Материал: Механические испытания

Механические испытания

1. Вибрационные нагрузки

В зависимости от назначения и места установки РЭА может подвергаться различным механическим воздействиям. Наиболее часто РЭА испытываем действие вибрации, которая может возникать при транспортировании, при работе различных механизмов, в случае установки РЭА на самолеты, корабли, автомобили и т.д.

В механизмах вибрация может вызываться периодическими силами, возникающими при движении с ускорениями неуравновешенных масс, вследствие периодических толчков, из-за неодинаковой жесткости различных элементов конструкций и ряда других причин./4,5/.

Практика показывает, что интенсивность воздействия вибрации в некоторых случаях может определяться не только величиной амплитуды колебаний, но и величиной максимального ускорения.

Наибольшую опасность для вибрирующих элементов представляет случаи, когда частота вибрации совпадает с их собственными частотами колебании, т.е. когда возникают резонансные явления.

Вибрация РЭА устанавливаемой на самолете, зависит от его типа, места расположения РЭА, способа ее установки и крепления. Возможны следующие основные причины возникновения вибрации на самолете: работа силовой установки, работа системы управления (рули, элероны) и аэродинамическая вибрация (срыв потока, при появлении вихрей).

Иногда из-за неправильного конструирования самолета при критической для данного самолета скорости возникают без каких-либо внешних воздействий автоколебания, получивших название «флаттер» - трепетание.

При изучении колебаний самолета серьезное внимание уделяется следующим его участкам: центральный участок, наружные две трети части крыльев, хвостовое оперение, расположение силовой уста­новки. Центральный участок включает в себя почти весь фюзеляж, центроплан примерно 1/3 размаха крыльев. Радиоэлектронная аппаратура, размещенная в пределах данного участка, испытывает вибрацию с частотой от 3 до 50 Гц и соответственно с амплитудой от ⁺2 до ⁺0,75 мм. Участок, содержащий силовую установку, характеризуется вибрацией от 10 до 500 Гц соответственно с амплитудой 0,37 до ⁺0,025 мм.

При взлете посадке, при выполнении фигур высшего пилотажа и в других случаях самолеты испытывают перегрузки равные отношению геометриче­ской сумме ускорении _ (включая ускорение силы тяжести) к ускорению силы тяжести g.

Вибрация на корабле вызывается работой двигателя, вращением винтов, а также гидродинамическими силами, действующими на корпус и надстройки. Значительное влияние на параметры вибрации РЭА оказывает ее месторасположение на корабле. Наименьшая вибрация имеет место в основной (средней) части корабля, где амплитуда не превышает ⁺0,6 мм на частоте 1 Гц.

Максимальные амплитуды наблюдаются в кормовой части судна и достигают ⁺25 мм при частоте 2 Гц.

Вибрация РЭА зависит также от способов ее крепления. Под действием воздушных потоков возможно возникновение механических колебаний в телевизионных башнях, мачтах радиорелейных передач.

Совпадение частот вибрации с собственными резонансными частотами элементов приводит к обрыву проводов в местах их закрепления или соединения с деталью, нарушению герметизации, возникновению коротких замыканий между деталями. Установлено, что мелкие радиодетали с выводами от 0,6 до 1,06 мм, длиной 30 мм и весом от 0,03 до 12,4г имеют собственные резонансные частоты от 200 до 450 Гц. Укорочение длины выводов приводят к росту собственной резонансной частоты. Этим можно пользоваться для ускорения вибрации. Повышение резонансной частоты и уменьшение амплитуды вибрации может достигаться применением более толстых проводов, уменьшением веса деталей специальным креплением их на шасси.

Воздействие вибраций на электровакуумные приборы вызывает повреждение нитей накала и подогревателей, нарушение контактов в местах точечных сварок, изменение междуэлектродных расстояний, увеличение виброшумов ламп, повреждение спая металла со стеклом, ухудшение вакуума. Установлено, что для электровакуумных приборов (пальчиковые лампы) наиболее опасным является интервал частот от 175 до 500 Гц, в котором расположены их собственные резонансные частоты.

Уменьшение вибрации можно достигнуть путем установки между вибрирующим объектом и его основанием упругих прокладок, применением различного типа амортизаторов, изготовлением ряда деталей из пластмасс.

2. Ударные нагрузки

Возникновение ударов связано с резким и быстрым изменением ускорения, скорости или перемещения объектов, на которых установлена аппаратура. Возможны случаи, когда прикладываемая нагрузка превышает допустимый безопасный уровень, что приведет к отказу РЭА. Действие механических ударов сопровождается возбуждением затухающих колебаний, т.е. неустановившейся вибрацией на частотах собственных колебаний элементов и частей конструкции.

Возможны два случая воздействия ударных нагрузок в РЭА. В первом случае ударные нагрузки прикладываются в РЭА в процессе ее эксплуатации, а во втором - ударные нагрузки испытываются аппаратурой только в процессе ее транспортирования.

Для уменьшения действий ударных нагрузок, кроме амортизаторов используют специальную упаковку РЭА.

Уровни разрушающих усилий возрастают, когда элементы конструкции РЭА резонируют на частотах возмущении, вызванных ударом.

Удар, испытываемый РЭА, зависит от веса комплекса оборудования, в который она входит, и ее положения на объекте. Ускорения, возникающие при ударе, можно подсчитать по формуле

_g=u²/2gs, (1)

где g - ускорение силы тяжести; u - мгновенная скорость в момент удара, см/сек; s - перемещение при ударе или суммарная величина упругих и остаточных деформаций ударяющихся предметов

3. Воздействие звукового давления на рэа

При запуске силовых установок самолетов, ракет (турбореактивные, реактивные двигатели) высвобождается большая энергия колебаний звуковой частоты, воздействующая на близко расположенную РЭА/4,5/.

Выделение энергии колебаний звуковой частоты сопровождается механическими колебаниями частиц среды, которое приводит к изменению давления по сравнению с атмосферным (статическим) давлением. Разность между статическим давлением и давлением в данной точке звукового поля называется звуковым давлением. Звуковое давление измеряется в H/м² (большой бар).

Скорость распространения звуковых волн в воздухе (с) в основном зависит от температуры среды

С  331 [M/cек], (2)

где Т - абсолютная температура по Кельвину

При нормальном атмосферном давлении и Т = 273 К (ОС) скорость звука 331 м/сек. С повышением температуры до 290 К она увеличивается до 340 м/сек.

Поток звуковой энергии, проходящий в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению распространения звуковой волны, называется интенсивностью или силой звука

I=P/S, (3)

где P - поток звуковой энергии; S – площадь.

Десятикратные изменения силы звука характеризуется логарифмической единицей (степенью изменения гармоники), получившей название бел:

, (4)

где M- число ступеней, на которое изменится громкость при увеличении силы звука; Iмакс - максимальное значение силы звука; I₀ - исходное значение силы звука

Логарифмическая единица, соответствующая ступени, в десять раз меньшей бела, называется децибелом:

, ДБ (5)

Восприятие громкости звука в основном зависит от амплитуды и частоты звукового колебания. Максимально допустимое эффективное звуковое давление, при котором имеет место слуховое восприятие, называется порогом слышимости. Стандартному порогу слышимости соответствует эффективное звуковое давление 2*10^-5 Н/м² при гармоническом звуковом колебании с частотой 1000 Гц.

Болевой стандартный порог (звуковое давление при котором возникает болевое ощущение) соответствует эффективному звуковому давлению 20 Н/м² при частоте 1000 Гц.

Воздействие звукового давления приводит к механическому возбуждению деталей и узлов РЭА. В электронных лампах возникает микрофонный эффект, начинают вибрировать реле и объемные проводники.

Наиболее критическим является совместное воздействие вибраций и звукового давления, при котором могут возникать резонансные явления различных элементов РЭА проявляемые в диапазоне частот 1500-2000 Гц.

Для уменьшения этого эффекта элементы конструкции и кожуха РЭА изготовляют из материала с демпфирующими свойствами. Крепления малогабаритных радиодеталей (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и т.п.) делают жесткими. Для уменьшения числа объемных проводников применяется многослойный печатный монтаж.

Снижению воздействия звукового давления способствует заливка радиоэлементов на печатных платах полимерными компаундами.

Практически установлено, что для проведения испытаний РЭА на звуковое давление необходимо создать звуковое давление 175 дБ в широком диапазоне частот.

4. Испытания на вибрационные нагрузки

Основной целью вибрационных испытаний является установление способности изделий противостоять разрушающему влиянию механических воздействий, а также определение их способности выполнять свои функции при сохранении электрических параметров в пределах установленных норм.

Процесс проведения испытаний.

Проводится внешний осмотр изделий. Проверяются параметры согласно ТУ и ПИ. Затем осуществляется закрепление изделия на вибростенде так, чтобы вибрация передавалась с минимальными потерями. Положение аппарата на вибростенде должно соответствовать эксплуатационному положению. В зависимости от условий эксплуатации выбирается диапазон частот вибрации.

Различают два основных метода проведения испытаний на воздействие одночастотного синусоидального колебания: а) метод фиксированных частот; б) метод качающейся частоты.

При осуществлении метода фиксированных частот контроль за работой изделия производится при плавном изменении частоты. В случае обнаружения резонансных частот рекомендуется дополнительная выдержка изделия с целью выявления причины.

Продолжительность выдержки при испытаниях на виброустойчивость не менее 5 мин., а при испытании на вибропрочность от 1 до 10 часов при длительном воздействии и от 20 до 50 мин при кратковременном.

Метод качающейся частоты характеризуется тем, что в зависимости от установленной для испытаний степени жесткости производится плавное изменение частоты сначала в сторону увеличения, а затем уменьшения, причем время прохождения диапазона в одном направлении также зависит от степени жест­кости.

Иногда испытания осуществляются в процессе производства. Так, на конвейере регулировки телевизионных приемников осуществляются испытания на виброустойчивость: частота 25-35 Гц, амплитуда вибрации 2,1 мм, вибрационное ускорение 2,0-2,5 g, продолжительность 60 сек.

В процессе испытания не должно наблюдаться отключение телевизора, уменьшение громкости звука, исчезновение изображения таблицы 0249.

Следует отметить, что испытания на виброустойчивость рекомендуется проводить методом фиксированных частот, а испытания на вибропрочность - методами фиксированных иди качающихся частот.

Недостатком указанных методов является то, что в каждый данный момент времени на изделие воздействуют одночастотные синусоидальные колебания, не спектр частот, как при реальных условиях эксплуатации.

Испытательное оборудование

Вибростенды оцениваются следующими параметрами:

1. Номинальной грузоподъемностью, кг.

2. Испытательным диапазоном частот, Гц.

3. Максимальным ускорением.

4. Максимальной амплитудой смещения.

5. Формой колебаний.

6. Коэффициентом нелинейных искажений,%.

7. Размерами рабочей площади стола.

Наибольшее применение имеют вибростенды, использующие механические и электрические приводы. Механические вибростенды бывают центробежные (а) и эксцентриковые (кривошипно-шатунные) (б):

а) б)

Рис. 1. Вибростенды

Из электрических стендов наиболее широкое применение получили электродинамические, принцип действия которых основан на том, что при протекании тока звуковой частоты по обмотке подвижной катушки, находящейся в постоянном магнитной поле, возникает сила, заставляющая подвижную катушку и связанный с ней стол совершать колебания с частотой тока в обмотке катушки.

Амплитудное значение возбуждающей силы определяется следующим выражением:

F=BLI[кГ] , (6)

где B - магнитная индукция; L - длина провода подвижной катушки, см; I - эффективное значение силы тока звуковой частоты катушки, А.