Об эквивалентности испытаний бортовой электронной аппаратуры на воздействие гармонической и широкополосной случайной вибрации Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 620.178.53

ОБ ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ ИСПЫТАНИЙ

БОРТОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ГАРМОНИЧЕСКОЙ И ШИРОКОПОЛОСНОЙ СЛУЧАЙНОЙ ВИБРАЦИИ

Валерий Григорьевич Эдвабник

ОАО «НИИ Электронных Приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, заместитель генерального директора по развитию, тел. (383)216-05-52, e-mail: niiep@oaoniiep.ru

Работа посвящена выводу и установлению параметров широкополосной случайной и гармонической вибрации, вызывающих идентичные реакции испытуемой бортовой электронной аппаратуры. Получены аналитические выражения двух критериев адекватности испытательных режимов по параметрам перегрузки и времени испытаний.

Ключевые слова: вибрация гармоническая, широкополосная, случайная, испытания, эквивалентность испытательных режимов.

THE EQUIVALENT BROADBAND RANDOM VIBRATION TESTING EFFECT ON ELECTRONIC EQUIPMENT

Valerij G. Edvabnik

JSC «Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53, Pisarev St., Deputy Director on Development, tel. (383)216-05-52, e-mail: niiep@oaoniiep.ru

The broadband random and harmonic vibration testing parameters were determinate in this article. The analytical expressions of two testing regime adequacy criteria (testing time and g-load) were obtain.

Key words: harmonic, random, broadband vibration testing, testing regime equivalency.

Согласно требованиям современных стандартов, основным видом вибрационных воздействий при испытаниях бортовой электронной аппаратуры (БЭА) является широкополосная случайная вибрация (ШСВ). В то же время на стадиях отработки конструкции изделий и при анализе отказов в процессе производства разработчику и испытателю понадобятся исследования поведения БЭА (снятие амплитудно-частотных характеристик) до, в процессе и после вибрационного воздействия. И здесь, как правило, основным и эффективным инструментом анализа является гармоническая вибрация (ГВ) с плавно изменяющейся частотой.

В научно-технической литературе встречается немало работ, посвященных проблеме установления эквивалентности нагрузок при различных динамических воздействиях (ГВ, ШСВ, многократные и одиночные удары и т.д.). Серьезные обобщения такого типа исследований приведены в [1].

На наш взгляд, теория абсолютной эквивалентности разных режимов испытаний - не более, чем попытка как-то обосновать «замену» одних испытаний другими, что, вообще говоря, актуально для практики. Но, употребляя термин «эквивалентные испытания», необходимо понимать и помнить, что для различных видов воздействий полная (или абсолютная) эквивалентность недостижима. Действительно, если считать условиями

полной эквивалентности равенство предельных значений ускорения и времени воздействия максимальных перегрузок, то никогда не будет достигнута эквивалентность двух различных режимов даже при одном и том же виде испытаний, например, по принципу «меньше время воздействия, но больше значение перегрузки».

В упомянутой работе [1] указаны соотношения эквивалентности различных видов воздействий для случаев, когда нагрузки близки к предельно допустимым для материалов и элементов конструкции. Тогда используется гипотеза накопленных повреждений Майнера и линии Велера, связывающие количество циклов нагрузки с напряжениями в материале в промежутке от предела текучести до предела прочности. Такие методы, по-видимому, правомерны в случаях исследования поведения каких-либо инженерных сооружений либо при исследовании прочности (пределов прочности) конструкций БЭА, работающих в экстремальных режимах (например, БЭА артиллерийских снарядов, БЭА разделяющихся боевых частей и т.п.). Для большинства же классов аппаратуры динамические нагрузки, как правило, не опасны с точки зрения прочности, а задачи обеспечения вибро- и удароустойчивости являются чрезвычайно актуальными.

Изменение выходных электрических параметров БЭА вследствие динамических воздействий принято называть виброшумами.

Представим себе испытуемое изделие (ИИ) как черный ящик (рис.1), подвергающийся внешнему воздействию (ВнВ). Условимся называть эквивалентными испытания с такими режимами, при которых реакция (Я) испытуемого изделия будет адекватной.

ВнВ ИИ Я

Рис. 1. Идеализация испытуемого изделия (ИИ) как черного ящика с реакцией Я на внешнее воздействие (ВнВ)

Проявление виброшумов - паразитные сигналы, их уровень, всевозможные разбалансы, ложные срабатывания и т. п. в пределах большого запаса прочности (т. е. при мизерных накопленных повреждениях) связаны с амплитудой вибрационного воздействия - об этом свидетельствует практика отработки БЭА. Чем больше амплитуда вибровоздействия, тем менее устойчиво ведет себя БЭА: "дрожание" штыревых элементов в СВЧ-фильтрах, возрастание величин контактных сопротивлений, микроперемещения сердечников в катушках индуктивности и т. д. - всё это влечёт за собой снижение добротности полосовых фильтров, увеличивает расстройку контуров, что отрицательно влияет на устойчивость работы БЭА. Поэтому в качестве

основного параметра сопоставления режимов ГВ и ШСВ для оценки их влияния на виброустойчивость БЭА выбрано максимальное значение виброускорения.

Пусть при ГВ максимальное амплитудное значение перегрузки равно пГв. При ШСВ с достаточной точностью можно полагать максимальное значение виброперегрузки, равное 3а, где среднеквадратичное значение ускорения а, выраженное в единицах (^ - ускорение свободного падения), определяется как

а = 4В, (1)

где Э - дисперсия виброускорения при ШСВ.

Таким образом, первый критерий адекватности ("эквивалентности") воздействующих на БЭА ГВ и ШСВ выглядит следующим образом:

ПГВ = 3аШСВ (2)

С учётом (1) выражение для первого критерия адекватности режимов ГВ и ШСВ при испытаниях БЭА может иметь следующий вид:

2

Ошсв = ^ (3)

Для стационарных и эргодических случайных процессов распределение мгновенных значений виброускорений подчиняется нормальному закону. Значит, интервал значений ускорений при ШСВ от 2а до 3а "живёт" примерно 5 % от общего времени ШСВ (для нормального закона распределения интервал от 0 до + 2а "накрывает" 95,6 % возможных реализаций, а от 0 до + 3а - 99,7 % реализаций, т. е. по сути практически 100 % реализаций; 100 % - 95,6 % <5 %).

Тогда время воздействия ШСВ ?ШСВ в полосе частот А/ при наличии третьоктавных фильтров в аппаратуре формирования ШСВ при виброиспытаниях в количестве ^1/3 связано со временем прохождения методом ГВ этого же диапазона частот А/ так:

tшcв = 20-^ (4)

"1/3

Условие (4) можно считать вторым критерием адекватности режимов ГВ и ШСВ.

Из (4) видно, что, если в полосе А/ аппаратура формирования ШСВ содержит более одного третьоктавного фильтра (а так бывает всегда, ибо при йу3 = 1 мы имеем дело фактически с узкополосной случайной вибрацией), то общее время воздействия ШСВ МЕНЬШЕ суммарного времени испытаний на ГВ методом изменяющейся частоты гармонических колебаний в том же диапазоне частот, что и при ШСВ.

В принципе даже при условиях (3) и (4) режим ШСВ не "слабее" режима ГВ, т. к. в полосе частот А/ нами рассматривались лишь случайные колебания более 2а, а частичные повреждения от действия виброускорений амплитудой а, 2а и других промежуточных значений, меньших 2а, нами вообще не учитывались. Хотя, конечно, режим ГВ в полосе частот конструктивного

резонанса элемента может вызвать более "чувствительную" реакцию, чем ШСВ (вплоть до разрушения).

Критерий адекватности (3), на наш взгляд, довольно просто и логично обоснован. Однако в некоторых литературных источниках, например в [2], без достаточного обоснования приводится критерий адекватности режимов ГВ и ШСВ в виде пГВ = ^ оШСВ = сШСВ. Понятно, что в этом случае режим испытаний

на ШСВ станет много жестче, чем по критерию (3), т. к. виброускорения до 3сШСВ, которые, как уже отмечалось, достаточно долго "живут" и ощутимо повлияют не только на устойчивость БЭА, но и на прочность некоторых конструктивных элементов. Поэтому не только неправильно, но и вредно просто приравнять амплитудные значения виброускорений на ГВ и среднеквадратические значения ускорений при ШСВ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ленк А., Ремитц Ю. Механические испытания приборов и аппаратов. / Пер. с нем. П.С. Богусловского под ред. д.т.н., проф. П.И. Буковского. - М.: Мир, 1976. - 270 с.

2. Карпушин В.Б. Виброшумы радиоаппаратуры. - М.: Сов. Радио, 1977. - 318 с.

© В. Г. Эдвабник, 2014