Обеспечение виброустойчивости и вибропрочности АРЭО

Защита АРЭО от механических воздействий.

Конструктивные приемы охлаждения аппаратуры

Улучшить передачу тепла от теплонагруженных элементов к холодным и теплоемким деталям конструкции можно за счет снижения тепловых сопротивлений. Малые тепловые сопротивления внутри участков блока от корпуса ко всем элементам конструкции способствуют выравниванию температуры внутри блока, что приводит к повышению надежности АРЭО.

В некоторых случаях передача тепла теплопроводностью является единственным возможным способом. Это касается герметичных блоков с высокой плотностью заполнения. Большое значение имеют тепловые контакты в соединительных узлах мощных транзисторов с радиаторами. Если между металлическими поверхностями находится изоляционная прокладка, то тепловое сопротивление увеличивается в сотни раз.

В конструкционном соединении теплопроводность контакта будет зависить от шероховатости поверхностей соединяемых элементов, от контактного давления и соединяемых материалов. Загрязнения, неровности нарушают тепловой контакт. Контактное тепловое сопротивление может быть уменьшено за счет применения материалов с большой теплопроводностью, выбора более пластичных материалов, уменьшения шероховатости соединяемых поверхностей с одновременным увеличением давления. Металлами, обеспечивающими малое тепловое сопротивление, являются медь и алюминий.

Конструкция, в которой используется принудительная воздушная вентиляция, должна отвечать следующим требованиям:

- малое аэродинамическое сопротивление протекающему воздуху;

- хороший доступ холодного воздуха к теплонагруженным элементам;

- защита внутреннего объема от пыли;

- автоматическое отключение блока при выходе из строя системы принудительной вентиляции.

Подробно теплофизическое конструирование радиоаппаратуры представлено в специальной литературе и в учебниках по конструированию РЭА, в частности, [6], [7], [8], [9].

Все виды РЭА подвергаются воздействию внешних механических нагрузок, которые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию. Механические воздействия имеют место в работающей РЭА, если она установлена на подвижном объекте, или только при транспортировке ее в нерабочем состоянии. В случае стационарной и некоторых видов возимой РЭА.

Различают два понятия: вибрационная устойчивость и вибрационная прочность. Вибрационная устойчивость – свойство объекта при заданной вибрации выполнять заданные функции и сохранять значения своих параметров в пределах нормы. Вибрационная прочность – прочность при заданной вибрации и после прекращения ее.

Воздействие транспортной тряски складывается из ударов и вибраций. Введение амортизаторов между РЭА и объектом в качестве среды, уменьшающей амплитуду передаваемых колебаний и ударов, снижает действующие на РЭА механические силы, но не уничтожают их полностью.

В некоторых случаях образованная с введением амортизаторов резонансная система влечет за собой возникновение низкочастотного механического резонанса, который приводит к увеличению амплитуды колебаний РЭА. При этом значительно усиливаются нагрузки, передаваемые на конструкцию РЭА. Элементы конструкций РЭА обладают своими механическими резонансными частотами. В зависимости от массы и жесткости закрепления элементов может в широких пределах меняться их механическая резонансная частота. Колебания элементов конструкции могут вызвать чрезмерное механическое напряжение, влекущее за собой недопустимые деформации, либо разрушение.

При разработке конструкции РЭА необходимо обеспечить требуемую жесткость и механическую прочность ее элементов. Жесткость конструкции есть отношение действующей силы к деформации конструкции, вызванной этой силой. Под прочностью конструкции понимают нагрузку, которую может выдержать конструкция без остаточной деформации или разрушения. Повышение прочности конструкции РЭА связано с усилением ее конструктивной основы, применением ребер жесткости, контровки болтовых соединений и.т.д. Особое значение имеет повышение прочности несущих конструкций и входящих в них узлов методами заливки и обволакивания. Заливка пеноматериалом позволяет сделать узел монолитным при незначительном увеличении массы.

Во всех случаях нельзя допускать образования механической колебательной системы. Это касается крепления монтажных проводов, микросхем, экранов и других частей, входящих в РЭА. Любой блок радиоаппаратуры, с точки зрения механических колебаний, может быть представлен в виде совокупности масс, соединенных с несущими конструкциями блока механическими упругими связями. В этом случае каждая масса при определенных условиях способна совершать колебательные движения. Эти колебания будут характеризоваться амплитудой и частотой. По характеру эти колебания могут быть свободными или вынужденными. Вынужденные колебания будут происходить с частотой возмущающих колебаний во время действия этих колебаний. Собственные колебания происходят после прекращения возмущающих колебаний.

Частотный диапазон механических нагрузок, усилия и ускорения при динамических ударных нагрузках, линейные нагрузки, которые будут действовать на аппаратуру в процессе эксплуатации, конструктор знает из технического задания на проектирование либо из условий эксплуатации носителя, на котором будет установлена РЭА.

Причинами отказов аппаратуры в результате действия вибрационных нагрузок могут являться ложные срабатывания реле, нарушение контактов, изменение емкости переменных и подстроечных конденсаторов. Вибрационные нагрузки могут вызвать ослабление механических соединений и креплений отдельных элементов конструкции, в подвижных соединениях может наблюдаться повышенный износ. Периодически действующие ударные импульсы могут вызвать повреждения и отказы того же характера.

Чаще всего причиной поломок элементов конструкции является усталость материала, которая накапливается при длительном воздействии знакопеременных нагрузок при вибрации. Усталостные явления проявляются быстрее при больших механических напряжениях, возникающих в конструкциях. Это говорит о том, что основную опасность представляют колебания с большими амплитудами, в частности механический резонанс.

Основные конструктивные приемы, которыми пользуется конструктор для обеспечения нормального функционирования РЭА при больших механических нагрузках на носители, следующие: отстройка системы от резонанса путем изменения упругой жесткости или массы РЭА; уменьшение амплитуды колебаний аппаратуры при возникновении механического резонанса путем демпфирования системы; уменьшение амплитуды колебаний на РЭА путем применения элементов вибро - и удароизоляции.

Для выбора метода защиты аппаратуры от механических нагрузок составляют на основе реальной конструкции ее механическую модель, анализируя которую и решают вопрос о наиболее рациональном методе защиты.

Параметры колебаний отдельных масс блока и блока в целом могут быть определены аналитически, но для сложных систем такие расчеты оказываются слишком громоздкими. Поэтому всегда при инженерных расчетах стремятся ввести некоторые упрощения. Это приводит к снижению точности расчетов, но зато дает большую экономию времени, что важно при жестких сроках проектирования.

Аналитические методы позволяют: 1) выявить физическую сущность явлений при колебаниях различных механических систем; 2) проанализировать зависимость параметров колебательных систем от различных внешних воздействий; 3) рассчитать основные характеристики и параметры системы в процессе проектирования.

Определение механических нагрузок, действующих на аппаратуру, начинается с определения собственных резонансных частот устройства. Если аппаратура установлена на амортизаторах, то характеристики упругой жесткости и демпфирования будут определяться параметрами амортизаторов. При непосредственном креплении несущих конструкций РЭА на носителе жесткость системы находится на основе анализа элементов крепления и несущей конструкции устройства.

Рассмотрим методику определения собственных резонансных частот блока, имеющего упругие связи с носителем. В общем случае система имеет шесть степеней свободы и, следовательно, может совершать шесть различных колебаний, из которых три будут линейными колебаниями, а три крутильными. Основными параметрами, которыми обычно характеризуются гармонические колебания блоков, будут: f – частота, Гц; А_х – амплитуда ускорения, м/с², А_v – амплитуда скорости, м/с; А_w - амплитуда ускорения, м/с²; А_r – скорость нарастания ускорения или динамическая перегрузка, м/с³.

Эти параметры связаны между собой:

где w = 2pf

Для расчета защиты от механических воздействий необходимы следующие исходные данные:

1. Параметры механических воздействий на носителе (диапазон частот вибрационных колебаний; амплитудные значения ускорения в направлении действующей вибрации; продолжительность действия вибрации; скорость изменения частоты вибраций; уровень и направление действия линейных перегрузок; уровень, форма и длительность действия ударных импульсов; число ударных импульсов и частота их следования; высота возможного падения аппаратуры на некоторое основание, параметры которого оговариваются особо).

2. Параметры внешней среды (предельная температура окружающей среды; температура и время пребывания РЭА при максимальной относительной влажности; диапазон возможных изменений атмосферного давления; срок эксплуатации и время складского хранения аппаратуры; условия транспортировки РЭА).

3. Конструктивные параметры аппаратуры (масса и положение центра масс; момент инерции относительно главных осей; основные габаритные и присоединительные размеры).

4. Допустимые динамические воздействия на РЭА (амплитуды перемещения и ускорения; коэффициент динамичности (виброизоляции) в заданном диапазоне частот).

5. Статические и динамические характеристики амортизаторов

При решении конкретной задачи не все из перечисленных параметров могут быть необходимы или известны. Число параметров определяется в зависимости от условий конкретной задачи.

Изготавливать узлы РЭА настолько прочными, чтобы они противостояли различным механическим воздействиям, нецелесообразно, поскольку увеличение прочности конструкции в конечном итоге приводит к увеличению массы и, как следствие, - к росту динамических перегрузок. Поэтому основным способом изоляции РЭА от вибраций и ударов является установка аппаратуры на опоры в виде резиновых, металлорезиновых и металлопружинных амортизаторов.

Основные частотные характеристики амортизаторов приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Вид амортизатора	Частота собственных колебаний в нагруж. состоянии	Диапазон возмущающих колебаний, подвергающих виброизоляции
Низкочастотные		5-60
Среднечастотные	8-12	15-600
Высокочастотные	20-30	35-2000

Противоударные амортизаторы изолируют радиоаппаратуру от механической перегрузки таким образом, что собственная частота системы /прибор на амортизаторах/ становится выше частоты вынужденных колебаний, противовибрационные приводят систему в состояние, когда ее частота становится ниже частоты вынужденных колебаний. Поэтому в большинстве случаев вибрации РЭА изолируются среднечастотными, а удары – высокочастотными амортизаторами. Следует отметить, что виброзащищенная РЭА сравнительно легко переносит удары; в то же время РЭА, защищенная от ударов, вибрации переносит плохо.

Дата добавления: 2015-05-29