CC BY
337
2. NI Single-Board RIO. URL: http://www.ni.com/singleboard/ (дата обращения 10.08.2012).
D.A. Varabin
SYSTEM FOR DETERMINING THE RELATIVE ROTATION ANGLE OF MOBILE
OBJECT.
A software and hardware construction version of system for determining the relative rotation angle of mobile robot is considered in the article .The calibration methods and algorithms of angular sensor are examined.
Key words: mobile robot, calibration algorithm, angular sensor.
Получено 17.10.12
УДК 621.396.6
А.В. Филиппов, канд. техн. наук, нач. отдела, (4872)47-40-68, strela@tula.net (Россия, Тула, ОАО «НПО «Стрела»)
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ РЭА, РАБОТАЮЩЕЙ В УСЛОВИЯХ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ВИБРАЦИИ
Изложены конструктивные методы активизации диссипативных (поглощающих) свойств элементов конструкции радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и снижения тем самым амплитуды виброускорений на монтажных платах при резонансах в условиях воздействия широкополосной вибрации.
Ключевые слова: вибрация, монтажная плата, резонанс, демпфирующий слой, диссипативные свойства
Современные радиотехнические комплексы и навигационное оборудование, размещаемые на подвижных объектах (летательных аппаратах, кораблях, автомобилях и т. п.) подвергаются воздействию сложного комплекса дестабилизирующих факторов. К ним, в частности, относятся и вибрационные нагрузки, возникающие от работы двигателей, движения объектов по неровным дорогам, действия аэродинамических сил. Высокий уровень амплитуды вибраций (20 g и более) на современных подвижных объектах, вызванных непрерывным ростом мощностей двигательных установок и повышением скоростных характеристик, имеет к тому же широкую полосу частот до 500...2000 Гц. [1, 2], что непременно приводит к резонансным явлениям на основных несущих элементах РЭА - монтажных платах. В условиях резонанса резко возрастает уровень перегрузок, действующих на электрорадиоэлементы (ЭРЭ), размещённые на платах [3]. Кроме того, на современном этапе развития техники возросли требования по минимизации габаритно-весовых характеристик РЭА, устанавливаемой на подвижных объектах.
В таких условиях традиционные методы защиты аппаратуры от вибрации, основанные на отстройке собственной частоты системы за диапазон воздействующей вибрации за счёт повышения жёсткости либо малоэффективны, либо требуют значительных затрат материалов и объёмов для
размещения [4, 5].
Применение систем виброизоляции на амортизаторах в отмеченных условиях затруднено по тем же причинам.
Используемые для вибро- и ударозащиты методы полной заливки блоков пенными материалами [6] приводят зачастую к перегреву залитых электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и к значительному браку на конечной стадии производства из-за возникающих механических напряжений в процессе полимеризации материала заливки.
С учётом изложенного заслуживают внимания методы снижения уровня перегрузок на монтажных платах РЭА при резонансных явлениях, основанные на поглощении энергии колебаний внутри самой колебательной системы - в материалах, закреплениях или специальных демпферах.
Различные виды соединений, с помощью которых монтажные платы РЭА крепятся к корпусу, не являются абсолютно жёсткими и способны поглощать энергию колебаний плат. Метод демпфирования колебаний, обусловленный трением в соединениях деформируемых элементов конструкции, в технической литературе часто называют конструктивным. Теоретическая возможность влияния податливости опор на динамические характеристики печатных плат РЭА показана в работе [7].
Проведённые экспериментальные исследования динамики монтажных плат в условиях вибрации позволили сделать вывод, что способы закрепления плат существенно влияют на их динамические характеристики (рис. 1). Переход от абсолютно жёсткого защемления платы по периметру к шарнирному закреплению приводит к значительному снижению коэффициента динамичности платы в широком диапазоне частот воздействующей вибрации (плата стеклотекстолитовая, размер - 180х280х1,5 мм, датчик в центре платы).
Рис. 1. Зависимость коэффициента динамичности платы от способа закрепления: 1 — защемление; 2 — шарнирное опирание; 3 — комбинированное закрепление
К дальнейшему существенному снижению коэффициента динамичности приводит применение комбинированного закрепления: шарнирное опирание по коротким сторонам и податливое закрепление по длинным. Варианты практической реализации такого закрепления плат представлены в работе [8]. Упругоподатливые опоры выполняются в виде многозвенных пластинчатых пружин или упругих выступов. Число пружинящих выступов, направляющих для одной платы, определяется зависимостью
/6 M
п
9 K Д 2 к л
где п - число выступов; / - расстояние от точки консольного закрепления выступа до точки его контакта с платой; кл - коэффициент жёсткости выступа; м - коэффициент трения в паре выступ - плата; М- масса платы с
ТЛ7 Ь-Д
установленными на ней электрорадиоэлементами, н; к = —-— - статический прогиб выступа при установке платы, мм; к- толщина платы, мм; А -расстояние между крайними точками пары недеформированных выступов,
к
мм; К П =—— - коэффициент динамичности платы; - виброускорения
К
на плате; Кс - виброускорения на столе стенда.
Данное выражение позволяет производить упрощённый динамический анализ поведения платы на упругоподатливых опорах при вибрации. Варьируя физико-механическими и геометрическими характеристиками гибких опор, можно прогнозировать уровень перегрузок на монтажных платах ещё на стадии проектирования аппаратуры.
В последнее время всё большее внимание уделяется одному из перспективных методов снижения резонансных амплитуд на монтажных платах РЭА - покрытие плат специальным демпфирующим составом с высокими вибропоглощающими свойствами [3, 4]. Было также определено, что при введении в компаунд наполнителей чешуйчатой структуры (слюдяная мука) или армирующей упругой прослойки в виде сетки внутренние потери в демпфирующем слое возрастают из-за трения между частицами наполнителя и связующим. Оригинальная конструкция такой платы представлена в работе [9]. Плата представляет собой «сэндвич», основание которого выполнено в виде тонкой алюминиевой пластины, на которую с двух сторон прикреплены (наклеены, напрессованы) печатные платы из тонкомерного фольгированного стеклотекстолита (например, ФТС-2-35-Б ТУ16-503.154-84, S=0,2 мм). Это крепление осуществляется чередующимися вязкоупругими слоями, состоящими из вязкого связующего материала типа синтетической смолы и упругого материала в виде сетчатого полотна. Таким комбинированным вязкоупругим слоем может служить стеклоткань прокладочная СП-2-0,06 ТУ16-503.085-75. Весь пакет печатной
платы формируется методом горячего прессования тонкомерных печатных плат на алюминиевой пластине через несколько слоев стеклоткани прокладочной. В такой конструкции вязкоупругие демпфирующие слои удаляются от нейтральной плоскости платы и оказываются в зоне максимальной деформации пластины при изгибе под воздействием вибрации, обуславливая тем самым эффективное поглощение энергии колебаний в демпфирующих слоях. Выполнение упругого слоя в виде сетки еще более способствует активизации диссипативных (поглощающих) свойств демпфирующих слоев.
Результаты испытаний таких многослойных комбинированных плат и традиционной стеклотекстолитовой платы одинаковых размеров (180х280х1,5 мм) при воздействии синусоидальной вибрации и шарнирном опирании по периметру приведены на рис. 2 (вибродатчик устанавливался в геометрическом центре плат).
100 200 300 Ш 500 £Гц
Рис. 2. Зависимость коэффициента динамичности платы
от её конструктивного исполнения: 1 - стеклотекстолитовая; 2 - комбинированная (2 слоя);
3 - комбинированная (4 слоя); 4 - комбинированная (8 слоёв);
5 - комбинированная (12 слоёв)
Из представленных зависимостей видно, что эффективность диссипации энергии колебаний с ростом количества упругих слоев весьма существенна. Так, для платы с шестью слоями на каждой стороне металлического основания практически отсутствует технический резонанс (Кё <2) во всем исследуемом диапазоне частот, приращение толщины платы при этом составило 0,5 мм. К тому же металлическое основание плат позволяет довольно эффективно осуществлять съем тепла с установленных на платах ЭРЭ.
В работе [10] путём математического моделирования исследован процесс демпфирования колебаний печатных плат сосредоточенным сопротивлением, т. е. установкой одиночного демпфера в различных точках платы. В результате доказано, что чем ближе установлен демпфер к контролируемому узлу платы, тем выше степень демпфирования колебаний для данного узла, а по мере удаления от места расположения демпфера динамические характеристики всё более возрастают. Последнее говорит о необходимости создания распределённого демпфера для гашения колебаний платы по всей площади.
В работе [11] представлены результаты экспериментального исследования динамики монтажных плат РЭА, помещённых в обкладки листовых демпферов из эластичного морозостойкого пенополиуретана ППУ-ЭМ-1 ТУ6-05-1473-76, в условиях вибрации (рис. 3, плата стеклотекстоли-товая размером 170х200х2 мм).
ч
30
25
20
/Л
10
о
! 1 „ жесткое лг/сргл/тииг
1 1 '
1 У ! 1
' ' с дегчпферо* ш 1 гц&чотои рел/мы V ! !
И 1
т, / 1 П 1 / с аеяпферо* из 1 \| мастичного
1 1 \ 1| 1 1 .гч 1 1 1 леноло/ч/уре/поно
X
) V Г УК
УГи
ш
Ж ШО ГШ ¿ш
Рис. 3. Влияние материала демпфирующих элементов на коэффициент динамичности платы
Из приведённых графических зависимостей видно, что введение демпферов из эластичного пенополиуретана резко меняет в лучшую сторону характер зависимости коэффициента динамичности от частоты вибрации в сравнении с аналогичной графической зависимостью для такой же платы в пакете без демпфирующих прокладок. Коэффициент динамичности платы с демпферами из пенополиуретана не превышает четырёх единиц во всём исследуемом диапазоне частот, в то время, как при отсутствии демпфирующих прокладок его величина на отдельных частотах превышала тридцать единиц. Демпферы из губчатой резины несколько снижают уровень максимального резонансного всплеска на плате, но общий уровень резонансных амплитуд остаётся довольно высоким (около 15 единиц).
На рис. 4 представлены амплитудно-частотные характеристики
(АЧХ) демпфированной платы в зависимости от величины предварительной деформации листового пенополиуретанового демпфера по толщине.
Л)
8
6
4 2
о т т /гоо /т гоао
Рис. 4. Влияние предварительной деформации эластичного демпфера на коэффициент динамичности платы
Из этих зависимостей видно, что предварительная деформация пористых демпферов должна быть минимальной и должна лишь обеспечить постоянный контакт демпфера с платой даже при её максимальных перемещениях при резонансах.
В результате проведённых исследований были разработаны компактные конструкции радиоэлектронных блоков, способных выдерживать воздействие вибрации высокого уровня.
На рис. 5 представлена конструкция бортового герметизированного вычислителя, предназначенного для эксплуатации в условиях воздействия синусоидальной вибрации в диапазоне частот 1...500 Гц и амплитудой 3.10g. В данной конструкции применены демпфированные платы 1 с алюминиевым основанием и разнесёнными вязкоупругими демпфирующими слоями. Опоры 2 плат в корпусе 3 выполнены в виде П-образного профиля с многочисленными пружинящими выступами (лепестками), т.е. реализовано множество демпферов сухого трения. Кроме того, такая конструкция способствует эффективному сбросу тепла (кондукцией) с ЭРЭ через металлическое основание и контактирующие с ним упругие выступы на оребрённый корпус, что крайне необходимо теплонагруженным, герметизированным блокам.
На рис. 6 изображена конструкция радиоэлектронного блока ракеты. В конструкции использованы демпфированные платы 1 с алюминиевым основанием и разнесёнными вязкоупругими демпфирующими слоями. Между платами в пакете проложены листовые прокладки 2 из эластичного пенополиуретана ЭМ-1. Пакет стягивается посредством четырёх шпилек 3 и распорных втулок 4. Межплатная коммутация осуществляется гибким печатным кабелем 5. Блок успешно прошёл испытание на стойкость к воздействию синусоидальной вибрации в диапазоне частот 5.2000 Гц с ам-
плитудой 15 Металлические основания плат одновременно с повышением демпфирующих свойств платы служат аккумуляторами тепловой энергии ЭРЭ, когда сброс тепла на корпус исключён из-за его аэродинамического нагрева.
Рис. 5. Бортовой вычислитель: 1 - плата с ЭРЭ; 2 - опора; 3 - корпус
Рис. 6. Радиоэлектронный блок: 1 - плата с ЭРЭ; 2 - прокладки-демпферы; 3 - шпилька;
4 - втулка; 5 - кабель
Вывод
Представленные принципы активизации диссипативных свойств элементов конструкции РЭА - применение упругоподатливых опор, разне-
сенных вязкоупругих демпфирующих слоев в монтажных платах, высокопористых распределённых демпферов, а также различных комбинаций из этих вариантов исполнения элементов конструкций - могут служить эффективными способами снижения виброускорений на монтажных платах РЭА при резонансах практически без увеличения объёма аппаратуры при широком диапазоне частот воздействующей вибрации.
Список литературы
1. ГОСТ РВ 20.39.304-98. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам. М.: Изд-во стандартов, 1998. 55 с.
2. Талицкий Е.Н. Механические воздействия и защита электронной аппаратуры: учебное пособие: в 3 частях. Владимир: Изд-во ВлГУ. 2005. 368 с.
3. Евграфов В.В. Виброзащита радиотехнических устройств демпфирующими слоями: дис. ... канд. техн. наук. Владимир: ВлГУ, 2003. 167с.
4. Зеленов Ю.В. Виброзащита радиоэлектронной аппаратуры полимерными компаундами. М.: Радио и связь, 1982. 296 с.
5. Кутровский П.В. Исследование и разработка виброзащиты радиотехнических устройств методом частотной отстройки: дис. ... канд. техн. наук. Владимир: ВлГУ, 2009.136с.
6. Кибалко И.И., Васильев О.П., Фролов А.И. Исследование возможности использования полимерных заливочных материалов для защиты электровакуумных приборов (ЭВП) от внешних механических воздействий// Специальная электроника. Сер.8. Управление качеством, метрология, стандартизация. 1979. Вып. 1(11). С.73-75.
7. Панов А.С. Расчёт динамических характеристик печатных плат при податливых и демпфирующих закреплениях// Изв. Вузов СССР. Сер. Приборостроение. 1986. № 5. С.64-68.
8. А. с. 1677885 СССР, МКИ Н 05 К 5/00, 7/12. Радиоэлектронный блок/ (СССР). № 4640331/21. 1991.
9. А. с. 1512467 СССР, МКИ Н 05 К 5/00, 1/02. Демпфированная плата/ (СССР). № 4243384/24-21. 1989.
10. Панов А.С. Демпфирование колебаний печатных плат сосредоточенным сопротивлением// Изв. Вузов СССР. Сер. Приборостроение. 1986. № 12. С.44-46.
11. А. с. 1511868 СССР, МКИ Н 05 К 5/00, 7/12. Радиоэлектронный блок/ (СССР). № 4381541/24-21. 1989.
A.V. Filippov
DESIGN OF RADIO ELECTRONICS EXPOSED TO WIDEBAND VIBRATION
This paper investigates friction-based methods for enhancement of dissipative (absorbing) characteristics of radio electronics components, which reduces the amplitude of vibration acceleration on circuit boards when wideband vibration causes resonance.
Key words: vibration, circuit board, resonance, damping layer, dissipative characteristics.
Получено 17.10.12
