Виброзащита и прочностная надежность оптических и опто-электронных приборов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ВИБРОЗАЩИТА И ПРОЧНОСТНАЯ НАДЕЖНОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Георгий Алексеевич Куриленко

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.

Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, кафедра специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: kaf.osnov@ssga.ru

Сергей Викторович Савелькаев

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.

Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, кафедра специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: kaf.osnov@ssga.ru

Галина Витальевна Григорьева

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.

Плахотного, 10, доцент кафедры специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: kaf.osnov@ssga.ru

Рассмотрены способы обеспечения виброзащиты при производстве и прочностной надежности при эксплуатации оптических и опто-электронных приборов.

Ключевые слова: виброзащита, прочностная надежность, колебания.

VIBRATION PROTECTION AND STRENGTH RELIABILITY OF OPTICAL AND OPTOELECTRONIC DEVICES

George А. Kurylenko

Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, Novosibirck, 630108, professor, Doctor of Engineering, Department of special devices and technologies, tel. (383) 361-07-31, e-mail: kaf.osnov @ ssga.ru

Sergei V. Savelkaev

Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, Novosibirck, 630108, professors, Doctor of Engineering, Department of special devices and technologies, tel. (383) 361-07-31, e-mail: kaf.osnov @ ssga.ru

Galina V. Grigorieva

Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, Novosibirck, 630108, associate professor, Department of special devices and technologies, tel. (383) 361-07-31, e-mail: kaf.osnov @ ssga.ru

The methods of vibration protection ensure the production and strength reliability of optical and opto-electronic devices.

Key words: vibration protection, strength reliability, vibration.

Проблему обеспечения виброзащиты и прочностной надежности оптических и опто-электронных приборов следует рассматривать в двух аспектах.

Первый аспект - технологический, требующий виброзащиты оптических и опто-электронных приборов при их производстве от превосходящего уровня фоновой вибрации производственных и лабораторных помещений, поскольку точность операций современного технологического оборудования достигает долей микрометра.

Второй аспект - эксплуатационный, требующий обеспечения прочностной надежности оптических и опто-электронных приборов в условиях вибрационных и других воздействий при их эксплуатации.

В настоящее время разработано множество различных конструкций виброзащитных устройств, каждое из которых имеет свою область применения. Об универсальном виброзащитном устройстве пока говорить еще рано. Мы рассмотрим их некоторые конструкции, разработанные в НГТУ с участием сотрудников СГГА.

На рис. 1 показана конструкция виброзащитной платформы с упругим элементом для защиты приборов от вибраций при их производстве.

Защищаемый прибор 1 опирается на подвес 2 в виде продольно-сжатой балки (рессоры) квазинулевой жесткости и пружину 6 через гидроцилиндры 3 и 4.

Полости этих гидроцилиндров соединяются каналом 10 со встроенным дросселем 9. Цилиндро-поршневые пары 3 и 4 содержат также упругие элементы 7 и 5 вспомогательного нагружения.

Расчетное положение прибора (рабочую точку) устанавливают, изменяя натяг пружины 6.

Платформа работает следующим образом. При увеличении, например, веса прибора 1 повышается давление в гидроцилиндре 3, и начинается переток жидкости в гидроцилиндр 4, расширяется его объем и увеличивается натяг пружины 6. Благодаря этому рабочую точку подвеса 2 (положение) можно удержать на прежнем уровне. Время перетекания жидкости при этом должно быть существенно больше периода колебаний прибора 1 на подвесе 2 и регулируется величиной проходного сечения канала дросселя 9.

В качестве обобщенной координаты выберем координату ^,

отсчитываемую от положения равновесия защищаемого прибора 1 с массой m. Тогда уравнение движения прибора 1 при кинематическом возмущении основания 8 можно записать в виде

m£i = _К^м _ К3^м _ С3^2 _ b<ti + A sin ot, (1)

где Ki, K3 - коэффициенты упругой жесткости рессоры 2; <^м - ее

максимальный прогиб; A, о - амплитуда и частота колебаний основания 8; С3 -коэффициент жесткости пружины 6; b - коэффициент вязкого трения (на рис. 1

демпфер вязкого трения не показан); £2 - перемещение цилиндра 4.

1

Рис. 1. Виброзащитная платформа

В [1] исследована работа рассмотренной выше виброзащитной платформы при различных ее параметрах на основе уравнения (1). Найдены оптимальные сочетания параметров, при которых платформа дает высокий эффект виброзащиты. При этом перестройка «рабочей точки» упругого подвеса на фактическую нагрузку выполняется автоматически.

Рассмотрим теперь конструкцию пневмодемпфера, устанавливаемого параллельно упругой подвеске и выполняющего роль диссипативного элемента для защиты прибора от вибрационных и ударных воздействий при его эксплуатации, показанную рис. 2.

Пусть шток 1 с поршнем 2 демпфера связан с защищаемым прибором, а корпус 3 демпфера с фундаментом и их относительное смещение происходит таким образом, что объем У1 верхней полости уменьшается, а объем У2 нижней

полости увеличивается. Обе полости заполнены воздухом. В этом случае давление воздуха в верхней полости будет повышаться, а в нижней -уменьшатся: Р1 > Р2.

3

і—і—-I ц>

а) б)

Рис. 2. Пневмодемпфер - (а) и он же в верхнем положении поршня - (б)

На шток 1 действует сила сопротивления

Р = Р1^--Р2^Ф2-с12), (2)

где В и й - диаметры поршня и штока. Условие виброзащиты прибора имеет

вид

Ш = Щ - Ш2 > Ш0 (3)

где Ш - фактическая энергия, поглощенная демпфером за цикл колебаний;

Ш1 - энергия, затраченная на торможение штока 1; Ш2 - возвращенная энергия, как показано на рис. 3; Ш0 - энергия, которую необходимо рассеять в демпфере за цикл

Рис. 3. Энергия, рассеиваемая в демпфере за цикл колебаний

колебаний, чтобы амплитуда колебаний не превышала некоторой допускаемой величины.

Определим Ш0. Колебания прибора описываются уравнением вынужденных колебаний системы с одной степенью свободы [2] ту + Я( у, у) + су = Р0со‘$(Ш + а), (4)

где т - масса прибора; Я(у, у) - сила сопротивления движению; с -жесткость упругой подвески прибора; Р0 - амплитуда возмущающей нагрузки; остальные обозначения - общепринятые.

Амплитуда Р0 вынужденных колебаний в резонансе (нас будут интересовать именно условия резонанса) определяется выражением [2]

А = 2пЛ0/у, (5)

где А0 = Р0/ с; щ = Ш0/ и - коэффициент поглощения энергии системы;

гу

и = А с /2 - максимальная потенциальная энергия подвески прибора.

С учетом этих обозначений из (5) получим Шо = Р А. (6)

Представим движение поршня 2 пневмодемпфера 1 относительно его корпуса при циклических колебаниях как вращение радиуса-вектора с угловой скоростью со, как показано на рис. 2, б.

За начальное положение поршня примем его среднее положение а = 0, у = 0. Текущее положение поршня характеризуется координатой

у = Н1 Бта, где И1 - максимальное смещение поршня в одну сторону.

При повороте радиуса-вектора из какого-либо текущего положения на угол йа объем верхней полости уменьшается на величину Бк1 ео8а • йа, где

'У

£ = лО /4, а нижней увеличивается на величину £'1/г1со8а-йа, где

9 9

£1 =п(В -й )/4. Первоначальное давление Р1 и объем У1 верхней полости

связаны с новым давлением Р1 и объемом Уг (пока без учета протекания воздуха) соотношением [3]

I I

РхУ? = Р^(У^)п, (7)

где п - показатель политропы.

С учетом того, что V = V -Б1к1 соБа• йа, из (7) следует

Р1 = Р1 /(1 - £/1 соБа • йа/ У1)п. (8)

Записав соотношение (7) для новых Р2 и У2 и первоначальных Р2 и У2

давлений и объемов нижней полости и учитывая, что У2 = У2 + Б1к1соБа^ йа, получим

Р2 = Р2 /(1 + £/1 соБа • йа/У2)п. (9)

Время й, в течение которого радиус-вектор повернется на угол йа, определяется выражением

Л = йа/2п[, (10)

где / - частота колебаний прибора.

За время й из верхней полости в нижнюю протечет количество воздуха [3]

£ = £о

2пё

п

ПР1

п +1

Г ' Л

Рг

V р1у

Г ' Л р2

V Р1У

(11)

/

где Б0 = 7тй^ /4; у1 - удельный вес воздуха в верхней полости к концу

Л

промежутка времени й; g = 980 см/с ; п = 1,4 (для воздуха).

Учитывая £ (11), откорректируем давления Р1 и Р2 к началу следующего шага. До начала поворота радиуса-вектора вес воздуха в верхней и нижней полостях составлял

01 = ^1^1, 02 =/2У2 , (12)

где у1 и у2 - удельные веса воздуха соответственно в верхней и нижней полостях в момент времени ? .

По завершению времени й количество воздуха в обеих полостях за счет перетекания £ будет определяться выражениями:

о1 = в1 - о, о2 = о+о. (13)

Соответственно изменяются и давления Р1 и Р2 в обеих полостях. Эти откорректированные давления вычисляются по формулам:

Р1н = ро1 /(о1 + £),Р2н = Р2о2 /(о2 - £). (14)

Сила сопротивления Е за время й определяется выражением (2), где вместо Р1 и Р2 берутся их откорректированные значения Р1н и Р2н (14). Затем расчет повторяется для нового приращения аргумента.

Таким образом, в течение цикла колебаний прибора устанавливается зависимость силы сопротивления Е от угла а поворота радиус-вектора или от времени ?.

Описанный алгоритм решения задачи реализован на компьютере. Просматривалось необходимое количество вариантов с целью оптимизации размеров демпфера в рамках заданной величины рассеяния энергии Шо. Рассчитываемые параметры привязывались к конкретной конструкции демпфера. Так, при Ш0 = 0,86 Дж, й = 3 мм, /1 = 1,87 мм получены следующие параметры демпфера: В = 23 мм; / = 3 мм; й1 = 0,85 мм; Ш = 0,946 Дж.

Рассмотренные виброзащитные устройства показали свою работоспособность и позволяют обеспечить виброзащиту и необходимую прочностную надежность современных прецизионных оптических и оптоэлектронных приборов в условиях их производства и эксплуатации.

2

п

п

1. Динамика пассивной вибрационной системы с обратной связью для оптического и оптоэлектронного приборостроения/А. И. Родионов, С. В. Савелькаев, Г. А. Сырецкий, Г. С. Юрьев // ГЕ0-Сибирь-2010, Т. 5.: Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микроэлектроника. Ч. 1: сб. материалов VI Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2010», 19 - 29 апреля 2010 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2010. - С. 8 - 13.

2. Бидерман, В. Л. Прикладная теория механических колебаний. - М.: Высшая школа, 1972. - 416 с.

3. Справочник машиностроителя. Т. 2. - М.: Машиностроение, 1960. - 740 с.

© Г.А. Куриленко, С.В. Савелькаев, Г.В. Григорьева, 2012