CC BY
156
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ВИБРОИСПЫТАНИЙ
Валерий Григорьевич Эдвабник
ОАО «НИИ Электронных Приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, заместитель генерального директора по развитию, тел. +73832160552, e-mail: niiep@oaoniiep.ru
В статье рассмотрены методы повышения точности и надежности вибрационных испытаний за счет отработки всей механической подсистемы «вибростенд - приспособление для виброиспытаний - испытуемое изделие» в целом. Указаны причины и меры по устранению рассогласования данной системы.
Ключевые слова: вибрационные испытания, вибростенд, упругопластичные пленки.
THE VIBRATION TESTING ACCURACY AND RELIABILITY IMPROVING METHODS
Valerij G. Edvabnik
JSC «Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, Pisareva St., 53, Deputy Director on Development, тел. +73832160552, e-mail: niiep@oaoniiep.ru
The vibration testing accuracy and reliability improving methods due to the try-out of the mechanical subsystem «a shaker device- a shaker arrangement - a device under test » as a whole are considered in this paper. The source and error corrective actions of the system are specified.
Key words: vibration testing, shaker device, elastic plastic film.
Г лавными проблемами обеспечения достоверности и надежности виброиспытаний являются достижение соответствия испытательных режимов заданным и повторяемости испытательных режимов при испытаниях в различные моменты времени. Считается, что заданные в ТЗ или ТУ на изделие вибронагрузки соответствуют реально действующим при эксплуатации изделия в составе объекта, так как обеспечение такого соответствия является отдельной проблемой и выходит за рамки данной работы.
Достижение необходимого результата возможно при отработке всей механической подсистемы "вибростенд - ПВИ (приспособление для виброиспытаний) - ИИ (испытуемое изделие)" в целом. Отметим основные проблемы, возникающие "на стыке" этих трех укрупненных элементов указанной подсистемы, а также укажем типовые пути преодоления отмеченных выше проблем.
Будем полагать, что конструкция вибростенда обеспечивает воспроизведение нужных нам режимов вибрации при использовании в качестве нагрузки (испытуемого объекта) абсолютно твердого тела массой, равной суммарной массе ПВИ и ИИ. В действительности уже здесь есть масса проблем, однако эти проблемы - прерогатива разработчиков испытательного оборудования, и поэтому мы их касаться не будем (хотя с научной и практической точки зрения здесь необъятное количество очень интересных задач - и взаимодействие под-
вижных и неподвижных электромагнитных цепей, и должное обеспечение минимума поперечных колебаний за счет рационального выбора системы упругого подвеса стола вибростенда, и т. д. и т.п.).
Часть общей подсистемы "вибростенд - ПВИ" может внести заметный вклад в рассогласование системы, если не принять соответствующих мер.
Дело в том, что основными источниками динамических искажений режимов вибрации в диапазоне от нескольких сотен Гц до 1000 Гц и даже несколько выше являются разъемные соединения. Причинами этого является: низкая контактная жесткость стыков по сравнению с собственной жесткостью соединяемых конструкций; нелинейность упругих характеристик стыков; случайное несимметричное расположение точек упругих контактов в местах стыка, из-за чего центр жесткости может оказаться смещен относительно линии действия возмущающей силы [1].
Во многих случаев с целью повышения удобства монтажа и продления сроков межрегламентных и ремонтных работ при эксплуатации вибростендов между столом вибростенда и ПВИ устанавливают переходные накладные столы (в принципе накладной стол рассматривается как универсальная часть ПВИ). Значит, в указанной подсистеме "вибростенд - ПВИ" появится еще один источник дополнительных искажений - разъемное соединение стола вибростенда с накладным столом. Немаловажное значение имеют и собственные динамические характеристики накладного стола. Поскольку масса накладного стола вносит дополнительную нагрузку, в этом смысле правомерно считать, что введение дополнительного стола эквивалентно снижению величины толкающего усилия вибростенда. Значит, с одной стороны следует стремиться к достижению небольшой массы переходного стола при одновременном обеспечении максимально возможной жесткости. В формулу определения жесткости различных конструкций входит следующее выражение, характеризующее материал конструкции:
[е
Км =
(1) р
где: Км - параметр удельной жесткости материала;
Е - модуль упругости материала;
р - плотность материала.
Чем выше Км , тем более "удельно жесткий" материал, т.е. при прочих равных условиях (одинаковые геометрические размеры, одинаковые места крепления) тем выше жесткость конструкции из этого материала. Из известных конструкционных материалов наибольшее значение Км имеет бериллий (например, Км у бериллия почти 2,5 раза выше, чем у алюминиевых сплавов Д16, Д20).
Учитывая эти соображения, переходные столы рекомендуется изготавливать из бериллия.
Далее, с целью снижения динамических погрешностей, вносимых стыками (разъемными соединениями), необходимо стремиться к уплотнению контакта стыкуемых поверхностей. Насколько это важно, покажем на элементарном
примере. Шероховатость реальных поверхностей колеблется от 40 мкм (40-10'6 м) при фрезеровании и координатно-расточных работах до 6 мкм (6-10'6 м) при шлифовании. Допустимые предельные отклонения от плоскости для реальных конструктивных элементов в зависимости от степени точности поверхности колеблется от 25-10'6 м до 150-10'6 м и выше (и это при достаточно жестких допусках!). В то же время из формулы (2) легко определить амплитуду вибрации
в функции от частоты и перегрузки. Так, при п = 1 (т.е. ускорение вибрации соЛ
ставляет всего ( 9,81 м/с’ ) амплитуда вибрации на частоте 500 Гц составляет 1-10'6 м., а на частоте 1000 Гц -0,25-10'6 м.
м2 пл
п =----> (2)
250
л
где: п - перегрузка [в единицах «§», §=9,8 м/с ];
А - амплитуда вибрации, мм;
-С -1
I - частота, с .
Мы видим, что числовые значения параметров шероховатости и макроотклонений стыкуемых поверхностей от идеальной плоскости на частотах свыше 300 Гц на один - два порядка выше амплитуд вибрации.
Отметим также, что амплитуды колебаний в зоне высокочастотных резонансов (на частотах выше 1000 Гц) существенно меньше величины зазора стыков. При этом стыки между переходными столом и столом вибростенда, а также между переходным столом и ПВИ работают в условиях значительного предварительного сжатия, необходимого для обеспечения условий нераскрытия стыка при максимальных рабочих нагрузках. Так, в [1] приведен следующий пример. При начальном сжатии а = 1470 кПа статическая деформация составляет 12* 10”6 м. При ускорении величиной 9,81 м-с’2 (перегрузка равна ^ ) и частоте гармонической вибрации, равной 2000 Гц, амплитуда относительных колебаний при добротности С) = 10 составит всего 0,63-10‘6 м.
Если принять во внимание, что эквивалентные упругие характеристики сильно затянутых стыков при внешних силах, меньших сил затяжки, близки к линейным [1], в первом приближении логично полагать применимым закон Гука для описания характеристик стыка. Тогда для коэффициента жесткости контактного слоя при растяжении - сжатии Кр-с верно:
(3)
где: Е - модуль упругости слоя;
Б - площадь стыка в плане;
X - толщина контактного слоя.
Соответственно для коэффициентов жесткости стыка при сдвиге Ксд и при повороте Кг верно в этом случае:
к = ^ = к 0 к>- Г4-1
1 '"Е 2(1 + ц)’ ()
К 2
Кп=К(_,т, (5)
где: О - модуль сдвига контактного слоя;
\1 - коэффициент Пуассона контактного слоя;
Я - радиус кругового (в плане) стыка.
Из формул (3) ... (5) видно, что изменение эффективного значения модуля упругости Е контактного слоя на стыках "стол вибростенда - переходной стол" и "переходной стол - ПВИ" ведет к изменению жесткости механической подсистемы "стол вибростенда - переходной стол - ПВИ".
Отсюда становится понятным, что использование в стыках тонких упругопластичных пленок по сравнению с воздушными зазорами позволяет бороться с искажениями режимов вибрации в средне - и высокочастотном диапазонах (от сотен до двух тысяч герц). В принципе наибольшая эффективность использования упругопластичных пленок достигается при использовании разъемного соединения, в котором на одной из контактирующих поверхностей выполняются чередующиеся выступы и пазы (рифли), заполненные вязкой жидкостью (например, консистентной смазкой). Схематично такой стык показан на рис. 1. Участки пленки между выступами герметизируют вязкую жидкость в позах, сжимаемость которой значительно меньше сжимаемости пленки. Остроуголь-ность выступов позволяет обеспечить большее внедрение выступов в пленку.
Рис. 1. Разъемное соединение тел с повышенным демпфированием в стыке [1]
1, 2 - соединяемые тела; 3 - рифли (выступы, чередующиеся с впадинами);
4 - консистентная смазка (вязкая жидкость); 5 - упругопластичная пленка Сила нормального давления со стороны пленки на боковые поверхности каждого выступа значительно больше силы давления на пленку вершины выступа (эффект клина). Поэтому силы внешнего трения между рифлями и пленкой больше сил трения, возникающих в плоском стыке без рифлей.
Так, при отсутствии рифлей максимальная сила трения F^p в точке контакта равна произведению коэффициента трения fp пары металл стыкуемой поверхности - полимерная пленка и силы нормального давления Рп:
F1 =f Р . (6)
тр тр П * V /
При наличии рифлей суммарная сила трения 2Ftp между боковыми по-
верхностями выступов и пленкой выражается следующим образом:
р
2FIp = 2f - R = 2f 7J1—. (7)
sin а
Из (6) и (7) следует:
2F ?
(8)
FTp sin а
Поскольку | sina | < 1, за счет взаимодействия заглубленных концов выступов с пленкой демпфирование в стыке резко возрастает.
Так, при a = 30°, согласно (8), сила трения в соединении типа рис. 1 в 4 раза, выше, чем при сопряжении плоских поверхностей.
Итак, с целью повышения качества воспроизведения режимов виброиспытаний (снижение динамических погрешностей, возникающих, ввиду влияния стыков стола вибросденда и перехода стола, а также переходного стола и ПВИ), отраслевой стандарт [2] рекомендует между столом вибростенда и накладным столом, а также между накладным столом и ПВИ установить пленку типа МСО 0,040 ... 0,080 мм по ГОСТ 10354-82.
Мы рассмотрели ряд причин, вносящих искажения в воспроизведения режимов вибрации при испытаниях и привели рекомендации по повышению достоверности и надежности виброиспытаний, касающихся подсистемы "стол вибростенда - накладной (переходной) стол - приспособление". Однако рациональный выбор материалов и технологические приемы по "сглаживанию" погрешностей на стыках конструктивных элементов указанной подсистемы -лишь часть необходимых мер.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Остроменский П.И. Вибрационные испытания радиоаппаратуры и приборов. - Новосибирск: Изд-во Новосибирского государственного университета, 1992. - 173 с.
2. Аппаратура радиоэлектронная и приборы. Методы виброиспытаний нормальной и повышенной точности. - ОСТ 384 - 1742 - 87.
© В.Г. Эдвабник, 2013
