
student,
Penza State University
УДК 368.3.068 Лысенко, А. В.
Конструкция и методика расчета гибридного виброамортизатора с электромагнитной компенсацией / А. В. Лысенко, А. В. Затылкин, Н. А. Ястребова // Вестник Пензенского государственного университета. - 2013. - № 4. - С. 73-78.
