Тихоненков В.А. Конструирование и надежность измерительно-вычислительных комплексов летательных аппаратов

141

Рис. 7.3б. Схему, при которой амортизаторы расположены в плоскости

проходящей через центр тяжести блока, целесообразно использовать в усло-

виях пространственного нагружения, что позволяет уменьшить колебания по

горизонтальным осям, развязывая колебания в соответствии с осями симмет-

рии. Наиболее выгодное расположение амортизаторов на расстоянии от цен-

тра тяжести равном радиусу инерции. Однако это не всегда удается из-за зна-

чительного увеличения габаритов.

Рис. 7.3в. Не ухудшаются характеристики, если плоскость установки

амортизаторов проходит через центр тяжести, но не в горизонтальной плос-

кости. При этом жесткость системы амортизации увеличивается и уменьша-

ются требуемые зазоры. Однако уже при незначительных отклонениях от

центра тяжести будут возбуждаться вращательные колебания.

Рис. 7.3г. Монтаж в двух горизонтальных плоскостях обычно использу-

ют при защите блоков РЭА у которых отношение высоты к ширине больше 2-

х. Установка амортизаторов в верхней плоскости обеспечивает дополнитель-

ные точки опоры. Однако, если амортизаторы расположить несимметрично

относительно центра, то все режимы будут связаны и возникнут вращатель-

ные колебания.

Рис. 7.3д. Схема двухстороннего монтажа применяется, если амортиза-

торы расположены навстречу друг другу. Они обеспечивают защиту от воз-

действия внешних сил во всех направлениях. Амортизаторы предварительно

нагружены, что делает систему более жесткой.

Рис. 7.3е. Схема монтажа амортизаторов под углом к осям симметрии

блока наиболее пригодна для пространственных колебаний, но вместе с тем

она наиболее сложная, так как при незначительном нарушении симметрии в

системе возникают шесть связанных видов собственных колебаний (три по

осям и вращательные вокруг каждой оси).

Рис. 7.3ж. Схема расположения амортизаторов по осям (под углом)

сверху и снизу блока позволяет (если центр жесткости СА совпадает с цен-

тром тяжести блока) уравновесить все действующие силы и вращательные

движения при этом будут минимальными.

3 этап.

На третьем этапе проектирования СА проводится выбор типа амортиза-

торов, при этом, в первую очередь учитываются параметры окружающей сре-

ды, такие как, интервал рабочих температур, максимальная относительная

влажность, атмосферное давление, радиация и т.д. наиболее жёсткие требова-

ния предъявляются к амортизаторам, предназначенным для защиты РЭА, ус-

танавливаемой на летательных аппаратах [17]. Амортизаторы самолётной ап-

паратуры должны быть работоспособны при перепаде температур от –60

0

до

+60

0

C, атмосферном давлении около 5,3 .10 Па (40 мм. рт. ст.) и относитель-

ной влажности до 98%. К амортизаторам ракетного оборудования предъяв-

142

ляются ещё более жёсткие требования, вибрационная перегрузка составляет

5…10q при частоте вибраций до 8000 Гц. Амортизаторы корабельной аппара-

туры должны работать при температурах –5…+80

0

C в условиях возможного

обливания маслом, топливом, морской водой [18]. Кроме требований, опре-

деляемых условиями эксплуатации, амортизаторы любого типа должны обла-

дать небольшими габаритами и весом.

Конструктивные схемы амортизаторов бывают самые разнообразные [16,

19, 21]. Большинство из них гостировано и нормализовано, но любой из

амортизаторов обязательно содержит упругий элемент, демпфирующий эле-

мент и детали внешнего оформления, служащие для крепления амортизато-

ров. В зависимости от типа упругого элемента амортизаторы классифициру-

ются на резиновые и пружинные, а по виду демпфирования – на амортизато-

ры с внутренним демпфированием в упругом материале, с воздушным, фрик-

ционным и структурным демпфированием. В зависимости от частоты

собственных колебаний все амортизаторы бортовой РЭА подразделяются на

низкочастотные, среднечастотные высокочастотные и амортизаторы специ-

ального назначения. Частота собственных колебаний номинально нагружен-

ного амортизатора в осевом направлении не должна превышать для низкочас-

тотного 3…4 Гц, для среднечастотного 8…10 Гц, для высокочастотного

20…25 Гц, для специальных амортизаторов – любой из указанных пределов в

зависимости от назначения.

Все амортизаторы могут быть разделены на следующие четыре основ-

ные группы [37]:

1. Резинометаллические амортизаторы, типа АП, АЧ, АР, АН и АКСС,

являются в основном средне и высокочастотными. Из зарубежных резиноме-

таллических амортизаторов наиболее широко используются амортизаторы

типа Lord;

2. Амортизаторы пружинные с воздушным демпфированием, тип АД

отечественные и зарубежные типа Barrymount являются среднечастотными;

3. Амортизаторы пружинные с фрикционным демпфированием типов

АФД, АПН, АПНМТ. Из зарубежных наиболее известны типы TRM серии

Finnflex и тип LO серии Barry. Амортизаторы этого типа в основном средне-

и высокочастотные;

4. Цельнометаллические амортизаторы со структурным демпфировани-

ем типов ДК, АРМ, АЦП и др. Из зарубежных наиболее обширной номенкла-

турой обладают амортизаторы типа Vibrashok. Амортизаторы выполняются в

основном среднечастотными и обладают высокими эксплутационными ха-

рактеристиками, например, амортизаторы серии 9300 работоспособны при

температуре окружающей среды –90º…+175ºC и не чувствительны к влия-

нию радиации, масла, воды, растворителей, пыли и микроорганизмов.

Для амортизации вибраций используются в основном среднечастотные

амортизаторы и реже низкочастотные.

143

4 этап.

На этом этапе проектирования проводится статический расчёт СА, цель

которого заключается в определении статических (весовых) нагрузок на каж-

дый амортизатор и выборе типоразмера амортизаторов в соответствии с най-

денными нагрузками и рассчитанной ранее суммарной жёсткости с и коэф-

фициентом демпфирования h системы амортизации.

Статический расчёт проводят на основе условий рационального монтажа

амортизаторов. Рациональный монтаж определяется исходя из трех условий

[19]:

- общая грузоподъемность всех амортизаторов равна весу амортизиро-

ванной аппаратуры

∑

=

n

i

PP

1

, (9.5)

где P

i

– грузоподъемность (допустимая весовая нагрузка) на i амортизатор;

Р – вес блока;

n – количество амортизаторов.

- совпадение центра жесткости амортизаторов (центр упругих парал-

лельных сил амортизаторов) с центром тяжести амортизируемой аппаратуры

∑∑∑

===

=⋅=⋅=⋅

n

i

ii

n

i

ii

n

i

ii

zPyPxP

111

.0;0;0

(9.6)

где x

i

; y

i

; z

i

– координаты точки присоединения к блоку i амортизатора в сис-

теме координат XYZ с началом координат в центре тяжести С

и осями, направленными вдоль главных осей инерции блока

РЭА.

- отсутствие крутящих моментов при установке амортизаторов на каж-

дой из пространственных осей X,Y,Z, при воздействии вибраций (смещения

центра тяжести)

∑

=

=⋅⋅

n

i

iii

yxP

1

0

;

∑∑

==

=⋅⋅=⋅⋅

n

i

iii

n

i

iii

zyPzxP

11

0;0

. (9.7)

Если число неизвестных в уравнениях не превышает 3-х, то СА называ-

ется статически определимой, в противном случае система является статиче-

ски неопределимой. В статически определимой системе реакции амортизато-

ров не зависят от их упругих свойств. В статически неопределимой – реакции

144

амортизаторов и их деформации зависят от силовой характеристики аморти-

заторов и условий их монтажа.

При расчете статически неопределимой системы на нее должны быть на-

ложены дополнительные условия. Если система амортизации состоит из n

амортизаторов, то заданными должны быть (4n –7) величин из рассмотрен-

ных уравнений. Остальные семь величин определяются при решении системы

уравнений.

Дополнительные условия необходимо выбирать из следующих сообра-

жений. Если точки крепления располагаются симметрично относительно

плоскости, проходящей через центр тяжести блока, то амортизаторы выбира-

ют одного типоразмера. При этом нагрузки на них будут одинаковые

P

n

P

i

1

=

,

а условия рационального монтажа будут иметь вид:











=⋅=⋅

==

∑∑

==

n

i

ii

n

i

ii

n

i

n

i

yxyx

yx

11

;0;0

∑

=

=⋅

=

n

i

ii

n

i

zy

z

1

0

Рассмотрим пример для схемы нижнего монтажа СА, когда плоскость их

крепления проходит через центр тяжести платы, то есть z

i

= 0 (см. рис. 9.4).

а. Z б. Z

2 3 1 2

C Y C Y

1 4 3

X X

Рис. 9.4

Если n = 4 (см. рис. 9.4а), то условие рационального монтажа будет

иметь вид:

145











=⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅

=⋅+⋅+⋅+⋅

=+++

0

444333222111

44332211

4321

yxPyxPyxPyxP

yPyPyPyP

xPxPxPxP

PPPPP

Если n = 3 (см. рис. 9.4б), то условие рационального монтажа будет

иметь вид:











=⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅

=⋅+⋅+⋅

=++

0

333222111

4

332211

321

yxPyxPyxP

yPyPyP

xPxPxP

PPPP

В случае равно нагруженных амортизаторов.

Если n = 4, то Р

1

= Р

2

= Р

3

= Р

4

= 0,25Р и











=⋅+⋅+⋅+⋅

=+++

=

+

0

44332211

4321

yxyxyxyx

yyyy

хххх

Откуда, задавшись пятью координатами исходя из конструктивных со-

ображений, из условия рационального монтажа можно определить три

оставшиеся (например: если центр тяжести блока совпадает с его центром

симметрии, то можно задаться, что x

1

= x

4

; x

2

= x

3

; у

1

= у

2

; у

3

= у

4

и, задав-

шись любым значением из 2-х координат Х и У, можно рассчитать все коор-

динаты установки амортизаторов)

Если n = 3, то Р

1

= Р

2

= Р

3

= 0,333Р и











=⋅+⋅+⋅

=++

=

+

0

332211

321

yxyxyx

yyy

ххх

Здесь следует из конструктивных соображений задаться 3 координатами

(например – 2 по оси Х и одной по оси Y), а остальные найти из условия

рационального монтажа.

146

Итак, с помощью условий рационального монтажа определяются стати-

ческие (весовые) нагрузки P

i

на каждый из амортизаторов и координаты x

i

; y

i

;

z

i

точек присоединения амортизаторов к блоку. Далее, зная P

i

,

из таблиц для

выбранного типа амортизаторов выбирают типоразмер, сравнивая P

i

с номи-

нальной нагрузкой P

ном

на амортизатор, причём,

P

i

≤ P

ном ,

(9.8)

Из таблиц также выписывают коэффициенты жёсткости с

i

для выбран-

ных типоразмеров амортизаторов и находят суммарную жёсткость системы

амортизации. Для схемы нижнего монтажа, рис. 9.4, жёсткость СА находится

простым суммированием c

i

,

∑

=

∑

=

n

i

cc

1

(9.9)

Аналогично находят коэффициент демпфирования СА,

∑

=

∑

=

n

i

hh

1

(9.10)

Далее находят собственную частоту СА

m

с

о

∑

=

ω

, (9.11)

и проверяют, удовлетворяют ли найденные значения, с

∑

и h

∑

вычисленным

ранее значениям из (9.4), гарантирующим требуемую защиту РЭА. Если най-

денные значения с

∑

и h

∑

удовлетворяют условиям (9.4), то типоразмер амор-

тизаторов выбран верно и проектирование СА закончено. Если же условия

(9.4) не выполняются или не выполняется хотя бы одно из них, то необходи-

мо изменить типоразмер, количество, тип, а то и схему монтажа амортизато-

ров и вновь провести статический расчёт СА до тех пор, пока условия (9.4) не

будет выполнено.

В конце статического расчёта находят статические прогибы каждого из

амортизаторов

δ

i

:

i

с

P

=

δ

, (9.12)

147

и если они получатся неравными, то находятся толщины шайб, которые не-

обходимо будет подложить под соответствующие амортизаторы для вырав-

нивания блока.

5 этап.

Проектирование СА заканчивается проверочным расчётом и оценкой

эффективности СА.

Проверочный расчёт заключается в вычислении амплитуды виброуско-

рения W

о1

и амплитуды колебания X(

ω

) амортизированного блока в сравне-

нии их с допустимыми (см. условия 9.3). Обычно вычисляются только мак-

симальные значения W

о1

и X(

ω

), которые имеют место при

ω

=

ω

н

:

2

1

22222

1

]4)[()(

)()(

нноон

нсоно

WX

WW

ωλωωω

ω

µ

ω

⋅+⋅=

⋅

=

-

(9.13)

22222

0

224

4)(

4

)(

нн

но

нc

ωλωω

ωλω

ωµ

⋅+

=

-

Для суждения об эффективности СА наряду с коэффициентом динамич-

ности по силе µ

с

также используются: коэффициент виброизоляции

с

µ

γ

1

=

, (9.14)

и эффективности СА определяется как:

%100)1(

⋅

=

c

Э

µ

. (9.15)

На рис. 9.5 изображена блок-схема описанной методики проектирования

СА [37], где через с

макс

и h

макс

обозначают максимально допустимые жёст-

кость и коэффициент демпфирования СА, обеспечивающие требуемую защи-

ту и получающиеся после приравнивания левых и правых частей в неравенст-

вах (9.4):

























−⋅

⋅

−⋅=

2

1

2

o

доп

допн

oн

макс

W

Х

W

mс

ω

148

4

2

о

доп

н

макс

Х

W

m

h

ω

-⋅=

Вычисление С и h, обеспечи-

вающих выполнение условий W

доп

; Х

доп

; Р; f

н

.

W

a

≤

W

доп

и Х(

ω

)

≤

Х

доп

Выбор схемы монтажа Габариты РЭА и на-

амортизаторов правление вибраций

Условия амортизиру-

Выбор типа амортизатора ющей среды, габари-

ты, вес.

Статистический расчет СА.

Определение количества коор- Условия рациональ-

динат точек присоединения к ного монтажа, габа-

блоку и типоразмеров аморти- риты, вес.

заторов. Вычисление с

∑

, h

∑

и

δ

i

Проверка условий

(с

∑

≤

с

mах

)



(h

∑

≤

h

max

)

Проверочный расчет и провер-

ка эффективности СА

Рис. 9.5.

9.3. Задания к выполнению самостоятельной работы.

Контрольное задание №1.

Рассчитать СА по схеме нижнего монтажа

149

Z X

Y Y

C 40см C 30см

60см 20см

Х

Блок РЭА

Исходные данные:

1. Вес блока P=10 кг;

2. Высота амортизаторов Н<50мм;

3. Вес амортизаторов < 0.1 P;

4. Диапазон рабочих температур для блока РЭА от –20…до +30˚С;

5. Допустимая амплитуда виброускорения для блока РЭА – W

доп

;

6. Максимально допустимая амплитуда колебаний блока на амортизаторах –

X

доп

;

7. Амплитуда виброускорения вибраций, действующих в вертикальном на-

правлении – W

0

;

8. Низшая частота вибраций – f

н

.

Вариант 1.1. W

доп

=30м⋅с

-2

; X

доп

=5мм; W

0

=5.5q; f

н

=20 Гц.

Вариант 1.2. W

доп

=40м⋅с

-2

; X

доп

=5мм; W

0

=6q; f

н

=20 Гц.

Вариант 1.3. W

доп

=45м⋅с

-2

; X

доп

=6мм; W

0

=7q; f

н

=20 Гц.

Вариант 1.4. W

доп

=40м⋅с

-2

; X

доп

=4мм; W

0

=6q; f

н

=20 Гц.

Примечание: расстояние от амортизаторов до боковых граней блока

РЭА не должны быть более 5 см.

Контрольное задание №2.

Рассчитать СА по схеме нижнего монтажа

Z X

30см 20см

C Y C Y

60см 40см

Х

Блок РЭА

Исходные данные:

1. Вес блока P=6 кг;

150

2. Высота амортизаторов Н<45мм;

3. Вес амортизаторов < 0.1 P;

4. Диапазон рабочих температур для блока РЭА от –20…до +30˚С;

5. Допустимая амплитуда виброускорения для блока РЭА - W

доп

;

6. Максимально допустимая амплитуда колебаний блока на амортизаторах -

X

доп

;

7. Амплитуда виброускорения вибраций, действующих в вертикальном на-

правлении – W

0

;

8. Низшая частота вибраций – f

н

.

Вариант 2.1. W

доп

=30м⋅с

-2

; X

доп

=5⋅10

-3

м; W

0

=5q; f

н

=17 Гц.

Вариант 2.2. W

доп

=2.5м⋅с

-2

; X

доп

=5мм; W

0

=4q; f

н

=17 Гц.

Вариант 2.3. W

доп

=30м⋅с

-2

; X

доп

=4мм; W

0

=4.5q; f

н

=20 Гц.

Вариант 2.4. W

доп

=30м⋅с

-2

; X

доп

=8мм; W

0

=5q; f

н

=15 Гц.

Примечание: расстояние от амортизаторов до боковых граней блока РЭА

не должны быть более 5 см.

Контрольное задание №3.

Рассчитать СА по схеме нижнего монтажа.

Исходные данные:

1. Вес блока P=5 кг;

2. Высота амортизаторов Н<40мм;

3. Вес амортизаторов < 300 г;

4. Диапазон рабочих температур для блока РЭА от –20…до +30˚С;

5. Допустимая амплитуда виброускорения для блока РЭА – W

доп

;

6. Максимально допустимая амплитуда колебаний блока на амортизаторах –

X

доп

;

7. Амплитуда виброускорения вибраций, действующих в вертикальном на-

правлении – W

0

;

8. Низшая частота вибраций – f

н

;

Z

20cм

30см 10cм

Y

C Y C 10см

20см

60см 30см

X X

Блок РЭА

Тихоненков В.А. Конструирование и надежность измерительно-вычислительных комплексов летательных аппаратов

Подождите немного. Документ загружается.