Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современных систем защиты электронных средств от механических воздействий 10
1.1 Механические воздействия 11
1.1.1 Вибрация 11
1.1.2 Удары 17
1.1.3 Линейные ускорения 19
1.1.4 Акустический шум 20
1.2 Методы защиты РЭУ от вибраций 21
1.2.1 Пассивные методы защиты 25
1.2.2 Активные методы защиты 25
1.2.3 Смещение спектра собственных резонансных частот 28
1.3 Средства защиты РЭУ от вибраций 32
1.3.1 Классификации средств вибрационной защиты РЭУ 32
1.3.2 Пассивные средства вибрационной защиты РЭУ 38
1.3.3 Активные средства вибрационной защиты РЭУ
1.4 Условия возникновения резонанса. Применение метода фазового рассогласования в механических системах 45
1.5 Вывод по главе 1 47
Глава 2. Разработка методики управления и алгоритма формирования вибрационных сигналов обратной связи для информационно-измерительной системы активной виброзащиты РЭУ 48
2.1 Аналитическая модель фазового рассогласования точек крепления объекта виброзащиты 48
2.2 Способ снижения величины вибрационных нагрузок в РЭУ 57
2.3 Методика управления информационно-измерительной системой активной виброзащитой РЭУ 60
2.4 Алгоритм формирования вибрационных сигналов обратной связи для информационно-измерительной системы управления активной виброзащитой РЭУ 64 2.5 Вывод по главе 2 75 CLASS Глава 3. Разработка информационно-измерительной системы управления активной виброзащитой РЭУ 77 CLASS
3.1 Структурная схема информационно-измерительной системы управления активной виброзащитой РЭУ 77
3.2 Разработка активного амортизатора с интегрированным первичным преобразователем информационно-измерительной системы активной виброзащиты РЭУ 83
3.3. Методика расчета подвеса активного амортизатора информационно-измерительной системы управления активной виброзащитой РЭУ 85
3.4 Вывод по главе 3 90
Глава 4. Экспериментальные исследования информационно измерительной системы управления активной виброзащитой РЭУ 91
4.1 Экспериментальные исследования активного амортизатора 92
4.2 Экспериментального исследования динамических характеристик электронного блока управления 94
4.3 Имитационное моделирование работы электронного блока управления 97
4.4 Экспериментальные исследования эффективности работы информационно-измерительной системы управления активной виброзащитой РЭУ 99
4.5 Вывод по главе 4 102
Заключение 104
Список использованных источников 106
- Акустический шум
- Методика управления информационно-измерительной системой активной виброзащитой РЭУ
- Разработка активного амортизатора с интегрированным первичным преобразователем информационно-измерительной системы активной виброзащиты РЭУ
- Экспериментального исследования динамических характеристик электронного блока управления
Акустический шум
Сложность задачи защиты РЭУ от механических воздействий обусловлена тем, что, несмотря на непрерывное повышение надежности элементной базы (конденсаторов, резисторов, микросхем и других элементов), интенсивность механических воздействий возрастает быстрыми темпами из-за увеличения скоростей подвижных объектов [7-10].
Кроме того, в узлах и блоках РЭУ, представляющих собой сложные конструкции, могут возникать резонансные явления, усиливающие механические нагрузки в несколько раз [11-13].
Под вибрацией аппаратуры понимают механические колебания е элементов или конструкции в целом. Вибрация может быть периодической и случайной. В свою очередь, периодическая вибрация может быть гармонической и полигармонической, а случайная нестационарной, узкополосной и широкополосной [14].
Гармоническая вибрация (рис. 1.3, а) редко встречается в реальных условиях, но широко используется при лабораторном анализе и испытаниях, она важна также при определении динамических характеристик конструкций РЭУ, которые используются для нахождения реакции системы при более сложных формах вибрации [15].
Полигармоническую вибрацию создают электромеханические устройства, имеющие несбалансированные быстровращающиеся массы. Такую вибрацию, как показано на рисунке 1.4, можно разложить на сумму гармонических составляющих [16].
Вибрация, параметры которой (амплитуда виброперемещения, частота и др.) изменяются во времени случайным образом, называется случайной. Она может быть стационарной и нестационарной [17]. У стационарной вибрации математическое ожидание виброперемещения равно нулю, математическое ожидание виброскорости и виброускорения постоянны, корреляционная функция не зависит от начала отсчета. У нестационарной вибрации постоянства статических характеристик не наблюдается. К такому виду можно отнести вибрацию, возникающую при движении транспортных средств, при работе реактивных двигателей [18, 19].
Для многих видов РЭУ наиболее опасной является широкополосная вибрация, поскольку она приводит к возникновению резонансных колебаний таких элементов РЭУ как ячейки, под которыми понимаются печатные платы с расположенными на них ЭРЭ [6]. Виброускорения при этом возрастают в десятки раз, что обусловлено наличием у ячеек низкой жесткости в направлении перпендикулярном их плоскости [1, 20]. Обычно ячейки площадью от 60 до 180 см2 имеют собственную частоту колебаний порядка всего 100-300 Гц. В то же время аппаратура, устанавливаемая на подвижных объектах на гусеничном ходу подвергаются вибрации в диапазоне до 500 Гц, что приводит к возникновению резонансных колебаний ячеек [3, 21].
Колебания ячеек РЭУ и прежде всего резонансные колебания могут привести к трем отрицательным явлениям: 1 – амплитуда виброускорения в одной или нескольких точках платы превысят допустимые значения, указанные в ТУ на ЭРЭ, то есть не будет обеспечена устойчивость работы ЭС. 2 – резонансные колебания ячеек приведут к усталостным явлениям в электрических выводах ЭРЭ и, как следствие, к уменьшению долговечности выводов ЭРЭ и РЭУ в целом [9]. 3 – большие ускорения при резонансе ячеек приводят вследствие изменения характеристик ЭРЭ за счет проявления тензорезистивного эффекта в полупроводниковых материалах, изменения магнитной проницаемости ферритов и т.д., к изменению параметров сигналов ЭС, то есть возникновению нестабильности за счет появления виброшумов.
Устранение резонансных колебаний ячеек и других элементов РЭУ или снижение их до допустимого уровня составляют одну из важнейших задач разработчиков РЭУ, применяемых в условиях интенсивного воздействия вибраций [1, 22].
Помимо вибрационных воздействий, на РЭУ могут оказывать влияние и ударные воздействия, возникающие при транспортировке или эксплуатации. Во время удара на элементы РЭУ прикладываются нагрузки в течение короткого промежутка времени . Вследствие чего возникают ускорения элементов РЭУ, которые могут достигать больших значений и вызывать повреждения. Интенсивность ударного воздействия зависит от амплитуды, формы и длительности ударного импульса [23, 24]. Формой ударного импульса называется зависимость ударного ускорения от времени a(t) (рис. 1.6).
При расчете ударных воздействий форму ударного импульса для упрощения идеализируют, заменяя ее подходящей более простой формой (прямоугольной, треугольной, полусинусоидальной). При замене реального импульса идеализированным особое внимание обращается на крутизну фронта, так как от них зависит «жесткость» удара. Амплитудой импульса называют максимальное значение ударного ускорения A, а длительностью – интервал времени действия импульса . Эти три характеристики a(t), A и задаются обычно для расчета ударных воздействий и конструирования средств защиты [25].
Методика управления информационно-измерительной системой активной виброзащитой РЭУ
Виброизоляторы пространственного нагружения (АПН) предназначены для работы при нагрузках, действующих как вдоль оси виброизолятора, так и в поперечном направлении или под углом. Упругий элемент виброизолятора состоит из двух конических пружин одинаковой жесткости и, следовательно, имеет симметричную характеристику. Профиль пружин обеспечивает равночастотность виброизолятора. Под нижней пружиной установлена сетчатая подушка – ограничитель ударных нагрузок [1].
Демпфирование колебаний осуществляется с помощью фрикционного демпфера. Продольные колебания демпфируются за счет трения сухарей демпфера о стенки корпуса виброизолятора, поперечные – за счет их трения об опорные шайбы. Максимальное демпфирование наблюдается на резонансных частотах (10 – 20 Гц) и соответствует значению = 0,4 – 0,5. С увеличением частоты коэффициент демпфирования снижается, что благоприятно сказывается на виброизоляции в зарезонансной области.
Виброизоляторы АПН рассчитаны на нагрузки от 10 Н до 15 Н, вибрацию любого направления в диапазоне частот от 30 Гц до 200 Гц при максимальном ускорении до l5g, ударных ускорениях до 12g и линейном ускорении вдоль оси виброизолятора до 15g, при температуре от – 60 C до +150 C [62].
Цельнометаллические виброизоляторы со структурным демпфированием. К данной группе относятся виброизоляторы типа АЦП, АРМ, ДК. В качестве примера рассмотрен виброизолятор АЦП.
Упругим элементом сетчатого виброизолятора АЦП является подушка, отформованная штамповкой из тонкой стальной спирали. Для навивки спирали используют бериллиевую бронзу или легированную сталь, что обеспечивает работу виброизолятора в широком диапазоне температур и в условиях агрессивных сред. Конструкция виброизолятора зависит от формы упругого элемента [1].
Упругий элемент из сетки благодаря трению между проволочками при деформации обладает высокими демпфирующими свойствами, близкими к свойствам резины (поэтому материал получил условное наименование МР – металлическая резина). Виброизоляторы из МР имеют достаточно высокую ударную прочность. Основным недостатком виброизоляторов из МР является низкая стабильность характеристик вследствие усадки сетчатого элемента под нагрузкой. В связи с этим более рациональным считаются пружинно-сетчатые виброизоляторы, у которых основным несущим элементом является пружина, а сетчатая подушка – демпфирующим элементом [63].
Электрогидравлическая система активной виброизоляции. Для активной виброзащиты на практике наиболее широко используют электрогидравлические системы дроссельного регулирования, обладающие сравнительно высоким быстродействием [64-66]. Активные электрогидравлические системы виброзащиты в настоящее время принято разделять по признаку установки акселерометра [67-70]: 1. Если акселерометр устанавливается на каркасе системы, при этом в качестве основного управляющего сигнала используется сигнал, снимаемый с акселерометра, то такая система является системой управления по отклонению выходной величины, т.е. системой с управлением по сигналу ускорения объекта виброзащиты 2. Если акселерометр устанавливается на основании, то это – система управления по возмущающему воздействию. 3. Если сигнал снимается с акселерометра, который установлен как на основании, так и на каркасе системы, то это электрогидравлическая система с комбинированным управлением. Достоинства применения электрогидравлических систем виброзащиты активного типа обусловлено: 1. Возможностью эффективно гасить низкочастотные колебания. 2. Возможностью гибкого формирования амплитудно-частотных характеристик системы виброзащиты. 3. Возможностью создания активных электрогидравлических систем виброзащиты из готовых стандартных элементов, применяющихся в других аналогичных системах. 4. Удобством при отработке алгоритмов управления. 5. Возможностью оперативного и простого изменения параметров электрогидравлических систем виброзащиты в процессе настройки благодаря изменению параметров электрической системы управления.
Основным недостатком электрогидравлических систем виброизоляции является нестабильность свойств рабочей жидкости, зависящих от эмульсирования жидкости воздухом и от температуры. Последнее обстоятельство резко повышает сжимаемость жидкости и существенно влияет на динамическую характеристику системы.
Пневматическая система активной виброизоляции. Пневматические системы могут иметь различную конструкцию. В одних случаях используются проточные камеры, давление в которых изменяется с помощью различных дроссельных устройств; в других – исполнительным органом может являться цилиндр двойного действия, давление, в камерах которого регулируется струйным или золотниковым распределительным устройством.
В системах такого рода кроме рабочих камер, объем которых ограничен подвижным элементом, используются камеры постоянного объема, соединяющиеся дросселями с рабочими камерами [71].
Т.к. существует обратная связь по смещению, то выходное усилие возбудителя является функцией интеграла относительного смещения. Управление по интегралу от смещения эффективно только на низких частотах. Поэтому обратная связь по смещению используется для позиционирования защищаемого объекта. Качество защиты от ударов и вибраций определяется жесткостью пневматической системы.
Пневматические системы используются для компенсации медленно меняющихся нагрузок и гашения вибраций низкой частоты. Они характеризуются большими усилиями, обширными возможностями управления, которые обеспечиваются электромеханическими датчиками, а также высокой надежностью при эксплуатации.
Электромагнитная система активной виброизоляции. Такой вид систем обладает малой инерционностью и позволяет в широких пределах варьировать амплитудно-частотные характеристики, что и отличает такую систему от пневматических систем, которые позволяют получать небольшие величины статической жесткости [71].
Разработка активного амортизатора с интегрированным первичным преобразователем информационно-измерительной системы активной виброзащиты РЭУ
Генератор (Г) по разработанному алгоритму (рис. 2) сдвигает фазу каждого канала на необходимый угол. После цифро-аналоговых преобразований (ЦАП) сигналы, проходя через усилители (У1, У2 и У3), поступают на активные амортизаторы и, благодаря суммированию сигналов, выводится сигнал необходимого уровня на объект виброзащиты.
Конструкция ИИС управления активной виброзащитой РЭУ в соответствии с предложенной схемой показана на рисунке 3.3. Электронный блок ИИС управления активной виброзащитой расположен на дне платформы, на которой крепится объект виброзащиты. Это предназначено для того, чтобы защищать от резонансных вибрационных воздействий не только объект виброзащиты, но и сам электронный блок управления.
Из рисунка видно, что амортизаторы в размере четырех штук существующей системы расположены в углах платформы, на которую устанавливаются объект виброзащиты. Габаритные размеры обеих систем ограничиваются габаритными размерами самой платформы. Отличительной особенностью предложенной ИИС управления активной виброзащитой РЭУ является присутствие блока управления, но как видно из рисунка 3.3, он не влияет на габаритные показатели всей системы в целом, т.к. устанавливается на обратную стороны платформы параллельно объекту виброзащиты.
Таким образом, разрабатываемая ИИС управления активной виброзащитой по габаритным показателям не уступает существующим системам виброзащиты. Недостатком разрабатываемой ИИС является отсутствие необходимых амортизаторов с первичным преобразователем и, позволяющих складывать сигнал, исходящий непосредственно от источника вибрации, с преобразованным сигналом. 3.2 Разработка активного амортизатора с интегрированным первичным преобразователем информационно-измерительной системы управления активной виброзащитой РЭУ
Существующие типы амортизаторов рассмотрены в главе 1 настоящей работы. Их общий недостаток для применения в разработанной системе следует с вести к отсутствию интегрированного измерительного элемента [43, 44].
Поэтому идея создания нового типа виброамортизатора заключается в совмещении активной электромагнитной системы виброизащиты, отличающейся быстродействием, высокой стабильностью работы и пружинного пассивного амортизатора, отличающейся относительной простотой конструкции по сравнению с аналогичными системами (рис. 3.5). Толкатель
Виброамортизатор с первичным преобразователем состоит из катушки индуктивности, закрепленной на штоке в постоянном магнитном поле, с помощью которой измеряется значение амплитуды внешнего вибрационного воздействия, поступающее на амортизатор. Шток закреплен на верхнем и нижнем подвесах, которые играют роль мембран для развязки механических колебаний, воздействующих на шток и постоянные магниты. Сигнал с измерительной катушки индуктивности, амплитуда которого изменяется в противофазе с внешней вибрацией, поступает в функциональный преобразователь, в котором осуществляется усиление сигнала по амплитуде, вводится фазовое рассогласование, а также происходят цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразования. С выхода блока обработки сигнал направляется на задающую катушку индуктивности, расположенную на том же штоке, что и измерительная катушка, но в магнитном поле второго постоянного магнита. В результате возбуждается вибрационное воздействие, сдвинутое по фазе относительно входного воздействия. Наложение двух вибрационных сигналов на один шток обеспечивает компенсирующий эффект, гасящий внешнее вибрационное воздействие и снижающий амплитуду вибраций РЭУ в целом. Особо значителен эффект виброгашения на резонансных частотах.
Как уже отмечалось, устройство снабжено верхним и нижним повесами, выполняющими три функции: 1 - балансировка общего стержня, на который закреплены обмотки;; 2 - играют роль пассивных амортизаторов, способных гасить вибрации на высоких частотах; 3 - несущая часть объекта защиты. Благодаря жесткому соединению измерительной и задающей обмоток происходит сложение двух сигналов: исходного и инвертированного: f(t) = + 4cos( u0t + pl)+A2cos( u0t + p2), где (р1,ф2 - начальная фаза первого и второго сигнала, - круговая частота, А1, А2 - амплитуда первого и второго сигнала. В результате чего, получаемый сигнал по амплитуде в несколько раз меньше исходного.
Одной из центральных задач, решаемых входе проводимых исследований по разработке конструкции амортизатора, это задача разработки методики расчета оригинального подвеса, примененного в данной конструкции.
Одним из основных элементов активного амортизатора, требующих отдельного расчета – пружинные подвесы, через которые передается вибрация с основания на первичный преобразователь и с задающей катушки на толкатель [45].
Так как активные амортизаторы должны устанавливаться по схеме системы амортизации с двумя плоскостями симметрии (глава 2, раздел 2.3), то подвесы должны выдерживать вес объекта виброзащиты, направленный на амортизаторы вертикально вниз. При этом не исключено воздействие сил направленных под некоторым углом к оси штока активного амортизатора.
Существует множество типов подвесов: пружинные, тросиковые, крестообразные, балочные, спиралевидные и т.д. [99-101] Выберем тип, который будет соответствовать предъявляемым требованиям в наибольшей степени. Балочные подвесы (рис. 3.6) наименее приспособлены к условиям вертикального вибровоздействия по нескольким причинам:
У балочных подвесов высокая сила прогиба, в связи с чем, вес, который они выдерживают минимален, по сравнению с другими типами. Увеличение толщины приведет лишь к увеличению расходуемого материала, а так же к увеличению высоты самого активного амортизатора
Экспериментального исследования динамических характеристик электронного блока управления
При имитационном моделировании реализующий модель алгоритм воспроизводит процесс функционирования системы во времени. Имитируются элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени [104]. Основным преимуществом имитационных моделей по сравнению с аналитическими является возможность решения более сложных задач [108]. Имитационные модели позволяют легко учитывать наличие дискретных или непрерывных элементов, нелинейные характеристики, случайные воздействия и др. Поэтому этот метод широко применяется на этапе проектирования сложных систем [53, 109]. Основным средством реализации имитационного моделирования служит ЭВМ, позволяющая осуществлять цифровое моделирование систем и сигналов.
Цель имитационного моделирования состоит в разработке симулятора исследуемой предметной области для проведения различных экспериментов. Имитационное моделирование позволяет имитировать поведение системы во времени. Причм плюсом является то, что временем в модели можно управлять: замедлять в случае с быстропротекающими процессами и ускорять для моделирования систем с медленной изменчивостью [86].
Для проведения имитационного моделирования воспользуемся Proteus 7.8. Воспользовавшись данным пакетом программ нам удалось создать имитационную модель работы информационно-измерительную систему активной виброзащиты РЭУ для микроконтроллера ATMega 128 (рис. 4.9).
Результаты имитационного моделирования работыинформационно-измерительной системы активной виброзащиты РЭУ в среде Proteus 7.8 Proteus 7.8 – пакет программ для автоматизированного проектирования электронных схем. Пакет предназначен для полного цикла разработки электроники, создания схем радиоэлектронных устройств, моделирования аналоговых и цифровых электронных устройств. Пакет представляет собой систему схемотехнического моделирования, базирующуюся на основе моделей электронных компонентов принятых в PSpice. Proteus 7.8 позволяет довольно реалистично имитировать микроконтроллеры и всю схему в коей они работают.
Из рисунка 4.9 видно, что существует возможность преобразования исходного вибрационного воздействия в четыре (согласно схеме крепления) канала вибраций, фаза которых смещена относительно друг друга на 90. Тем самым обосновано использование микроконтроллера ATMega 128 для смещения фаз вибрационного воздействия на 90 относительно каждого канала.
Экспериментальные исследования эффективности работы ИИС управления активной виброзащитой РЭУ Проведенные экспериментальные исследования, описанные в пунктах 4.2, 4.3, показали возможность проведения экспериментального исследования эффективности работы информационно-измерительной системы управления активной виброзащитой РЭУ в целом. Для итогового экспериментального исследования было выбрано то же самое оборудование, которое применялось в предыдущих исследованиях.
Объектом исследования является информационно-измерительная система управления активной виброзащитой РЭУ, которая устанавливалась на вибростенд. К ОИ был прикреплен комплекс управления специального назначения (разрабатываемым в ОАО «Радиозавод»), выступающий в роли объекта виброзащиты. Схема расположения ОИ показана на 4.10 – Схема расположения объекта исследования на вибростенде
Для подтверждения теоретических положений проводилось 3 эксперимента, при этом задавались синусоидальные колебания в точки крепления с разными фазами (рис. 4.11) [110-112]. Показания снимались в центральной точке объекта виброзащиты, т.к. в этой точке была обнаружена максимальная амплитуда на первой резонансной частоте (112 Гц).
Проведенные экспериментальные исследования информационно-измерительной системы управления активной виброзащитой РЭУ показали, что: - рабочий диапазон, при котором возможна стабильная работа виброамортизатора, лежит в диапазоне от 10 до 1000 Гц, что соответствует группам эксплуатации В4 – возимая, устанавливаемая в автомобилях, на мотоциклах, в сельскохозяйственной, дорожной и строительной технике (от 10 до 70 Гц), и В5 – возимая, устанавливаемая в подвижных железнодорожных объектах (от 10 до 100 Гц) (ГОСТ 16019-2001). – обосновано использование микроконтроллера ATMega 128 для смещения фаз вибрационного воздействия на 90 относительно каждого канала. –при изменении фаз в точках крепления на резонансной частоте амплитуда колебания снизилась более чем в 9 раз.
