Общая характеристика механических воздействий
Механические воздействия оказывают существенное
влияние на электронные приборы и устройства. Ухудшение надежности и стабильности
работы электронной аппаратуры тесно связано с механическими воздействиями.
Источниками механических воздействий могут быть различные двигатели, акустические шумы, ударная волна и т.п.
Сложность защиты ЭПиУ от механических воздействий обусловлена тем, что, несмотря на непрерывное повышение надежности элементной базы электронных устройств интенсивность механических воздействий возрастает. Кроме того, блоки электронных устройств, представляют собой сложные механические конструкции, в которых возникают резонансные колебания, усиливающие механические нагрузки в несколько раз.
Наиболее опасными механическими воздействиями являются линейные перегрузки, вибрации и удары.
Перегрузка - отношение действующего значения ускорения к ускорению свободного падения.
j=a/g (1)
Линейные перегрузки не поддаются ослаблению. Обеспечение работоспособности элементов конструкции достигается за счет жесткости или прочности, что ведет к увеличению массы.
Повышение прочности может быть достигнуто за счет применения материалов с высоким отношением [σ ]/ρ,
где,
[σ ]- допустимое напряжение материала;
ρ – плотность материала.
Величину перегрузок определяют с помощью акселерометра.
Удар – быстрое изменение скорости на конечную величину за конечный промежуток времени. После удара, если система упругая, возникают колебания, которые могут попасть в резонанс с собственными колебаниями радиоэлементов или конструкции РЭА. Интенсивность ударного воздействия зависит от формы импульса, амплитуды и длительности ударного импульса.
Формой ударного импульса называют зависимость ударного ускорения от времени - a=f(t) (рис.1)
рис.1. Параметры импульса
Для упрощения расчетов форму ударных импульсов идеализируют, заменяя более простой формой (рис.2.).
рис.2. Формы ударных импульсов
При замене реального импульса особое внимание обращают на крутизну фронта и среза импульса, т.к. именно они влияют на жесткость удара.
Амплитудой импульса называют максимальное значение ударного ускорения Н=a max, м/с;
Длительность (τ) - интервал времени от начала и до конца действия ударного импульса.
При расчете ударных воздействий и проектировании средств защиты РЭА эти параметры являются основными.
Удары бывают:
Периодические - имеют определенный период повторения «Т»;
Непериодические – период не определен, но повторяется довольно часто;
Одиночные – имеют большой интервал времени между ударами.
При воздействии удара определяют максимальное перемещение и максимальное ускорение, вызванные ударами.
Чаще РЭА испытывают на удар при свободном падении. При этом:
скорость
в момент удара:
статическое смещение в м:
Z=g/ωo
динамическое
смещение в м:
перегрузка при ударе:
где,
С- жесткость системы при условии применения амортизаторов; m- масса прибора, кг; ωo- угловая частота собственных колебаний, рад/с.
Линейные ускорения характерны для всех объектов, движущихся с переменной скоростью, например при разгоне, торможении и т.п.
Влияние линейных ускорений обусловлено силами инерции, которые во много раз могут превышать силы тяготения.
При движении объекта по криволинейной траектории, элементы конструкции испытывают центробежное ускорение (рис.3).
рис.3.
При расчетах аппаратуры, линейные ускорения принимают равными максимальным значениям или изменяющихся по ступенчатому закону (рис.4).
рис.4
В технических условиях на РЭА задают закон изменения ускорения а=f(t) и длительность его действия – τ, с.
Под вибрацией понимают механические колебания элементов РЭА или ее конструкции в целом.
Вибрация может быть периодической (гармонической) и случайной (рис.5).
Рис.5. Виды вибраций:
а- гармоническая; б- случайная
Периодическая вибрация может быть гармонической, полигармонической. Полигармонические колебания могут быть представлены в виде суммы гармонических вибраций. Полигармонические колебания создают двигатели, вентиляторы, несбалансированные быстровращающиеся массы и т.п.
Вибрация, параметры которой изменяются во времени случайным образом, называется случайной вибрацией. Случайная вибрация бывает стационарной, нестационарной, узкополосной, широкополосной.
Узкополосная вибрация может быть представлена как синусоидальная вибрация со случайно изменяющейся амплитудой.
Широкополосная вибрация – совокупность узкополосных вибраций. Под воздействием широкополосных вибраций в РЭА возбуждаются одновременно колебания на всех собственных частотах, присущих этой аппаратуре. Действие широкополосной вибрации встречается редко. На широкополосную вибрацию испытывают РЭА, имеющую сложную конструкцию и малый ресурс времени. В большинстве случаев действуют узкополосные вибрации, которые можно заменить полигармоническими вибрациями.
Конструкция РЭА представляет собой сложную колебательную систему. Изучение этой системы является трудной и не всегда выполнимой задачей.
При анализе действия вибраций сложное устройство представляют в виде простых колебательных систем, которые можно свести к колебательным системам с одной степенью свободы (рис.5.). В этом случае воздействие вибрации сводится к гармоническим колебаниям Гармоническая вибрация в реальных условиях встречается редко, однако ее широко используют при лабораторных испытаниях и при определении динамических характеристик электрорадиоэлементов и конструкции РЭА.
P- возбуждающая сила, Н;
m- масса груза, кг;
k- жесткость пружины, Н/м;
β- коэффициент демпфирования.
Свободные колебания механической системы с одной степенью свободы>
