В механике ударом называют механическое воздействие материальных тел, приводящее к конечному изменению скоростей их точек за бесконечно малый промежуток времени. Ударное движение — движение, возникающее в результате однократного взаимодействия тела (среды) с рассматриваемой системой при условии, что наименьший период собственных колебаний системы или ее постоянная времени соизмеримы или больше времени взаимодействия.

При ударном взаимодействии в рассматриваемых точках определяют ударные ускорения, скорость или перемещение. В совокупности такие воздействия и реакции называют ударными процессами. Механические удары могут быть одиночными, многократными и комплексными. Одиночные и многократные ударные процессы могут воздействовать на аппарат в продольном, поперечном и любом промежуточном направлениях. Комплексные ударные нагрузки оказывают воздействие на объект в двух или трех взаимно перпендикулярных плоскостях одновременно. Ударные нагрузки на ЛА могут быть как непериодическими, так и периодическими. Возникновение ударных нагрузок связано с резким изменением ускорения, скорости или направления перемещения ЛА. Наиболее часто в реальных условиях встречается сложный одиночный ударный процесс, представляющий собой сочетание простого ударного импульса с наложенными колебаниями.

Основные характеристики ударного процесса:

• законы изменения во времени ударного ускорения a(t), скорости V(t) и перемещения X(t) \ длительность действия ударного ускорения т - интервал времени от момента появления до момента исчезновения ударного ускорения, удовлетворяющий условию, а> ап, где ап - пиковое ударное ускорение;
• длительность фронта ударного ускорения Тф - интервал времени от момента появления ударного ускорения до момента, соответствующего его пиковому значению;
• коэффициент наложенных колебаний ударного ускорения - отношение полной суммы абсолютных значений приращений между смежными и экстремальными значениями ударного ускорения к его удвоенному пиковому значению;
• импульс ударного ускорения - интеграл от ударного ускорения за время, равное длительности его действия.

По форме кривой функциональной зависимости параметров движения ударные процессы разделяют на простые и сложные. Простые процессы не содержат высокочастотных составляющих, и их характеристики аппроксимируются простыми аналитическими функциями. Наименование функции определяется формой кривой, аппроксимирующей зависимость ускорения от времени (полусинусоидальная, косанусоидальная, прямоугольная, треугольная, пилообразная, трапецеидальная и т.д.).

Механический удар характеризуется быстрым выделением энергия, в результате чего возникают местные упругие или пластические деформации, возбуждение волн напряжения и другие эффекты, приводящие иногда к нарушению функционирования и к разрушению конструкции ЛА. Ударная нагрузка, приложенная к ЛА, возбуждает в нем быстро затухающие собственные колебания. Значение перегрузки при ударе, характер и скорость распределения напряжений по конструкции ЛА определяются силой и продолжительностью удара, и характером изменения ускорения. Удар, воздействуя на ЛА, может вызвать его механическое разрушение. В зависимости от длительности, сложности ударного процесса и его максимального ускорения при испытаниях определяют степень жесткости элементов конструкции ЛА. Простой удар может вызвать разрушение вследствие возникновения сильных, хотя и кратковременных перенапряжений в материале. Сложный удар может привести к накоплению микродеформации усталостного характера. Так как конструкция ЛА обладает резонансными свойствами, то даже простой удар может вызвать колебательную реакцию в ее элементах, также сопровождающуюся усталостными явлениями.

Механические перегрузки вызывают деформацию и поломку деталей, ослабление соединений (сварных, резьбовых и заклепочных), отвинчивание винтов и гаек, перемещение механизмов и органов управления, в результате чего изменяется регулировка и настройка приборов и появляются другие неисправности.

Борьба с вредным действием механических перегрузок ведется различными путями: увеличением прочности конструкции, использованием деталей и элементов с повышенной механической прочностью, применением амортизаторов и специальной упаковки, рациональным размещением приборов. Меры защиты от вредного воздействия механических перегрузок делят на две группы:

1. меры, направленные на обеспечение требуемой механической прочности и жесткости конструкции;
2. меры, направленные на изоляцию элементов конструкции от механических воздействий.

В последнем случае применяют различные амортизирующие средства, изолирующие прокладки, компенсаторы и демпферы.

Общая задача испытаний ЛА на воздействие ударных нагрузок состоит в проверке способности ЛА и всех его элементов выполнять свои функции в процессе ударного воздействия и после него, т.е. сохранять свои технические параметры при ударном воздействии и после него в пределах, указанных в нормативно-технических документах.

Основные требования при ударных испытаниях в лабораторных условиях — максимальная приближенность результата испытательного удара на объект к эффекту реального удара в натурных условиях эксплуатации и воспроизводимость ударного воздействия.

При воспроизведении в лабораторных условиях режимов ударного нагружения накладывают ограничения на0форму импульса мгновенного ускорения как функции времени (рис. 2.50), а также на допустимые пределы отклонений формы импульса. Практически каждый ударный импульс на лабораторном стенде сопровождается пульсацией, являющейся следствием резонансных явлений в ударных установках и вспомогательном оборудовании. Так как спектр ударного импульса в основном является характеристикой разрушающего действия удара, то наложенная даже небольшая пульсация может сделать результаты измерений недостоверными.

Испытательные установки, имитирующие отдельные удары с последующими колебаниями, составляют специальный класс оборудования для механических испытаний. Ударные стенды можно классифицировать по различным признакам (рис. 2.5!):

I — по принципу формирования ударного импульса;

II — по характеру испытаний;

III — по виду воспроизводимого ударного нагружения;

IV — по принципу действия;

V — по источнику энергии.

В общем виде схема ударного стенда состоит из следующих элементов (рис. 2.52): испытуемого объекта, укрепленного на платформе или контейнере вместе с датчиком ударной перегрузки; средства разгона для сообщения объекту необходимой скорости; тормозного устройства; системы управления; регистрирующей аппаратуры для записей исследуемых параметров объекта и закона изменения ударной перегрузки; первичных преобразователей; вспомогательных приборов для регулировки режимов функционирования испытуемого объекта; источников питания, необходимых для работы испытуемого объекта и регистрирующей аппаратуры.

Простейшим стендом для ударных испытаний в лабораторных условиях является стенд, работающий по принципу сбрасывания закрепленного на каретке испытуемого объекта с некоторой высоты, т.е. использующий для разгона силы земного тяготения. При этом форма ударного импульса определяется материалом и формой соударяющихся поверхностей. На таких стендах можно обеспечить ускорение до 80000 м/с2. На рис. 2.53, а и б приведены принципиально возможные схемы таких стендов.

В первом варианте (рис. 2.53, а) специальный кулачок 3 с храповым зубом приводится во вращение мотором. По достижении кулачком максимальной высоты H стол 1 с объектом испытания 2 падает на тормозные устройства 4, которые и сообщают ему удар. Ударная перегрузка зависит от высоты падения Н, жесткости тормозящих элементов к, суммарной массы стола и объекта испытания M и определяется следующей зависимостью:

Варьируя эта величины, можно получить различные перегрузки. Во втором варианте (рис. 2.53, б) стенд работает по методу сбрасывания.

Испытательные стенды, использующие гидравлический либо пневматический привод для разгона каретки, практически не зависят от действия гравитации. На рис. 2.54 показаны два варианта ударных пневматических стендов.

Принцип работы стенда с пневмопушкой (рис. 2.54, а) заключается в следующем. В рабочую камеру / подается сжатый газ. При достижении заданного давления, которое контролируется манометром, срабатывает автомат 2 освобождения контейнера 3, где размещен испытуемый объект. При выходе из ствола 4 пневмопушки контейнер контактирует с устройством 5, которое позволяет измерять скорость движения контейнера. Пневмопушка через амортизаторы крепится к опорным стойкам б. Заданный закон торможения на амортизаторе 7 реализуется за счет изменения гидравлического сопротивления перетекающей жидкости 9 в зазоре между специально спрофилированной иглой 8 и отверстием в амортизаторе 7.

Конструктивная схема другого пневматического ударного стенда, (рис. 2.54, б) состоит из объекта испытаний 1, каретки 2, на которой установлен объект испытаний, прокладки 3 и тормозного устройства 4, клапанов 5, позволяющих создавать заданные перепады давления газа на поршне б, и системы подачи газа 7. Тормозное устройство включается сразу же после соударения каретки и прокладки, чтобы предотвратить обратный ход каретки и искажение форм ударного импульса. Управление такими стендами может быть автоматизировано. На них можно воспроизвести широкий диапазон ударных нагрузок.

В качестве разгонного устройства могут быть использованы резиновые амортизаторы, пружины, а также, в отдельных случаях, линейные асинхронные двигатели.

Возможности практически всех ударных стендов определяются конструкцией тормозных устройств:

1. Удар испытуемого объекта с жесткой плитой характеризуется торможением за счет возникновения упругих сил в зоне контакта. Такой способ торможения испытуемого объекта позволяет получать большие значения перегрузок с малым фронтом их нарастания (рис. 2.55, а).

2. Для получения перегрузок в широком диапазоне, от десятков до десятков тысяч единиц, с временем нарастания их от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд используют деформируемые элементы в виде пластины или прокладки, лежащей на жестком основании. Материалами этих прокладок могут быть сталь, латунь, медь, свинец, резина и т.д. (рис. 2.55, б).

3. Для обеспечения какого-либо конкретного (заданного) закона изменения п и т в небольшом диапазоне используют деформируемые элементы в виде наконечника (крешера), который устанавливается между плитой ударного стенда и испытуемым объектом (рис. 2.55, в).

4. Для воспроизведения удара с относительно большим путем торможения применяют тормозное устройство, состоящее из свинцовой, пластически деформируемой плиты, расположенной на жестком основании стенда, и внедряющегося в нее жесткого наконечника соответствующего профиля (рис. 2.55, г), закрепленного на объекте или платформе стенда. Такие тормозные устройства позволяют получать перегрузки в широком диапазоне n(t) с небольшим временем их нарастания, доходящим до десятков миллисекунд.

5. В качестве тормозного устройства может быть использован упругий элемент в виде рессоры (рис. 2.55, д), установленной на подвижной части ударного стенда. Такой вид торможения обеспечивает получение относительно малых перегрузок полусинусоидальной формы с продолжительностью, измеряемой миллисекундами.

6. Пробиваемая металлическая пластина, закрепленная по контуру в основании установки, в сочетании с жестким наконечником платформы или контейнера, обеспечивает получение относительно малых перегрузок (рис. 2.55, е).

7. Деформируемые элементы, установленные на подвижной платформе стенда (рис. 2.55, ж), в сочетании с жестким коническим уловителем обеспечивают получение длительно действующих перегрузок с временем нарастания до десятков миллисекунд.

8. Тормозное устройство с деформируемой шайбой (рис. 2.55, з) позволяет получать большие пути торможения объекта (до 200 — 300 мм) при малых деформациях шайбы.

9. Создание в лабораторных условиях интенсивных ударных импульсов с большими фронтами возможно при использовании пневматического тормозного устройства (рис. 2.55, ы). К числу достоинств пневмодемпфера следует отнести его многоразовое действие, а также возможность воспроизведения ударных импульсов различной формы, в том числе и со значительным заданным фронтом.

10. В практике проведения ударных испытаний широкое применение получило тормозное устройство в виде гидравлического амортизатора (см. рис. 2.54, а). При ударе испытуемого объекта об амортизатор его шток погружается в жидкость. Жидкость выталкивается через очко штока по закону, определяемому профилем регулирующей иглы. Изменяя профиль иглы, можно реализовать различный вид закона торможения. Профиль иглы можно получить расчетным путем, но при этом слишком трудно учесть, например, наличие воздуха в полости поршня, силы трения в уплотнительных устройствах и т.д. Поэтому расчетный профиль необходимо экспериментально корректировать. Таким образом, расчетно-экспериментальным методом можно получить профиль, необходимый для реализации любого закона торможения.

Проведение ударных испытаний в лабораторных условиях выдвигает и ряд специальных требований к монтажу объекта. Так, например, максимально допустимое перемещение в поперечном направлении не должно превышать 30% номинальной величины; как при испытаниях на ударную устойчивость, так и при испытаниях на ударную прочность изделие должно иметь возможность устанавливаться в трех взаимно перпендикулярных положениях с воспроизведением необходимого количества ударных импульсов. Разовые характеристики измерительного и регистрирующего оборудования должны быть идентичными в широком диапазоне частот, что гарантирует правильную регистрацию соотношений различных частотных составляющих измеряемого импульса.

Вследствие разнообразия передаточных функций различных механических систем один и тот же ударный спектр может быть вызван ударным импульсом различной формы. Это означает, что не существует однозначного соответствия некоторой временной функции ускорения и ударного спектра. Поэтому с технической точки зрения более правильно задавать технические условия на ударные испытания, содержащие требования к ударному спектру, а не к временной характеристике ускорения. В первую очередь это относится к механизму усталостного разрушения материалов вследствие накопления циклов нагружений, которые могут быть различными от испытаний к испытанию, хотя пиковые значения ускорения и напряжения будут оставаться постоянными.

При моделировании ударных процессов системы определяющих параметров целесообразно составлять по выявленным факторам, необходимых для достаточно полного определения искомой величины, которую иногда можно найти только экспериментальным путем.

Рассматривая удар массивного, свободно движущегося жесткого тела по деформируемому элементу относительно малого размера (например, по тормозному устройству стенда), закрепленному на жестком основании, требуется определить параметры ударного процесса и установить условия, при которых такие процессы будут подобными друг другу. В общем случае пространственного движения тела можно составить шесть уравнений, три из которых дает закон сохранения количества движения, два — законы сохранения массы и энергии, шестым является уравнение состояния. В указанные уравнения входят следующие величины: три компоненты скорости Vx Vy \ Vz> плотность р, Давление р и энтропия. Пренебрегая диссипативными силами и считая состояние деформируемого объема изоэнтропическим, можно исключить из числа определяющих параметров энтропию. Так как рассматривается только движение центра масс тела, то можно не включать в число определяющих параметров компоненты скоростей Vx, Vy; Vz и координаты точек Л", Y, Z внутри деформируемого объекта. Состояние деформируемого объема будет характеризоваться следующими определяющими параметрами:

• плотностью материала р;
• давлением р, которое целесообразней учитывать через величину максимальной местной деформации и Otmax, рассматривая ее как обобщенный параметр силовой характеристики в зоне контакта;
• начальной скоростью удара V0, которая направлена по нормали к поверхности, на которой установлен деформируемый элемент;
• текущим временем t;
• массой тела т;
• ускорением свободного падения g;
• модулем упругости материалов Е, так как напряженное состояние тела при ударе (за исключением зоны контакта) считается упругим;
• характерным геометрическим параметром тела (или деформируемого элемента) D.

В соответствии с тс-теоремой, из восьми параметров, среди которых три имеют независимые размерности, можно составить пять независимых безразмерных комплексов:

Безразмерные комплексы, составленные из определяемых параметров ударного процесса, будут некоторыми функциями независимы] безразмерных комплексов П1 — П5.

К числу определяемых параметров относятся:

• текущая местная деформация а;
• скорость тела V;
• контактная сила Р;
• напряжение внутри тела а.

Следовательно, можно записать функциональные соотношения:

Вид функций /1, /2, /э, /4 может быть установлен экспериментально, с учетом большого количества определяющих параметров.

Если при ударе в сечениях тела за пределами зоны контакта не появляются остаточные деформации, то деформация будет иметь местный характер, и, следовательно, комплекс Я5 = рУ^/Е можно исключить.

Комплекс Jl2 = Pttjjjax) ~ Cm называется коэффициентом относительной массы тела.

Коэффициент силы сопротивления пластическому деформированию Cp связан непосредственно с показателем силовой характеристики N (коэффициентом податливости материала, зависящим от формы соударяющихся тел) следующей зависимостью:

где р — приведенная плотность материалов в зоне контакта; Cm = т/(ра?) — приведенная относительная масса соударяющихся тел, характеризующая отношение их приведенной массы M к приведенной массе деформируемого объема в зоне контакта; xV — безразмерный параметр, характеризующий относительную работу деформирования.

Функцией Cp - /з(Я1(Яг, Я3, Я4) можно воспользоваться для определения перегрузок:

Если обеспечить равенство числовых значений безразмерных комплексов IJlt Я2, Я3, Я4 для двух ударных процессов, то эти условия, т.е.

будут представлять собой критерии подобия данных процессов.

При выполнении указанных условий одинаковыми будут и числовые значения функций /ь/г./з» Л» те- в сходственные моменты времени -V CtZoimax- const; ^r= const; Cp = const, что и позволяет определять параметры одного ударного процесса простым пересчетом параметров другого процесса. Необходимые и достаточные требования физического моделирования ударных процессов можно сформулировать следующим образом:

1. Рабочие части модели и натурного объекта должны быть геометрически подобными.
2. Безразмерные комплексы, составленные из определяющих пара, метров, должны удовлетворять условию (2.68). Вводя масштабные коэффициенты.

Необходимо иметь в виду, что при моделировании только параметров ударного процесса напряженные состояния тел (натуры и модели) будут обязательно различными.

4. Защита конструкций с помощью амортизаторов и демпферов

Если рассматривать блок как жесткое недеформируемое тело, то при установке его на амортизаторы получается колебательная система, в общем случае имеющая шесть степеней свободы. Обычно рассматривается только одна степень свободы - в направлении, наиболее опасном с точки зрения внешних воздействий. Тогда резонансная частота щ 0 определяется формулой (1). Эта частота обычно является довольно низкой и не превышает 100 Гц. В этом случае весь диапазон частот внешних возмущений оказывается выше щ 0 . И только при условии

сказывается защитное действие амортизатора. Амплитуда колебаний блока уменьшается по сравнению с амплитудой колебаний точек крепления амортизаторов к источнику вибрации в k раз

То, что блок аппаратуры не является абсолютно жестким и сам деформируется при колебаниях на амортизаторах, практически мало влияет на защитные свойства амортизаторов и, кроме того, это влияние положительно, поскольку установка более мягкого блока на амортизаторы уменьшает резонансную частоту f 0 . С другой стороны, установка конструкции на амортизаторы изменяет резонансные частоты самой конструкции. Все резонансные частоты становятся несколько ниже. Стремление повысить эффективность применения амортизаторов привело к изобретению множества различных конструкций амортизаторов:

1. Амортизаторы с дополнительными пружинами (рис. 4). Дополнительные пружины имеют длину, меньшую чем у основной пружины, и вступают в действие при увеличении амплитуды колебаний. В результате получается нелинейная ступенчатая характеристика жесткости. Дополнительные пружины могут устанавливаться как рядом с основной, так и внутри её.

2. Амортизаторы с коническими пружинами, позволяющими плавно изменять жесткость с ростом растяжения и сжатия (рис. 5). У таких пружин наружные витки, которые имеют больший диаметр, имеют меньшую жёсткость. Поэтому при небольшом сжатии работают только эти большие витки. При увеличении сжатия большие витки касаются нижней жесткой поверхности и начинают сжиматься верхние витки меньшего диаметра и большей жесткости. Поскольку амортизатор имеет начальное сжатие под действие массы блока, то аналогичный процесс получается и при растяжении амортизатора, когда начинают растягиваться сначала витки меньшего диаметра, а затем большего. В результате при растяжении жесткость плавно уменьшается.

3. Проволочно-пружинные (сетчатые) амортизаторы (рис. 6), получающиеся прессованием упругого элемента из тонкой спирали. В качестве материала спирали используется тонкая проволока из легированной стали или бериллиевой бронзы. Трение проволоки при деформации упругого элемента создаёт большие потери энергии в упругом элементе. При больших деформациях, например при растяжении, отдельные спирали вытягиваются в одном направлении. При этом получается картина такая же, как и при деформации материалов с длинными волокнами, например резины. Поэтому материал упругого элемента сеточного амортизатора стали называть металлической резиной.

Основной недостаток металлической резины - непостоянство во времени её упругих свойств. Поэтому промышленностью выпускаются пружинно-сеточные амортизаторы (рис. 7), в которых роль упругого элемента выполняет пружина 1, а роль демпфера - металлическая резина 2.

4. Тросовые амортизаторы. Металлический трос, или канат, свитый из множества тонких жил, при растяжении и особенно при изгибе обладает свойствами упругого тела с большими потерями энергии на трение между отдельными жилами. Эти свойства изменяются в широких пределах в зависимости от материала жил, их диаметра, способа изготовления троса и способа использования его в качестве амортизатора. Поэтому возможно большое разнообразие конструкций и характеристик тросовых амортизаторов (рис. 8).

Заметим, что все амортизаторы, в которых используется трение металлических частей, обладают тем недостатком, что металлы истираются, образуя металлическую пыль. Поэтому приходится принимать меры предосторожности, чтобы эта пыль не попадала на электрические цепи.

5. При малой массе блоков стали применять амортизаторы с распределёнными параметрами. Такими амортизаторами и демпферами можно считать амортизационные прокладки, а также заливки и засыпки аппаратуры различными синтетическими материалами. Амортизационные прокладки применяют для защиты от ударов и вибраций как целых блоков (рис. 9), так и отдельных частей внутри блока (рис. 10).

К материалу амортизационных прокладок предъявляются высокие требования. Во-первых, материал должен обладать хорошими упругими свойствами, т.е. должен после снятия нагрузок полностью восстанавливать свою форму, и должен быть достаточно мягким и эластичным. Во-вторых, он должен обладать высокими потерями энергии на внутреннее трение. Эти потери зависят от внутреннего строения вещества чем сложнее макроскопическая структура, тем больше потери. В-третьих, материал должен обладать высокой износостойкостью. Особенно он должен хорошо противостоять истиранию.

В различных конструкциях применяются сотни различных материалов, но по-видимому, самыми надежными материалами являются поролоны, пенопласты и резина.

При создании различных амортизаторов конструкторы стремились обеспечить, во-первых, нелинейную характеристику упругости и, во-вторых, большие потери энергии на трение.

Нелинейность характеристики "сила - деформация" амортизатора оказывается полезной по трём причинам.

Во-первых, она позволяет уменьшать габариты амортизатора. Дело в том, что большой эффект защиты конструкции дают "мягкие" амортизаторы. Но чем меньше жесткость, тем больше ход амортизатора при действии тех же сил. Приходится в конструкции выделять значительное место для устройств защиты. Для избежания ударов приходится увеличивать габариты амортизатора. Установка дополнительных коротких пружин (см. рис. 4) или конической пружины (см. рис. 5) позволяет с ростом амплитуды колебаний включать дополнительные жесткости и тем ограничивать амплитуды колебаний, не допуская ударов об ограничители движения.

Во-вторых, движение блока на нелинейных амортизаторах более сложно - несиносуидально по времени. Такое периодическое сложное движение можно представить в виде суперпозиции нескольких гармонических составляющих. Таким образом, при замене линейного амортизатора нелинейным помимо основной низшей гармонической составляющей колебаний, частота которой равна частоте внешних воздействий, появляются более высокие гармоники. На возбуждение этих гармоник расходуется часть энергии, передаваемой через амортизаторы от источника вибрации. Значит, меньшая часть энергии остаётся на возбуждение колебаний низшей гармоники. Резонансные явления развиваются не так интенсивно, как при линейных амортизаторах. Возникающие при этом высокочастотные гармоники быстро затухают вследствие потерь энергии на трение в амортизаторах. Эта энергия потерь тем больше, чем выше частота.

В-третьих, если в этом диапазоне имеются резонансные частоты конструкции, то начинают развиваться резонансные колебания. В этом случае иногда говорят о переходе через резонанс. В действительности, резонанс просто не успевает полностью развиться, поскольку для этого теоретически требуется бесконечное время. Но и такой развивающийся резонанс может привести к отказам и сбоям аппаратуры.

Блок автоматизированного управления связью

Вторичный источник электропитания ВИП–24В–3,5А

Радиоэлектроника и вычислительная техника применяются практически во всех отраслях народного хозяйства для выполнения однотипных задач - сбора, обработки и выдачи информации...

Методы и средства защиты РЭС от ударных воздействий

Целью расчета является определение статических нагрузок на амортизаторы и выбор их типоразмеров. 1. Расчет начинают с нахождения положения центра масс блока. Для каждого функционального узла и крупных деталей, входящих в блок...

Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке Восточно-Сибирской железной дороги "Иркутск - Черемхово"

Защиту кабелей от ударов молнии осуществляют с помощью медных, биметаллических или стальных тросов. Тросы прокладывают выше кабеля на глубине, равной половине глубины его залегания, но не менее 0,4 м. Расстояние между тросами 0,4…1,2 м...

Дренажные катушки (ДК) предназначены для обеспечения одновременного срабатывания разрядников, включенных в провода телефонной цепи...

Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке железной дороги Боготол – Ачинск – Красноярск

Дренажные катушки (ДК) предназначены для обеспечения одновременного срабатывания разрядников, включенных в провода телефонной цепи...

Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке железной дороги Хабаровск – Розенгартовка

Защиту кабелей от ударов молнии осуществляют с помощью медных, биметаллических или стальных тросов. Тросы прокладывают выше кабеля на глубине, равной половине глубины его залегания, но не менее 0,4 м (альбом чертежей, лист 6)...

Дренажные катушки (ДК) предназначены для обеспечения одновременного срабатывания разрядников, включенных в провода телефонной цепи...

Проект кабельной линии АТ и С на участке железной дороги Филоново–Иловля

Защиту кабелей от ударов молнии осуществляют с помощью медных, биметаллических или стальных тросов. Тросы прокладывают выше кабеля на глубине, равной половине глубины его залегания, но не менее 0,4 м (альбом чертежей, лист 6)...

Дренажные катушки (ДК) предназначены для обеспечения одновременного срабатывания разрядников, включенных в провода телефонной цепи...

Проект кабельной линии АТ и С на участке железной дороги Хабаровск-Розенгартовка

Защиту кабелей от ударов молнии осуществляют с помощью медных, биметаллических или стальных тросов. Тросы прокладывают выше кабеля на глубине, равной половине глубины его залегания, но не менее 0,4 м (альбом чертежей, лист 6)...

Проектирование цифрового фильтра на основе сигнального процессора 1813ВЕ1

При расчете y(nT) с помощью алгоритма ОБПФ исходной последовательностью является Y(jk) - отсчеты выходного сигнала в частотной области.Y(jk) найдем из соотношения: Отсчеты X(jk) иH(jk) были определены выше. После вычислений имеем: Y(jk) = {4,3124; 2,5222-j3,4214; -0,9033-j0...

Лекция 1. Динамические характеристики элементов конструкций,

приводимых к системам с одной степенью свободы

План лекции

Демпфирование и его характеристики.

Экспериментальные методы определения характеристик демпфирования.

Факторы, влияющие на демпфирующие свойства материалов.

Вынужденные колебания одномассовой системы.

Поведение системы в частной области, АЧХ и ФЧХ.

1. Демпфирование и его характеристики

Изучение динамики конструкций имеет большое значение для понимания и оценки эксплуатационных характеристик любого изделия. Хорошие динамические характеристики представляют основу непрерывной и удовлетворительной эксплуатации. Анализ динамических свойств конструкции необходим для оценки ее эксплуатационных характеристик и усталости материалов. Важнейшей характеристикой системы является демпфирование. В условиях резонанса поведение системы, добротность определяется только ее демпфирующими свойствами. При резонансе система ведет себя как «чистый» демпфер. Демпфирование – любое воздействие, рассеивающие энергию системы.

Колебания реальной системы, вызванные однократным возмущением, постепенно затухают. Причиной затухания, кроме газодинамического сопротивления, являются силы неупругого сопротивления, обусловленные внутренним трением в материале колеблющейся конструкции, трением в кинематических парах и опорах, трением о внешнюю среду. Эти силы вызывают диссипацию (рассеяние) механической энергии. Способность системы поглощать энергию циклического деформирования называют демпфирующей способностью.

Демпфирующая способность обусловливает затухание свободных колебаний и ограничение амплитуды резонансных колебаний системы и ее элементов, что является одним из основных факторов динамической прочности вибрирующих элементов и устойчивой работы микросистемных устройств и микроприборов.

Силы неупругого сопротивления связаны со скоростями v точек системы, и для их описания используют степенную зависимость

где k 1 , n - опытные постоянные.

При n = 1 выражение (1) описывает линейное сопротивление.

Вследствие внутреннего трения при циклическом деформировании материалов наблюдается отклонение от закона Гука, т.е. связь между напряжениями и деформациями описывается не линейной зависимостью, а двумя кривыми, образующими петлю гистерезиса. Это относится и к связи между нагрузкой P на систему и соответствующим перемещением x (рис.1).

Рис.1. Петля гистерезиса

Мерой рассеяния энергии при колебаниях за один цикл является площадь петли гистерезиса W , которая определяется только амплитудой перемещения и описывается зависимостью

где - амплитуда перемещения; k 2 , n - постоянные, зависящие от материала и типа конструкции.

При продольных и изгибных колебаниях нормальные напряжения  в вязкоупругих материалах связывают с относительной деформацией  равенством

при крутильных колебаниях касательные напряжения  представляют в виде

где , G - модули упругости и сдвига; ,  - линейная и угловая деформации; b - коэффициент демпфирования.

Рассмотрим свободные колебания одномассовой системы при линейном сопротивлении на примере вязкоупругой модели, приведенной на рис.2. С учетом сил упругости kx и линейного вязкого сопротивления дифференциальное уравнение движения массы имеет вид

где m - масса; b - коэффициент демпфирования в системе; k - жесткость упругого подвеса массы; x - перемещение.

Рис.2. Модель вязкоупругого тела

Обозначим и b/ 2m = n . Здесь коэффициент n характеризует приведенное демпфирование в системе, его не следует смешивать с показателем степени в уравнениях (1) и (2).

Запишем дифференциальное уравнение (4) в форме

где - собственная круговая частота системы () ;  - относительный коэффициент демпфирования ().

Общее решение уравнения (5) при соблюдении неравенства может быть представлено в виде

где Х   - начальные амплитуда и фазовый угол соответственно; - круговая частота затухающих колебаний; n - приведенное демпфирование; t - время.

Кривая колебаний представлена на рис.3, где виден затухающий характер процесса с круговой частотой .

Рис.3. Кривая затухающих колебаний

Рассмотрим последовательные отклонения, соответствующие тем моментам времени, когда :

где t 1 - время, соответствующее первому наибольшему отклонению; T - длительность одного колебательного цикла,

Отношение двух последовательных пиковых значений амплитуды все время остается постоянным:

Следовательно, при любом значении i справедливо равенство

Величина nT =  называется логарифмическим декрементом затухания колебаний и используется как характеристика демпфирующих свойств колебательной системы.

Независимо от природы энергетических потерь за основную характеристику демпфирующих свойств механических систем при данной амплитуде a установившихся колебаний принято считать относительное рассеяние энергии

где - необратимо рассеянная энергия за цикл колебаний; - амплитудная энергия упругой деформации.

Из (6) видно, что относительное рассеяние энергии вдвое больше логарифмического декремента.

Добротность системы Q выражается как отношение максимальной резонансной амплитуды колебаний системы к ее деформации от действия статической вынуждающей силы. Величина Q –1 , обратная ей, называется внутренним трением.

При колебаниях в вязкоупругих материалах наблюдается сдвиг фаз между напряжением и деформацией на некоторый угол . Напряжение можно представить в виде суммы двух составляющих (рис.4) , где j - мнимая единица. Составляющая совпадает по направлению с деформацией и связана с упругой энергией тела. Составляющая опережает деформацию на 90 и связана с энергией потерь. Поэтому в качестве характеристики демпфирующих свойств материала часто применяют тангенс угла сдвига фаз tg, называемый также тангенсом угла потерь.

Рис.4. Векторная диаграмма напряжений

Указанные характеристики демпфирования связаны между собой следующими соотношениями:

Пример. Определить логарифмический декремент и изменение собственной круговой частоты вследствие демпфирования, если за один колебательный цикл амплитуда колебаний упругой системы уменьшается вдвое.

По формуле (6) найдем логарифмический декремент колебаний

откуда определим приведенное демпфирование

Из этого уравнения найдем, что приведенное демпфирование весьма мало в сравнении с собственной круговой частотой системы: .

Определим собственную круговую частоту затухающих колебаний

которая на 0,6% отличается от частоты незатухающих колебаний.

2. Экспериментальные методы определения характеристик демпфирования

Решение практических задач о колебаниях требует достоверных сведений о характеристиках конструкционного демпфирования, которые точно могут быть получены только опытным путем.

Метод свободных затухающих колебаний наиболее часто используется из-за простоты эксперимента. Метод предусматривает получение осциллограмм свободных затухающих колебаний механической системы. По темпу убывания амплитуды а колебаний определяют относительное рассеяние энергии

где Х i и - две последующие амплитуды соответственно в начале и конце i - го периода колебаний.

При построении огибающей затухающих колебаний X (N ) (рис.5) значение логарифмического декремента строго соответствует 0,5X . При любом уровне затухания и любой амплитудной зависимости логарифмический декремент определяют по формуле

где - число циклов на участке под касательной, проведенной к огибающей в точке с рассматриваемой амплитудой .

Рис.5. Определение декремента по огибающей затухающих колебаний

Метод резонансной кривой основан на получении экспериментальной амплитудно-частотной характеристики - зависимости амплитуды а перемещения (деформации) установившихся колебаний от частоты  гармонического возбуждения (рис.6). Демпфирующие свойства системы оценивают по ширине пика или впадины.

Рис.6. Амплитудно-частотная характеристика колебательной системы

Для линейных систем и используемых на практике уровней резонансного пика  = 0,5 и  = 0,707 (см. рис.6) применяют следующие выражения для логарифмического декремента колебаний, соответствующего резонансной частоте колебаний системы:

где - резонансная частота;   - ширина резонансного пика на уровне  его высоты.

3. Факторы, влияющие на демпфирующие свойства материалов

Технические материалы в большей или меньшей степени поглощают энергию циклического деформирования, преобразуя ее в теплоту, которая затем рассеивается. Демпфирующая способность конструкционных материалов рассматривается как самостоятельная характеристика, определяемая экспериментально с учетом реальных технологических и эксплуатационных факторов. Известные конструкционные материалы различаются по демпфирующей способности весьма существенно (на три порядка). Ниже приведены ориентировочные максимальные значения логарифмического декремента колебаний для различных материалов при амплитуде напряжения, равной одной десятой предела текучести данного материала, в условиях комнатной температуры:

Металлические материалы

Магниевые сплавы 0,13…0,3

Марганцево-медные сплавы 0,10…0,25

Никель-титановые сплавы 0,10…0,15

Кобальто-никелевые сплавы 0,06…0,12

Медно-алюминиевые сплавы 0,04…0,1

Хромистая сталь 0,01…0,04

Углеродистая сталь 0,002…0,01

Алюминиевые сплавы 0,001…0,01

Латунь и бронза 0,001…0,003

Титановые сплавы 0,005…0,0015

Неметаллические материалы

Наполненная резина 0,1…0,5

Капрон 0,25…0,45

Фторопласт 0,17…0,45

Полипропилен 0,36…0,40

Полиэтилен 0,26…0,39

Оргстекло 0,14…0,28

Пенопласт 0,06…0,24

Эпоксидные смолы 0,06…0,18

Текстолит 0,04…0,12

Стеклотекстолит 0,02…0,10

Результаты исследований свидетельствуют, что демпфирующие свойства материалов зависят от многих факторов: химического состава и структуры материала; амплитуды циклической деформации (напряжения) и неоднородности напряженного состояния; температуры и термической обработки; статической напряженности и внешнего магнитного поля; предварительного пластического деформирования и др.

Общей закономерностью для большинства материалов является возрастание демпфирующих свойств с повышением температуры, амплитуды циклических напряжений и размера зоны высокого уровня напряжений.

4. Вынужденные колебания одномассовой системы

Математическую модель одномассовой системыпри кинематическом возбуждении построим, используя второй закон Ньютона. Вынужденные колебания массы описываются уравнением движения, полученным при суммировании сил инерции, демпфирования, упругости и возбуждения (рис. 2):

где x - перемещение массы относительно основания; - перемещение основания.

После преобразования уравнение движения имеет вид

где - приведенное демпфирование, ; - собственная круговая частота ЧЭ, - жесткость упругого элемента.

При решение уравнения (7) имеет вид

,

где - амплитуда затухающих и вынужденных колебаний; - начальная фаза собственных затухающих колебаний и фазовый угол; - круговая частота вынужденных колебаний.

Перемещения после затухания собственных колебаний инерционной массы описываются уравнением

где  1 - коэффициент рассогласования частот, ; - относительный коэффициент демпфирования, ; K д - коэффициент динамичности; - статическое смещение инерционной массы под действием силы инерции.

Фазовый угол  определяется по формуле

Последние два уравнения являются амплитудно-частотной (АЧХ) и фазночастотной (ФЧХ) характеристиками системы.

5. Поведение системы в частной области, АЧХ и ФЧХ

Случай совпадения частоты внешних воздействий с частотой свободных колебаний (собственной частотой) называют резонансом. Наиболее неблагоприятными для работы изделий являются резонансные механические колебания. На резонансных режимах амплитуда колебаний элементов системы и их перегрузки резко возрастают и в деталях конструкции возникают опасные знакопеременные напряжения. При отсутствии сил вязкого сопротивления в случае резонанса амплитуда вынужденных колебаний, нарастая во времени, стремится к бесконечности. Это объясняется тем, что если колебания происходят с собственной частотой, то инерционные силы уравновешиваются квазиупругими при любых амплитудах колебаний. Возмущающие факторы оказываются при этом неуравновешенными и увеличивают амплитуду колебаний.

Графическое решение уравнения (7) представлено на рис.7 в виде частотных характеристик. Статическое смещение системы (при ) определяется только жесткостью упругого элемента k . При низких частотах реакция, определяемая в основном жесткостью, находится в фазе с внешним возбуждением.

Рис.7. Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристики

При увеличении частоты возрастающее влияние оказывает присущая массе сила инерции. При резонансе (частоты вынужденных и собственных колебаний совпадают) реакция ЧЭ определяется демпфированием, поскольку составляющие, соответствующие массе и жесткости пружины, взаимно уравновешиваются. Податливость системы увеличивается, и реакция ЧЭ отстает от возбуждения на 90 о. При частотах, превышающих основное влияние оказывает присущая массе составляющая и система начинает вести себя как чистая масса. Податливость системы уменьшается и реакция отстает от возбуждения на 180 о.

методов определения сырого протеина в...

Курс лекций Чебоксары 2010 Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Документ

И с методами их анализа; ... Лекция 2 Качественные показатели и характеристики аналоговых электронных устройств. 2.1. Основные определения ... коэффициента демпфирования , ... его передаточная характеристика Передаточная характеристика ... экспериментальное ...

Лекции Внешние воздействия и отклик элементов конструкций. Конечно-элементные модели

Документ

... демпфирование , температурный коэффициент линейного расширения. Основным недостатком метода ... характеристики и податливость деформируемых элементов (пружин). После определения ... деформаций моделей сравниваются с экспериментальными или нормативными данными. ...

Математика, механика және информатика пәндерінен V республикалық студенттік ғылыми- практикалық конференция V республиканская студенческая научно-практическая к

Документ

... -экспериментальных исследований, направленных на получение расчетных формул для определения основных геометрических характеристик ... ударника принимаем пропорционально его скорости. Причем, жесткость пружины и коэффициент демпфирования в расчет...

Если удары имеют периодический характер, то спектр колебаний не будет расширяться, поскольку спектр будет вписываться в кривую общего спектра. После удара аппарат и его элементы начинают колебаться на собственных резонансных частотах. Эти колебания имеют затухающий характер. На практике длительность удара ограничивается несколькими миллисекундами, а ускорение может достигать 100 150g .

Любой элемент, конструкция или блок РЭА имеют собственные резонансные частоты, на которых элементы подвергаются сильному разрушающему воздействию. Удар

τ и = T .

(резисторы, конденсаторы,…) – сотни и тысячи Гц.

Меры способы реализации виброизоляции в РЭА.

Безотказность функционирования аппаратуры является одной из основных задач конструктора, которую он постоянно должен иметь в виду при проектировании РЭА, подвергающейся воздействию окружающей среды.

Применение элементов и материалов, которые отвечают заданным условиям эксплуатации РЭА, улучшение технологии изготовления, введение более жёстких норм контроля позволяют повысить виброустойчивость до некоторых пределов. Кроме перечисленных общих, для борьбы с вибрациями применяют следующие специальные меры:

- уменьшение уровней вибрации встроенных в РЭА блоков реле, двигателей и т.д.;

- устранение резонансов, то есть, предотвращение совпадения частоты возбуждающих сил с собственной частотой элементов и блоков РЭА;

- изоляция чувствительных к вибрации объектов от вибровозмущений с помощью упругодемпфирующих элементов (амортизаторов).

Эти меры относятся к так называемым конструктивным методам и осуществляются при проектировании чувствительных к вибрации объектов и их носителей. Конструктивные методы повышения виброустойчивости и вибропрочности аппаратуры разрабатываются исходя из условий эксплуатации изделий. При этом основная задача конструктора состоит в том, чтобы выбрать такое расположение применяемых элементов, при котором механические нагрузки, испытываемые элементами, будут наименьшими. Так, для получения виброустойчивой конструкции, применяют метод сравнения спектров ускорений конструкции и элементов. Элементы, наиболее чувствительные к вибрациям, располагают на жёстких участках шасси. Если максимально допустимые ускорения элементов меньше ускорений шасси, то необходимо увеличить жёсткость и демпфирование шасси.

Существенное значение имеет способ крепления радиоэлементов. Как правило, при монтаже РЭА, работающей в условиях сильных вибраций, используются мастики различных типов.

Другим конструктивным методом снижения вибраций является изменение жёсткости конструкции. При этом изменяется соотношение между частотами возбуждения и собственными колебаниями упругого элемента. Так как резонансная зона обычно распространяется на узкую область вблизи частоты собственных колебаний, достаточно изменить соотношение между частотами возбуждения и собственных колебаний конструктивного элемента на 5-10%, чтобы резонансные колебания полностью прекратились.

Однако вышеизложенные методы конструктивного снижения уровня вибраций делают конструкцию дороже, утяжеляют её и часто снижают технологичность.

Для эффективной борьбы с вибрациями и ударами применяют виброизоляцию РЭА. Сущность виброизоляции заключается в том, что между защищаемым объектом и вибрирующей поверхностью помещаются виброизоляторы – амортизаторы, которые ослабляют вибрационные воздействия на защищаемый объект. Требования к амортизаторам определяются условиями эксплуатации. Любой амортизатор включает три основных функциональных элемента: направляющее устройство, упругий элемент и демпфер.

Амортизация является наиболее распространённым средством защиты аппаратуры от вибрации и удара. Однако она имеет ряд особенностей, без учёта которых нельзя достичь желаемого эффекта.

Амортизацией принято называть систему упругих опор, на которые устанавливается объект с целью защиты его от внешних динамических воздействий. Основное свойство таких опор (амортизаторов) заключается в том, что колебания несущей конструкции, возникающие в результате действия внешних вибраций и ударов, передаются аппаратуре через упругие опоры в значительной мере ослабленными. Это свойство амортизаторов имеет свои ограничения, связанные с особенностями поведения упругой конструкции.

В результате установки аппаратуры на упругие амортизаторы получается

колебательная система, образованная амортизированным объектом и его упругими опорами. Положительный эффект амортизации обеспечивается правильным выбором характеристики этой системы, позволяющей лучшим образом использовать её свойства.

В настоящее время известно много конструктивных видов амортизаторов,

предназначенных для работы в самых разнообразных условиях. Не все они равнозначны по своим техническим характеристикам и эксплуатационным возможностям. Некоторые из них хорошо себя зарекомендовали, выпускаются серийно на протяжении многих лет и используются в различных отраслях техники. Применение других в силу конструктивных особенностей сильно ограничено.

Разработка амортизаторов, способных защитить аппаратуру от вибраций и ударов и вместе с тем обладающих ограниченными габаритами, составляет достаточно сложную техническую задачу. Проектирование системы амортизации также является задачей, требующей внимательного подхода. Успех решения всех этих вопросов возможен только при всестороннем учёте конструктивных особенностей амортизаторов и аппаратуры, а также при правильной оценке характера динамических воздействий носителя.

Теоретическая сторона проектирования системы амортизации основывается на общих положениях теории колебаний и теории удара. Большое распространение получила линейная интерпретация задач о малых колебаниях упруго опертого тела. Это объясняется в основном стройностью и завершённостью математического аппарата, используемого при решении задачи.

Расчёт системы амортизации на воздействие вибрационной нагрузки.

Основная цель расчёта системы амортизации на воздействие вибрационной нагрузки состоит в том, чтобы определить частоты собственных колебаний системы, параметры

вынужденных колебаний амортизируемого блока по известным параметрам колебаний основания и установить эффективность виброизоляции системы амортизации.

Для аналитического описания существующих воздействий рассмотрим вынужденные колебания с вязким демпфированием. Вязкое демпфирование означает, что сила сопротивления прямо пропорциональна скорости блока. При этом можно рассматривать силовое и кинематическое возмущение. Аппаратура чаще всего подвергается кинематическому возмущению.

Числом степеней свободы амортизированного объекта называют минимальное число независимых координат, необходимых для полного определения положения всех точек системы в любой момент времени. Хотя для реальных механических систем это число всегда бесконечно велико, то в ряде случаев практически достаточен учёт конечного числа существенных степеней свободы. Чаще всего оно равно числу возможных независимых перемещений.

В лабораторной работе для исследования предлагается упругая система с одной степенью свободы (Рис. П.2). В ней исследуются вынужденные колебания с вязким демпфированием при кинематическом возмущении.

Для исследования таких систем обычно вводятся следующие рациональные допущения и ограничения:

- динамическое воздействие на амортизируемый объект совершается только прямолинейно и вдоль одной из осей координат;

- масса основания настолько больше массы амортизируемого объекта, что обратным влиянием можно пренебречь;

- масса упругого элемента настолько меньше массы амортизируемого объекта, что ею можно пренебречь;

- масса амортизируемого объекта, коэффициент жёсткости и коэффициент демпфирования упругого элемента являются величинами постоянными, не изменяющимися во времени;

- сила упругости пропорциональна деформации амортизатора; сила сопротивления амортизатора пропорциональна первой степени скорости смещения амортизируемого объекта;

Таким образом, тело массой m может перемещаться в направлении оси Z так, что его

положение полностью определяется единственной координатой z.

Возмущение колебательной системы, показанной на рис. П.2, может быть вызвано в результате движения основания.

Дифференциальное уравнение движения такой системы m z ′′ + h ∑ (z ′ − ξ ′(t ) ) + k ∑ (z − ξ (t )) = 0

где: h ∑ - коэффициент трения демпфера, k ∑ - коэффициент упругости пружин,

колебание с собственной частотой затухнет, определяется перемещением массы объекта m

z = 1 A sin (ω t − ψ ) ,

где коэффициент динамичности (в других литературных источниках этот коэффициент может носить название коэффициент ослабления или виброизоляции) определяется из уравнения

Ω 2

Ω 2

2 ζ Ω 2

Здесь: а - амплитуда вибросмещения амортизируемого объекта; А - амплитуда вибросмещения основания;

	Коэффициент демпфирования амортизаторов;

2 m ω o

ω o - угловая частота собственных колебаний.

На практике в большинстве случаев рассчитать собственные резонансные частоты не представляется возможным, так как не всегда известны все переменные входящие в исходное выражение. Поэтому частоты либо определяют экспериментально, либо пользуются приближёнными методами расчётов для простейших систем с одной степенью свободы.

Примем (для упрощения расчёта), что линейная система с одной степенью свободы, в зарезонансной области является не демпфированной (D=0). При этом уравнение движения амортизируемого блока существенно упрощается.

Выражение, определяющее коэффициент динамичности примет вид:

		Ω 2 −1

Для расчёта собственных резонансных частот колебания необходимо знать массу объекта и коэффициент упругости амортизатора К (или статический прогиб δ СТ и

амплитуду вибросмещения основания А)

		f o =					250 A
			2 π				δ СТ
		ускорение свободного падения (g = 9810 мм/с2 );
	К - коэффициент упругости амортизатора (кг/мм);
		вес груза (кг);

А - амплитуда вибросмещения стола (мм);

δ СТ - статический прогиб (мм).

Отношение ζ = h ∑ / h кр называется относительным коэффициентом затухания.

Величина h kp вычисляется по формуле h кр = 2 k ∑ m

Наиболее полное представление о работе системы амортизации даёт её частотная характеристика, которая представляет собой график зависимости коэффициента динамичности от отношения частоты действующих колебаний к частоте собственных колебаний системы η = Ω / ω o .

С ростом частоты возмущающих колебаний после перехода через резонанс амплитуда вынужденных колебаний уменьшается (рис.П.3). Кроме того, чем меньше коэффициент демпфирования h, тем сильнее проявляется резонанс.

Применение демпфирования в системе приносит пользу вне резонансной области, снижая амплитуду вынужденного колебания. В резонансной области оно несколько ухудшает работу амортизации, так как увеличивает амплитуду колебаний по сравнению со случаем, когда h = 0.

Область частот η < 2 , где 1/ γ ≥ 1, является резонансной. С ростом частоты

η .

Таким образом, амортизаторы выполняют свою виброизолирующую функцию, лишь, когда частоты возмущающих колебаний не менее, чем в 2 раза больше частоты их собственных колебаний. Естественно, что в области резонанса амортизаторы ухудшают условия работы амортизируемого тела.

Поэтому, основное условие виброизоляции сводится к тому, чтобы собственная частота f o колеблющейся системы была меньше низшей частоты спектра воздействий.

Амортизаторы и их характеристики.

1. Общие требования, предъявляемые к конструкции амортизаторов.

Сложные динамические и климатические условия эксплуатации амортизированной РЭА в сочетании с жёсткими требованиями к надёжности её работы накладывают серьёзные ограничения на выбор амортизаторов.

Характеристики амортизаторов, их конструкции и материалы, из которых выполнены детали, - всё это должно соответствовать основному требованию обеспечения надёжной защиты аппаратуры от динамических воздействий.

При разработке амортизатора необходимо стремиться к тому, чтобы он не только обеспечивая удовлетворительную изоляцию вибрации и ударов, но и был компактным, стойким к различного рода климатическим и другим воздействиям, выдерживал значительное число циклов динамических и климатических воздействий без повреждения.

Вследствие того, что на современных транспортных средствах одновременно действуют как установившиеся вибрации, так и периодические удары, проблема конструирования амортизаторов бортовой РЭА является весьма сложной. Требования, предъявляемые к амортизаторам, предназначенным для защиты от ударов, часто не согласуются с требованиями к виброизолирующим амортизаторам.

Амортизаторы для изоляции вибрации и удара представляют собой две основные разновидности упругих амортизаторов. Они имеют различное назначение и не являются взаимно заменяемыми, хотя внешне и очень похожи. Для защиты бортовой аппаратуры чаще всего применяются виброизолирующие амортизаторы.

Всё многообразие технических требований, предъявляемых к амортизаторам, можно подразделить на три группы. Первая группа требований устанавливает параметры динамических воздействий, вторая – характеризует климатические условия эксплуатации и третья – параметры конструкции. В зависимости от частоты собственных колебаний все амортизаторы бортовой РЭА можно разделить на низкочастотные, среднечастотные,

высокочастотные и амортизаторы специального назначения.
	собственных колебаний номинально		нагруженного	амортизатора
направлении	не должна превышать для низкочастотного 3..4 Гц, для среднечастотного
8..10 Гц, для	высокочастотного 20..25	Гц, для специальных амортизаторов – любой из
указанных пределов в зависимости от назначения.
Диапазон частот возмущающих		колебаний,	в котором	амортизаторы

обеспечивать надёжную виброизоляцию аппаратуры, обычно составляет: для низкочастотных 5..2500 Гц, для среднечастотных 15..2500 Гц и для высокочастотных

Предельные значения вибрационного ускорения на высоких частотах не превышают 15g, максимальное ускорение многократного действия достигает 12g. Амортизаторы должны обеспечивать защиту бортовой радиоэлектронной аппаратуры от вибраций и ударов, действующих под любым углом к плоскости опорного основания.

Температура, давление, влажность, морской туман, пыль, плесневые грибки, радиация и другие виды внешних воздействий не должны оказывать существенного влияния на работу амортизатора.

По параметрам механической надёжности амортизаторы должны выдерживать воздействие вибрации в заданном диапазоне частот в течение времени, эквивалентного гарантийному сроку службы, и испытания на резонансной частоте при амплитуде смещения не менее 1 мм. После испытания на механическую надёжность амортизаторы должны сохранять свою работоспособность.

Конструкция амортизаторов должна обеспечивать возможность использования их как в опорной, так и подносной схемах нагружения, а также под углом. Для этого амортизаторы должны быть снабжены соответствующими фланцами с необходимым количеством отверстий для крепления на месте монтажа, а также соответствующими устройствами для крепления блоков или подблочных рам с помощью винтов.

Амортизаторы должны быть технологичными и рассчитаны на крупносерийное или массовое производство. Они должны обладать минимально возможным весом, удовлетворять удобству монтажа и быть взаимозаменяемыми.

Приведённые требования являются результатом опыта эксплуатации амортизированной аппаратуры и относятся к вновь разрабатываемым конструкциям амортизаторов.

Не все выпускаемые амортизаторы в одинаковой мере отвечают указанным требованиям.

Конструктивные схемы построения амортизаторов бывают самые разнообразные, но любой из них обязательно содержит упругий элемент (или упругие элементы), детали (или

деталь, обладающая большой податливостью и способная служить механическим фильтром частот колебаний. Он выполняется из эластичного материала (натуральной или синтетической резины), либо из пружинной стали или бериллиевой бронзы. Упругие элементы из эластичного материала имеют самую разнообразную форму. Обычно это монолит, работающий на сжатие, растяжение, сдвиг или кручение. Упругие металлические элементы могут изготавливаться в виде витой пружины (цилиндрической, конической или экспоненциальной), троса или металлической структуры (путанки или плетёнки из тонкой проволоки). Чаще всего они работают на сжатие, хотя известны и другие случаи

внутреннего трения в материале, как, например, в резине или металлических пружинах. Однако такое демпфирование обычно бывает слабым, особенно в пружинах.

Стремление увеличить демпфирование в амортизаторах, которые были бы нечувствительны к изменениям внешних условий, привело к появлению амортизаторов, имеющих специальные устройства для рассеяния энергии колебаний. Эти устройства рассеивают колебательную энергию в результате трения, возникающего при взаимном перемещении деталей. При этом возможно «вязкое» (воздушное или гидравлическое) или фрикционное («сухое») трение.

Следовательно, в зависимости от типа упругого элемента амортизаторы можно классифицировать на: резиновые и пружинные. По виду демпфирования - на амортизаторы с внутренним демпфированием в упругом материале, с воздушным, фрикционным и структурным демпфированием.

Таким образом, амортизаторы могут быть разделены на следующие четыре основные группы:

- резинометаллические амортизаторы,

- амортизаторы пружинные с воздушным демпфированием,

- амортизаторы пружинные с фрикционным демпфированием,

- цельнометаллические амортизаторы со структурным демпфированием.

В лабораторной работе, в качестве характеристик для всех используемых амортизаторов, взяты:

ном [Н];

- максимальное смещение d [мм];

- статический коэффициент жёсткости k [кг/мм];

- коэффициент демпфирования h [Нс/м].

2. Резинометаллические амортизаторы .

Резинометаллические амортизаторы являются наиболее ранними конструкциями,

разработанными для защиты бортовой аппаратуры. Широкое применение резины для изготовления амортизаторов объясняется присущими ей физико-механическими свойствами.

Резиновые изделия могут иметь любые размеры и разнообразную конфигурацию, путём вулканизации прочно соединяются с металлической арматурой, что позволяет изготовлять амортизаторы с различными характеристиками, в том числе и с нелинейными. Резинометаллические амортизаторы компактны, просты, несложны в производстве, могут быть установлены под любым углом к направлению действия нагрузки.

Резина способна выдержать большие относительные деформации, которые полностью или в очень значительной степени могут быть упругими, обладает внутренним трением, обеспечивающим поглощение энергии колебаний, когда они связаны с деформированием резиновых деталей конструкции. У различных марок резин эти свойства различны.

К недостаткам резинометаллических амортизаторов следует отнести сравнительно высокую частоту собственных колебаний (20..33 Гц). Резина не способна долгое время выдерживать большие деформации, по истечении некоторого времени характеристики амортизатора ухудшаются. Явление изменения физико-механических характеристик резин во времени известно под названием «старение». Старение является преимущественно химическим процессом. Оно происходит под влиянием атмосферных воздействий, солнечных лучей и различных агрессивных сред, например, паров топлива и масел. Скорость старения в значительной степени зависит от напряжённого состояния резины. Незащищённая поверхность резинового амортизатора, подвергнувшаяся старению, становится более твёрдой, теряет эластичность и прочность и покрывается мелкими волосовидными трещинами. Для защиты от старения резиновый массив амортизаторов иногда подвергают воскованию.

Резинометаллические амортизаторы в настоящее время находят весьма ограниченное применение в бортовой радиоэлектронной аппаратуре. Это объясняется в основном их температурными ограничениями и, в некоторой степени, недостаточным внутренним демпфированием. Однако возможности резинометаллических амортизаторов ещё далеко не исчерпаны.

Рис.П.4 Амортизатор типа «АЧ»

Об этом говорит не только обширная номенклатура выпускаемых серийных амортизаторов, но и обилие латентных заявок на амортизаторы, основным упругим

низких частотах до 0.002 мм на высоких частотах.

Амортизаторы относятся к группе среднечастотных, при номинальной нагрузке частота собственных колебаний в вертикальном направлении 10-15 Гц и в горизонтальном направлении 15-25 Гц.

К недостаткам амортизаторов можно отнести следующее. Резина плохо переносит действие радиации и солнечных лучей. После пребывания на солнце в течение 20 ч поверхность резинового массива покрывается мелкими трещинами, приводящими к разрушению амортизатора. Амортизаторы весьма чувствительны к низким температурам. При температуре около -30о С амортизаторы начинают затвердевать, упругость их уменьшается на 50%, жёсткость повышается, частота собственных колебаний возрастает. При температуре -60о С они полностью затвердевают и делаются непригодными для виброизоляции. Только после продолжительной работы при частоте 50 Гц и выше амортизаторы начинают немного разогреваться, при этом частично восстанавливаются их виброизолирующие свойства.

В результате старения резины при хранении амортизаторов в течение шести месяцев их жёсткость может увеличиться на 15%. Амортизатор обладает невысокой вибропрочностью и может выходить из строя из-за недостаточно прочного присоединения арматуры к резиновому массиву. Поэтому допустимое статическое напряжение на поверхности при вулканизации резины к металлической арматуре не превышает 35 Н/см2 . Средняя вибропрочность амортизатора составляет 40-50 ч.

3. Амортизаторы пружинные с воздушным демпфированием .

Если в резинометаллических амортизаторах резиновый массив работает и как упругий элемент, и как демпфирующий, то в пружинном амортизаторе с воздушным демпфированием эти функции разделены между двумя самостоятельными элементами. В качестве этого элемента такой амортизатор обычно имеет спиральную пружину с цилиндрическим, коническим или экспоненциальным профилем. Экспоненциальная пружина обеспечивает равночастотность амортизатора. Пружина, по существу, не обладает заметным внутренним трением. Её собственные колебания затухают очень медленно. Поэтому в амортизаторах стальная пружина заключена в резиновый баллончик с калиброванным

резинометаллические амортизаторы. Частоты собственных колебаний амортизаторов в

На более низких частотах наступает резонанс, воздушное демпфирование даже при нормальных окружающих условиях не обеспечивает полного эффекта.

Амортизаторы могут использоваться преимущественно в системах, обеспечивающих статическую нагрузку вдоль оси амортизатора. Вибрационную нагрузку в боковом направлении амортизаторы могут воспринимать при соблюдении некоторых ограничений. Использование воздуха в демпфере приводит к тому, что при изменении климатических условий (температура, влажность), а также при увеличении высоты полёта качество демпфирования значительно ухудшается и практически может совсем исчезнуть.

В лабораторной работе используются амортизаторы типа АД (рис.П.5).

Рис. П.5 Амортизатор типа АД.

В амортизаторах данного типа применена фасонная пружина, обеспечивающая равночастотность амортизатора, то есть при нагружении пружины различным весом (в

70о С. В условиях низких температур колебания амортизаторов иногда носят явно выраженный апериодический характер. Частоты собственных колебаний амортизаторов в условиях низких температур и пониженных давлений несколько возрастают вследствие увеличения упругости подмороженного резинового демпфера. Высокая температура окружающей среды, как показали исследования, на работу амортизаторов не влияет.

Амортизаторы АД могут работать при атмосферном давлении 190 мм Hg и влажности 95..98% при температуре +20о С.

Согласно техническим условиям амортизаторы предназначены для эксплуатации в

испытания и опыт эксплуатации показывают, что амортизаторы АД способны удовлетворительно работать в условиях вибрации до 2000 Гц при ускорении на высоких частотах до 10g.

В нормальных условиях частоты собственных колебаний нагруженных амортизаторов находятся в пределах 8..10 Гц. Испытания амортизаторов АД на ударную нагрузку выявили сравнительно удовлетворительные качества. Применяя эти амортизаторы, можно в некоторых случаях снизить ударные ускорения примерно в 2,8 раза.