НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Стрельбіцький Віктор Васильович

УДК 621.01

ЗАКОНОМІРНОСТІ СТАТИЧНОГО ТА ДИНАМІЧНОГО

ДЕФОРМУВАННЯ ЕЛЕМЕНТІВ РАДІОЕЛЕКТРОННОЇ

АПАРАТУРИ З ВРАХУВАННЯМ ЕКСПЛУАТАЦІЙНО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ФАКТОРІВ

05.02.09 – динаміка та міцність машин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Хмельницькому національному університеті

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший наук. співр.

Зіньковський Анатолій Павлович,

Інститут проблем міцності ім Г.С. Писаренка

НАН України, м. Київ,

завідувач відділу коливань та вібраційної

надійності

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Сокіл Богдан Іванович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

м. Львів, професор кафедри “Теоретична механіка”

кандидат технічних наук, доцент

Поліщук Леонід Клавдійович,

Вінницький національний технічний університет,

м. Вінниця, доцент кафедри “Металорізальні

верстати та обладнання автоматизованого

виробництва”

Провідна установа: Національний авіаційний університет,

кафедра механіки, м. Київ.

Захист відбудеться 14.02.2007 р. 0 12 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. С. Бандери, 12, гол. корп., ауд. 226.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий 11.01.2007 р.

Вчений секретар,

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н, доцент _________________ Шоловій Ю.П.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Складні вироби сучасної авіаційної, корабельної і автомобільної техніки містять значну кількість блоків радіоелектронної апаратури (РЕА), котрі призначені для навігації, керування і контролю її технічного стану.

Основними елементами блоків РЕА є об’єднавчі плати, до яких у відповідності з призначенням кріпиться велика кількість резисторів, мікромодулів (ММ) та інших складових, котрі інтегрально утворюють начіпний монтаж.

При експлуатації виробів у результаті впливу особливостей виробництва і умов монтажу, зміни температури, тиску та інших факторів зовнішнього середовища, а також внаслідок динамічних навантажень об'єднавчі плати деформуються. Їх деформації можуть передаватися на елементи начіпного монтажу і у взаємодії з іншими факторами викликати в останніх порушення функціональної роботоздатності з можливими подальшими їх відмовами.

Механічні фактори викликають від 30 до 50 % відмов виробів РЕА, переважна більшість яких пов'язана з перевищенням допустимих пришвидшень, переміщень, напружень.

У зв'язку з постійним зростанням інтенсивності навантажень на бортове обладнання, актуальним є питання аналізу динаміки і міцності складових елементів конструкцій РЕА. В роботах відомих вчених в галузі радіоелектронної техніки В.Б.Карпушина, Ю.Н.Кофанова, В.А.Фролова та інших розглядалися окремі аспекти зазначеної проблеми. Однак аналіз наукової літератури показує, що розробці методів експериментально-розрахункових досліджень з встановлення закономірностей впливу конструктивно-технологічних та експлуатаційних факторів на характеристики статичної та динамічної міцності складових радіоелектронної апаратури, зокрема плат, приділяється недостатньо уваги.

Враховуючи зазначене, з метою підвищення надійності виробів РЕА актуальною проблемою є подальший розвиток як методів дослідження, так і вивчення особливостей впливу різноманітних факторів, що супроводжують виробництво та експлуатацію об’єктів дослідження, на статичний та динамічний стан їх складових конструктивних елементів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з планами держбюджетних тем: “Розробка розрахунково-експериментальних методів атестації випробуваних виробів РЕА” (№ ГР 01880074646) та “Статична і динамічна міцність в радіотехніці і машинобудуванні” (№ ДР 0193U023556), яка входила до науково-технічної програми “Електроніка України-2000”, затвердженої Мінпромполітики України.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є проведення комплексу експериментально-розрахункових досліджень з визначення закономірностей впливу конструктивно-технологічних та експлуатаційних факторів на статичний і динамічний стан елементів радіоелектронної апаратури та розробка способів зниження збудженості їх коливань.

Для досягнення мети роботи були визначені наступні задачі:

1. Провести аналіз особливостей складання та умов експлуатації, а також існуючих результатів досліджень їх впливу на статичну і динамічну міцність виробів радіоелектронної апаратури.

2. Розробити методики експериментального вивчення особливостей деформування блоків РЕА та їх складових.

3. Визначити закономірності впливу таких експлуатаційних факторів як атмосферний тиск і температура на статично деформований стан плат РЕА.

4. Встановити закономірності впливу деформування об'єднавчих плат і умов монтажу радіоелементів на їх напружено-деформівний стан.

5. Провести аналіз збудженості коливань об'єднавчих плат, розробити способи і рекомендації щодо її зниження.

6. Виробити рекомендації з вибору параметрів пружно-демпферного зв'язку об’єднавчих плат з корпусом блоку РЕА, що забезпечать зниження рівня їх коливань.

Об'єкти дослідження: блоки радіоелектронної апаратури та їх складові елементи: об’єднавчі плати і плати мікромодулів.

Предмет дослідження: закономірності статичного та динамічного деформуання складових елементів блоків радіоелектронної апаратури.

Методи дослідження: електротензометрії для визначення деформацій в складових конструкційних елементах блоків РЕА; високошвидкісної комп'ютерної відеозйомки процесу коливань; моделювання реальних умов коливань об’єктів дослідження; теорії коливань та прикладної теорії пружності.

Наукова новизна результатів дисертаційної роботи полягає в розробці методології визначення, а також встановленні закономірностей впливу конструктивно-технологічних та експлуатаційних факторів на напружено-деформівний стан елементів РЕА і розробці способів зниження збудженості коливань об’єднавчих плат.

Практичне значення отриманих результатів. Проведений комплекс експериментально-розрахункових досліджень орієнтований на вирішення актуальної науково-технічної задачі підвищення статичної та динамічної міцності блоків і їх складових сучасної радіоелектронної техніки, за результатами яких запропоновані та розроблені такі технічні рішення:

- оригінальні конструкції виводів-компенсаторів, які дозволяють підвищити роботоздатність виробів РЕА, що застосовуються на таких рухомих об'єктах техніки, як літаки, кораблі, автомобілі;

- нові конструкції кріплення об'єднавчих плат, котрі можуть бути використані для зниження збудженості коливань і підвищення функціональної роботоздатності виробів РЕА шляхом захисту плат і змонтованих на них радіоелементів від температурних, вібраційних і монтажних навантажень одночасно.

- конструкції безрезонансних пристроїв кріплення плат мікромодулів, які дозволяють проводити їх випробування в широкому діапазоні частот коливань.

Практична значимість результатів роботи підтверджується: актами їх впровадження на підприємствах ВАТ “Трасформатор сервіс” і ПП “ТЕХМАШ”, та патентами (№ 5290 UA) 17; (№ 5291 UA) 18; (№ 10217 UA) 19.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 19 наукових праць, 9 з яких в виданнях, затверджених ВАК України.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень, які представлені в дисертаційній роботі, отримані автором самостійно. Вибір теми, постановка задач та обговорення результатів досліджень виконані спільно з науковим керівником та професором В.П.Ройзманом.

Апробація результатів роботи. Результати роботи були представлені на 7-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові” (Львів, 2005); Міжнародних науково-технічних конференціях “Mechanika 2005” (Каунас. Литва, 2005), “Науковий потенціал світу 2004” (Дніпропетровськ, 2004), “Современные информационные и электронные технологии” (Одесса, 2005 и 2006), а також на наукових семінарах кафедри прикладної механіки Хмельницького національного університету і об’єднаному науковому семінарі відділів коливань і вібраційної надійності та коливань в роторних системах Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків та списку використаних джерел із 138 найменувань. Робота викладена на 153 сторінках, містить 72 рисунки та 21 таблицю.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано вибір теми роботи з точки зору її актуальності та розкрито сучасний стан досліджень з наукової проблеми, що розглядається. Сформульовано мету роботи, задачі, які необхідно вирішити для її реалізації, та можливості практичного використання результатів. Обґрунтована наукова новизна роботи. Наведено відомості про апробацію результатів роботи.

Перший розділ присвячений розкриттю сучасного стану досліджень з вивчення проблеми динаміки і міцності блоків РЕА і постановці задачі.

Невід’ємною частиною об’єктів авіаційної, корабельної, автомобільної та інших видів техніки є наявність значної кількості виробів радіоелектронної апаратури, як засобів керування, контролю стану техніки тощо.

Одним з основних вузлів блоків РЕА є об’єднавчі плати, що представляють собою тонкі пластини, як правило прямокутної форми, для виготовлення яких використовують такі матеріали, як гетинакс, текстоліт. На об’єднавчих платах встановлюється так званий начіпний монтаж –мікромодулі (ММ), резистори тощо. На рис. 1 наведені існуючі варіанти конструктивного виконання мікромодулів, а на рис. 2 - способи встановлення резисторів.

Об’єднавчі плати з начіпним монтажем компонують в блоки, найбільш розповсюдженими конструкціями яких є гребінчаста та плоска.

Проведено аналіз роботи блоків РЕА, які використовуються в авіації, на кораблях та автомобілях. Показано, що вони функціонують в умовах дії складного комплексу факторів, які суттєво впливають на їх статичний та динамічний стан. До таких факторів відносяться температура, атмосферний тиск, частота коливань, які можуть змінюватися в досить широких межах. Крім того, недосконалості технології виготовлення виробів РЕА обумовлюють виникнення монтажних напружень. В сукупності дія зазначених факторів викликає порушення функціональної роботоздатності об’єктів дослідження та наступні їх відмови.

Виконаний огляд наукових публікацій стосовно проблеми, що розглядається, показав, що в даний час існують обмежені результати досліджень з вивчення динаміки та міцності виробів РЕА і практично відсутні достатньо ефективні методи їх захисту від впливу зазначених вище факторів.

Таким чином, виходячи із результатів проведеного аналізу, встановлена необхідність проведення комплексу експериментально-розрахункових досліджень з визначення закономірностей впливу конструктивно-технологічних та експлуатаційних факторів на напружено-деформівний стан (НДС) блоків РЕА та складових елементів і розробки способів зниження збудженості їх коливань, що і є метою роботи.

У другому розділі приводяться методики експериментального дослідження та їх результати щодо визначення закономірностей статичного деформування виробів радіоелектронної апаратури.

Враховуючи конструктивні особливості виробів РЕА, в першу чергу малі габаритні розміри та термомеханічні властивості матеріалів, які використовуються для їх виготовлення (скло, кераміка, пластмаси, компаунди), а саме: відносно малу величину модуля пружності при достатньо високому коефіцієнті Пуассона та поганий тепловідвід, проведено визначення оптимального клею для препарування тензодавачів. Експериментально встановлено, що в діапазоні температур, які характерні для умов експлуатації об’єктів РЕА та керамічних матеріалів, що використовуються при їх виробництві, найбільш придатним для препарування давачів є клей Ціакрин ЕО, а для епоксидних матеріалів - БФР-2К.

Для забезпечення достовірності результатів експериментальних досліджень були отримані допустимі значення струму живлення для тензодавачів різної бази, а також вирішена задача визначення фіктивної деформації, обумовленої впливом температури на опір давачів. Для цього було розроблено спеціальну установку, а для виключення впливу фіктивної деформації використано метод внесення поправок на температурний приріст опору тензодавачів.

Враховуючи використання для проведення експериментальних досліджень малобазних тензодавачів, було здійснено доробку тензометричної апаратури, яка дозволила підвищити її чутливість, завадозахищеність та стабільність роботи.

Було проведено комплекс експериментальних досліджень з визначення впливу експлуатаційних та технологічних факторів на деформування плат мікромодулів та об’єднавчих плат.

У відповідності з постановкою задачі та згідно з вимогами планування експерименту для проведення випробувань об’єктів дослідження вибиралось 6 – 20 плат мікромодулів та 10 об’єднавчих плат. Їх випробування проводились в ідентичних умовах, а кожен дослід повторювався три рази, це забезпечувало можливість порівняння експериментальних даних, які в подальшому представляються у вигляді середніх значень відносних деформацій.

Для встановлення впливу термоудару досліджувані плати мікромодулів, які показані на рис. 1, піддавалися впливу трьом температурним циклам, кожен з яких полягав в наступному. Усі плати поміщали в холодильну камеру з витримкою в ній протягом однієї години при температурі – 60С, з наступним їх негайним переміщенням в термостат, де вони утримувалися протягом однієї години при температурі + 70С. Після кожного циклу зміни температури вимірювали деформації плати за даними трьох тензодавачів. Результати досліджень представлені на рис. 3 у вигляді діаграми середніх значень відносної деформації j.

Незважаючи на деякий розкид даних, можна зробити такі висновки щодо закономірностей впливу термоударів на деформований стан плат:

1) рівень деформацій досліджуваних плат протягом усіх циклів термоударів практично не залежить від типу покриття;

2) рівень деформацій плат мікромодулів напівппорожнистої конструкції у 1,5...2 рази перевищує такий для плат, встановлених у монолітній конструкції.

Для визначення впливу тиску на деформований стан плат мікромодулів вони після полімеризації в металевих корпусах переносились у вакуумну камеру, в котрій створювався тиск, що відповідає різним висотам польоту літального апарата, і фіксувалися покази тензодавачів.

Встановлено, що вплив атмосферного тиску на деформацію плати мікромодуля, як видно з представлених на рис. 4 результатів, істотно залежить від його конструктивного виконання. Найменшому впливу атмосферного тиску у всьому діапазоні його зміни піддаються плати мікромодулів монолітної (рис. 1, а), а найбільше – напівпорожнистої (рис. 1, б) конструкцій.

Деформації плат ММ від дії термоударів та атмосферного тиску можуть підсумовуватися з такими, які обумовлені технологією складання внаслідок виникаючих монтажних напружень. Для визначення впливу монтажних напружень на деформований стан плат ММ був проведений тестовий експеримент, який полягав в поступовому зменшенні кількості виводів. Встановлено, що із зростанням кількості виводів деформація плати спочатку зростає, а потім спадає, що свідчить про необхідність оптимізації кількості виводів з точки зору мінімізації впливу монтажних напружень на деформований стан плат ММ.

Аналіз експлуатації виробів РЕА показав, що при існуючих технологіях формування виводів резисторів (див. рис. 2) мали місце чисельні їх руйнування, що викликало відмову об’єктів досліджень. Для їх запобігання була запропонована технологія високого формування виводів (рис. 5).

Для підтвердження її ефективності були проведені експериментальні випробування об’єднавчих плат з резисторами, які монтувались як за запропонованою, так і за існуючими технологіями в практиці виробництва РЕА. З метою забезпечення ідентичності НДС резисторів, які монтувалися на об'єднавчій платі за вказаними технологіями, вона піддавалася деформації чистого згину на спеціальній установці. Для визначення впливу типу формування виводів резисторів на об'єднавчій платі було змонтовано три ряди мікромодулів по 6 в кожнім, що відрізняються способом формування. Змінюючи прогин об'єднавчої плати, реєстрували деформації резисторів.

Встановлено, що до деформування об'єднавчої плати найбільш чутливі резистори без формування виводів, а найменш – з високим їх формуванням. Це пояснюється тим, що в першому випадку має місце жорсткий, а в другому – податливий зв'язок резистора з об'єднавчою платою.

Необхідно відзначити, що результати отримані при однаковому способі кріплення мікромодулів на об'єднавчій платі. Існуюча технологія монтажу мікромодулів на об'єднавчій платі (рис. 6, а) аналогічна жорсткому встановленню резистора на платі ММ (рис. 2, а). В даному випадку були випадки відмов мікромодулів. Тому, було запропоновано замінити жорстке кріплення ММ на податливе (рис. 6, б). Випробування об'єднавчої плати зі встановленими на ній за вказаними способами кріплення ММ здійснювалися також в умовах чистого згину.

Результати досліджень показали, що середній рівень деформацій при податливому кріпленні може втричі бути нижчим ніж при жорсткому, внаслідок чого кількість відмов знизилась в 6 разів.

Як видно з представлених результатів експериментальних досліджень, існує суттєва залежність рівня деформування мікромодулів і резисторів від їх зв'язку з об'єднавчою платою, що значною мірою визначається жорсткістю виводів. Для підтвердження цього висновку була запропонована технологія формування виводів, у вигляді півкола (рис. 7).

З використанням вище викладеної методики випробувань об'єднавчих плат були отримані залежності зміни середніх деформацій мікромодулів від величини максимального прогину об'єднавчої плати для розглянутих видів виводів мікромодуля (рис. 8), як для випадку заливання плати мікромодуля компаундом, так і без нього. Встановлено, що при однаковій відносній деформації об'єднавчої плати рівень деформацій плат ММ із прямими виводами і не залитих компаундом у 1,5...2 рази перевищує для плат з запропонованими виводами. Крім того, наявність компаунда зумовлює зниження рівня деформації плат ММ у 3..5 разів незалежно від типу виводів, що підтверджує припущення про істотний вплив на деформування плат мікромодулів їх пружного зв'язку з об'єднавчою платою.

Як було встановлено, рівень деформування об'єднавчих плат істотно впливає на деформування плат ММ, що обумовлює появу деформацій у контактних вузлах системи плата ММ – вивід. При цьому необхідно мати на увазі той факт, що деформування об'єднавчих плат може зумовлюватися як умовами експлуатації, так і монтажу їх в корпусі внаслідок розпрямлення, оскільки при виробництві вони, як правило, набувають форму жолоба. Для рішення зазначеної задачі системи плата ММ – вивід препарувалася здавачем таким чином, що одна частина його решітки була розташована на торці виводу, а друга – на платі ММ. Тензочутливий елемент був орієнтований по радіусу виводу уздовж провідника. Таке розташування давачів дозволяє вимірювати деформацію контактного вузла. Встановлено, що деформації в контактних вузлах приблизно в 7...10 разів перевищують середні деформації на платі ММ, внаслідок чого може мати місце руйнування контактних вузлів, а отже і відмова мікромодуля.

Оскільки рівень деформування контактних вузлів значною мірою визначається деформуванням об'єднавчої плати, то в першу чергу необхідно прагнути до зниження ймовірності утворення жолобоподібної форми.

Було проведено узагальнення характерних типів жолобоподібних форм плат і показано, що їх можна звести до двох профілів. На підставі результатів випробувань таких плат була запропонована методика встановлення їх початкового формоутворення, яка була використана на ПП ”ТЕХМАШ”.

Як встановлено на основі результатів проведеного аналізу умов експлуатації блоків РЕА, вони функціонують у широкому діапазоні частот збудження, що може бути причиною виходу їх з ладу, особливо в умовах резонансу. Тому актуальною є проблема визначення закономірностей збудженості об’єднавчих плат, вирішенню якої присвячено третій розділ.

Важливість проблеми коливань блоків РЕА з точки зору їх функціональної роботоздатності підтверджується результатами вібраційних випробувань, отриманих з використанням безконтактного способу реєстрації коливань за допомогою високошвидкісної відеозйомки. Встановлено, що амплітуди коливань об'єднавчих плат можуть перевищувати проміжок між ними, внаслідок чого спостерігалися їх зіткнення. Крім того, мало місце відгвинчування болтів кріплення плат.

Для проведення експериментальних досліджень динамічного стану виробів РЕА використовувались вібраційні стенди, котрі дозволяють моделювати реальні динамічні навантаження.

Об’єкти дослідження при їх випробуваннях на виробництві кріпляться на рухомих платформах вібростендів за допомогою хрестоподібних пристроїв (рис. 9, а), які дозволяють як горизонтальне, так і вертикальне кріплення, що має місце в реальних умовах експлуатації.

На основі аналізу відомих результатів вібраційних випробувань було встановлено, що недостатня увага приділялася контролю заданих параметрів, а також взаємозв'язку динамічних характеристик стенда зі спектром власних коливань об’єкту дослідження. Як наслідок, при лабораторних випробуваннях виробів РЕА спостерігалися їх відмови, які не характерні для умов експлуатації.

Для запобігання вказаних ситуацій були визначені динамічні характеристики вібраційного стенда УВЭ 10/5000. За результатами проведених досліджень були визначені амплітудно-частотні характеристики рухомої платформи вібростенда і хрестоподібного пристрою кріплення. Встановлено, що їх резонансні частоти коливань не збігаються, що є однією із умов достовірності результатів вібраційних випробувань. Проте при їх проведенні важливе значення має забезпечення ідентичності умов збудження коливань. Стосовно об’єктів, що розглядаються в роботі, критерієм такої ідентичності є розподіл віброперевантажень по поверхні рухомої платформи вібростенда. На основі отриманих кругових діаграм розподілу віброперевантажень було встановлено, що він є нерівномірним і залежить від частоти збудження. Це обумовлює неможливість порівняння даних вібраційних випробувань закріплених в пристрої плат і, як наслідок, їх можливе неправильне трактування.

З огляду на результати вібраційних випробувань плат з використанням хрестоподібних пристроїв кріплення, було розроблено дві нові конструкції так званих безрезонансних пристроїв для кріплення мікромодулів,

названі в роботі кубічним (рис. 9, б) і пластинчастим (рис. 9, в), котрі забезпечують однакові рівні збудження мікромодулів в заданому частотному діапазоні.

Для підтвердження припущення, що запропоновані конструкції пристроїв кріплення задовольняють сформульованим вище умовам, були проведені їх вібровипробування. Встановлено, що в діапазоні частот збудження коливань 10...10000 Гц, які характерні для умов експлуатації більшості блоків РЕА, не спостерігалося резонансних станів пристроїв, а віброперевантаження у трьох взаємно перпендикулярних площинах (рис. 10) були практично постійними. Саме на підставі цих результатів можна зробити висновок, що розроблені конструкції пристроїв кріплення виробів РЕА дозволяють одержати достовірні дані про їх вібраційні характеристики в широкому діапазоні частот збудження коливань.

Для аналізу впливу конструктивних особливостей плат на їх вібраційні характеристики розглянуто можливий підхід до вибору розрахункової моделі об’єднавчої плати з начіпним монтажем. Використовуючи відомі з літератури підходи до вирішення зазначеної проблеми, з урахуванням виду матеріалу та начіпного монтажу проведено розрахунок основної частоти коливань моделі об’єднавчої плати. Порівняння результатів розрахунків з даними експериментів показало, що вибрана модель не дозволяє адекватно описати динамічний стан об’єднавчої плати з дискретним начіпним монтажем. Тому для достовірного визначення вібраційних характеристик таких плат в подальшому використовували експериментальний метод.

Вібраційні випробування об’єднавчих плат з метою встановлення закономірностей передачі на них сил збудження, що супроводжують експлуатацію блоків РЕА, проводились з використанням як стандартного хрестоподібного пристрою для кріплення ММ, так і запропонованих в роботі – кубічного та пластинчатого. Були визначені власні частоти та форми коливань, а також амплітудно-частотні характеристики об’єднавчих плат в діапазоні частот коливань 200…5000 Гц.

Експериментально визначені форми коливань у вигляді фігур Хладні свідчать про складний динамічний стан об’єднавчих плат зі встановленими на них мікромодулями. Амплітудно-частотні характеристики мікромодулів залежить від конструктивно-технологічного їх виконання. Порівняння амплітудно-частотних характеристик ММ при вертикальному розташуванні об’єднавчих плат в хрестоподібному і кубічному пристроях кріплення (рис. 10), показало, що у розглянутому діапазоні частот збудження при випробуваннях за допомогою кубічного пристрою не спостерігаються резонансні стани мікромодулів, що підтверджує зроблений вище висновок.

Четвертий розділ присвячено розробці методів зниження збудженості коливань плат блоків РЕА. Враховуючи результати вібраційних випробувань їх складових, важливим питанням є оцінка впливу конструктивно-технологічних особливостей блоків на передачу на об’єднавчі плати збуджуючих сил, які виникають при експлуатації, а також розробка ефективних методів зниження збудженості їх коливань та віброізоляції. Об’єктами дослідження були дві типові за пружно-інерційними характеристиками об’єднавчі плати, позначені в подальшому як П1 та П2.

Оскільки блок РЕА – це зв'язана механічна система, то на коливання об'єднавчих плат істотно впливають як корпус, так і начіпний монтаж, а також елементи зв'язку і монтажу.

Для визначення особливостей впливу корпуса на коливання об'єднавчих плат дослідження проводили з трьома модифікаціями конструкції корпуса: 1) серійний корпус із стінками з алюмінієвого сплаву Д-1; 2) серійний корпус із стінками з демпфіруючого сплаву (склотекстоліту) КАСТ; 3) серійний корпус без бокових стінок.

Були отримані амплітудно-частотні характеристики досліджуваних плат, встановлених в зазначених модифікаціях корпусу. Їх порівняння показало, що при однаковому рівні збуджуючих сил найменший рівень коливань плат має місце при їх встановленні в серійному корпусі, хоч він є також високим і небезпечним для змонтованих на них радіоелементів. Крім того, тип корпусу несуттєво впливає на частотні характеристики плат, тому його не можна використати як засіб відлагодження від резонансу. Тому виникає необхідність пошуку нових ефективних способів зниження збудженості коливань плат. Для вирішення такої задачі дослідження проводилися в двох напрямках, а саме: 1) визначення впливу умов встановлення блоку РЕА на рухливих об'єктах; 2) вивчення впливу умов монтажу об'єднавчих плат у корпусі блоку РЕА.

Слід зазначити, що подальші експериментальні результати отримані при випробуваннях плат в корпусі третьої модифікації з метою виключення впливу стінок корпусу.

Було розглянуто два варіанти встановлення корпуса блоку РЕА на рухомій платформі вібростенда: 1) жорстке за допомогою болтів; 2) податливе на гумових прокладках, які обумовлюють пружно-дисипа-тивний зв'язок блоку із платформою вібростенда.

При вивченні впли-ву умов монтажу об'єднавчих плат в корпусі були розглянуті альтернативні до існуючих способи механічної зв’язності, а саме: бандажування за допомогою екранованого кабелю та рейкове з’єднання, як показано на рис. 11.

Результати випробувань представлені на рис. 12, а, у вигляді АЧХ відносного вібропришвидшення об’єднавчої плати П1, де ап та а0 - амплітуди вібропришвидшення плати і рухомої платформи відповідно, їх аналіз дозволяє зробити такі висновки:

1. Використання податливого встановлення блоку при даному способі зв’язності плат обумовлює зниження збудження їх коливань, ступінь якого залежить від співвідношення пружних характеристик опори, плат та їх зв’язку.

2. Незалежно від способу встановлення блоку найбільше зниження збудженості коливань плат має місце при рейковому з'єднанні плат, яке зростає при наявності гумових прокладок в пазах рейки, що обумовлено зростанням демпфірувальної здатності системи.

3. Жорстке встановлення блоку обумовлює такий рівень амплітуд коливань об’єднавчих плат, який може перевищувати проміжок між ними і таким чином викликати порушення функціональної працездатності блоку РЕА.

Крім того, запропоновані способи зв’язності плат також не можуть використовуватися як засоби їх відлагодження від резонансу.

Представлені вище результати щодо можливостей зниження збудженості коливань об'єднавчих плат отримані для випадку існуючого кріплення в напрямних корпуса блоку РЕА. Проте самостійний інтерес представляють дослідження впливу жорсткості кріплення на характеристики коливань плат при інших однакових умовах.

Були проведені випробування плат для існуючих в практиці виробництва блоків РЕА кріплень плат в пластмасових напрямних, а також запропонованих в роботі з використанням віброізолюючої тканинної та гумової стрічок, а також на віброізолюючій тканинній стрічці з демпфером сухого тертя. Значення експериментально визначених характеристик резонансних коливань об'єднавчих плат при різних умовах їх встановлення в напрямних корпусу приведені в табл. 1.

З представлених даних витікає, по-перше, що найбільш ефективним методом зниження збудженості коливань об'єднавчих плат є кріплення їх у корпусі на тканинній стрічці з демпфером сухого тертя, котре використане на підприємстві ВАТ ”Трансформатор сервіс”. По-друге, запропоновані способи встановлення плат в корпусі обумовлюють такий рівень їх коливань в широкому діапазоні частот збудження, який не перевищує проміжок між ними. Крім того, їх використання обумовлює відлагодження від резонансу.

Сумісне використання запропонованих способів механічної зв’язності плат та їх встановлення в напрямних корпусу може забезпечити ще більш ефективне зниження збудженості коливань об’єднавчих плат.

Для теоретичного обгрунтування результатів експериментальних досліджень, а саме, впливу способів встановлення блоку РЕА та кріплень плат була розроблена дискретна модель досліджуваної механічної системи у вигляді двохмасової коливальної системи, що для випадку жорсткого зв'язку блоку з рухомою платформою вібростенда представлена на рис. 13, де маса m2 моделює плату.

Відносна амплітуда коливань маси m2, визначалась за формулою:

, (1)

Тут А0 , Ап – амплітуди переміщення рухомої частини вібростенду та коливань плати відповідно; ,

де k1, k2 – коефіцієнти жорсткості зв’язку корпуса з платформою і плати з корпусом відповідно; с1, с2 – коефіцієнти в’язкого демпфірування зв’язку корпуса з платформою і плати з корпусом відповідно.

Результати проведених обчислень наведені на рис. 12, б та в табл. 1, а їх порівняння з експериментальними даними підтверджує обгрунтованість розробленої розрахункової моделі.

Таким чином, наведені вище результати показують, що найбільш ефективним способом зниження збудженості плат є використання їх з’єднання з корпусом за допомогою тканинної стрічки з демпфером сухого тертя незалежно від встановлення блоку. Його конструктивна схема показана на рис. 14.

Демпфер сухого тертя представляє собою бронзову пластину, яка вставляється в напрямні корпуса. При зміщенні контактуючих поверхонь плати з пластиною і корпусом блока мають місце втрати енергії.

Ефективність демпфера сухого тертя з точки зору зниження збудженості коливань плат визначається кутом , що підтверджується результатами проведених експериментальних досліджень. При цьому його зміна

викликає як зміну демпфірувальної здатності системи, так і її відлагодження від резонансу.

Для розробки методики вибору параметрів демпфера сухого тертя була розроблена розрахункова модель об’єднавчої плати з урахуванням особливостей її кріплення в блоці РЕА.

З використанням методу еквівалентного в’язкого тертя та балкової аналогії, тобто заміни пластини еквівалентною балкою, співвідношення розмірів якої визначають залежністю:

. (2)

де m – маса плати з радіоелементами; - частота збуджуючої сили; с – власна частота коливань плати; fтр - коефіцієнт тертя пари пластина-корпус; - прогин пластини; E – модуль пружності матеріалу пластини; l, b, h – довжина, ширина і товщина пластини відповідно.

Із залежності (2) видно, що при встановлених співвідношеннях розмірів пластини l, b, h, які обираються виходячи з конструкторських міркувань, можна забезпечити їх визначення.

Для підтвердження достовірності розробленої методики було проведено розрахунок розмірів демпфера сухого тертя та виконано порівняння одержаних результатів з розмірами демпфера. Похибка не перевищила 4%.

Важливе практичне значення має захист блоків РЕА від зовнішніх динамічних навантажень. Достатньо ефективним способом вирішення цієї задачі, як показано вище, може бути використання демпфера сухого тертя. Для реалізації такого підходу була запропонована схема пристрою віброізоляції блоку, яка показана на рис. 15.

Блок РЕА 2 встановлюється в корпусі пристрою 1 на циліндричних пружинах. При цьому їх жорсткість така, що частота коливань блоку в корпусі пристрою складає 3...8 Гц. Циліндричні пружини кріпляться до корпусу пристрою за допомогою пластинчастих пружин 3 у вигляді клиноподібних напрямних і входять всередину циліндричних пружин. В ці напрямні входить шток 4, який кріпиться до корпуса блоку РЕА. В свою чергу до нього кріпляться диски, виготовлені з твердої гуми чи скловолокна.

Для підтвердження ефективності запропонованого пристрою із зниження збудженості коливань блоку РЕА були проведені експериментальні дослідження блоку вихідної модифікації. На рис. 16 приведені амплітудно-частотні характеристики плати П1, які отримані при встановленні блоку як у віброізолюючому пристрої, так і без нього. Їх порівняння показує, що використання розробленого пристрою обумовлює рівень коливань плат не більше 10 мм, тобто не перевищує проміжок між ними, внаслідок чого запобігається порушення функціональної роботоздатності блоку РЕА від ударів плат.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено основи тензометрування і експериментального дослідження статичного і динамічного станів елементів радіоелектронної апаратури, які дозволяють враховувати особливості їх конструктивного виконання та умов експлуатації, і проведено доробку тензометричної апаратури, яка дозволяє підвищити чутливість, завадоздатність та стабільність роботи.

2. Встановлено закономірності впливу на статичне деформування плат мікромодулів таких експлуатаційних факторів, як атмосферний тиск та зміна температури (термоудар). Показано, що рівень їх деформацій залежить від конструктивного виконання мікромодуля. Так, найменшому впливу атмосферного тиску у всьому діапазоні його зміни піддаються плати мікромодулів монолітної, а найбільше – напівпорожнистої конструкцій. Вплив термоударів на деформований стан плат мікромодулів полягає в тому, що рівень їх деформацій даної конструкції протягом усіх циклів термоударів практично не залежить від типу покриття. Однак для плат мікромодулів напівпорожнистої конструкції він у 1,5...2 рази перевищує рівень деформацій для плат монолітної конструкції.

3. Визначено, що деформований стан плат мікромодулів істотно залежить від жорсткості їх зв'язку з об'єднавчою платою, що визначається пружними характеристиками виводів, а також способом їх заливання. Запропоновано нову конструкцію виводів, яка забезпечує істотне зниження передачі деформацій об’єднавчих плат. Розроблено методику із встановлення допустимого утворення жолобоподібної форми об’єднавчих плат.

4. Розроблені нові конструкції пристроїв для кріплення виробів РЕА, які дозволяють уникнути встановленої нерівномірності віброперевантажень у площині існуючих пристроїв кріплення і отримати достовірні дані про вібраційні характеристики об’єктів дослідження в широкому діапазоні частот збудження коливань

5. Виконано комплекс експериментальних досліджень з вивчення впливу конструктивно-технологічних факторів на збудження коливань об'єднавчих плат з використанням розроблених на рівні винаходів способів механічної зв'язності об'єднавчих плат і різних способів їх оригінальних кріплень у напрямних корпуса блоку РЕА, що дозволили істотно знизити рівень коливань об'єднавчих плат. Показано, що незалежно від способу встановлення блоку РЕА рейкове з'єднання об’єднавчих плат забезпечує зниження рівня резонансних коливань в 2,5..3 рази, а використання кріплень плат в напрямних корпуса на віброізолюючій тканинній стрічці з демпфером сухого тертя – 15…20 раз у порівнянні з існуючими. Сумісне використання зазначених способів може ще більш суттєво знизити рівень збудженності плат.

6. Розроблено розрахункову модель системи корпус – об'єднавча плата, обґрунтованість якої підтверджується добрим узгодженням розрахункових і експериментальних даних з визначення характеристик (частот та амплітуд) резонансних коливань об’єднавчих плат.

7. На підставі проведених експериментальних досліджень коливань об’єднавчих плат, закріплених на віброізлюючій тканинній стрічці з демпфером сухого тертя, розроблена методика визначення його розмірів, що забезпечує ефективне зниження збудженості коливань плат.

8. Запропоновано спосіб віброізоляції елементів РЕА з використання демпфера сухого тертя. Показано, що за рахунок вибору параметрів пружин і демпферів сухого тертя можна забезпечити як відлагодження від резонансу, так і зниження рівня коливань об’єктів дослідження.

Основний зміст дисертаційної роботи викладено у таких публікаціях:

1. Стрельбіцький В.В. Про параметри і аналітичні залежності, що характеризують деформацію і механічні властивості гуми // Вісник Технологічного університету Поділля. Сер. техн. наук. - 2003. - № . – Ч.1 – С. 145–147.

2. Ройзман В.П., Стрельбицкий В.В. Исследование передачи деформаций функциональных плат на смонтированные на них микромодули // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2004. - № 1. – С. 148-154.

Здобувачем встановлені закономірності передачі деформацій від об’єднавчих плат на плати мікромодулів, запропоновано конструкцію виводів, котра дозволяє зменшити вплив об’єднавчої плати.

3. Стрельбицкий В.В., Ройзман В.П. Исследование деформаций контактных узлов плат микромодулей, вызванные изгибом платы функционального узла // Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины. – 2004. - № 2 – С. 216 - 219.

Здобувачем визначені деформації в контактних вузлах виробів радіоелектронної апаратури та проведена доробка методу електротензометрії їх складових.

4. Ройзман В.П., Стрельбицкий В.В. Влияние формовки резисторов на величину монтажных напряжений и передачу нагрузок на резисторы при деформациях объединительной платы // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2004. - № . – С. 127-129.

Здобувачем досліджено закономірності впливу формування виводів на деформований стан резисторів.

5. Стрельбицкий В.В. Методика установления допустимого коробления объединительных плат. // Матеріали 1 Наук.-практ. конф. “Науковий потенціал світу 2004”. – Т. 61. – Дніпропетровськ. – 2004. – С. 44.

6. Ройзман В.П., Стрельбицкий В.В. Исследование влияния выдержки под нагрузкой платы функционального узла на деформации смонтированных на ней микромодулей // Вісник Технологічного університету Поділля. Сер. техн. наук. – 2004. - № . – С. 191-196.

Здобувачем проведено визначення деформацій плат мікромодулів при деформуванні об’єднавчої плати.

7. Ройзман В.П., Стрельбицкий В.В. Вибрации объединительных плат, расположенных в электронных приборах // Вибрации в технике и технологиях. – 2005. - № 1. – С. 31-36.

Здобувачем проведено аналіз впливу кріплень на вібронапруженність об’єднавчих плат, запропонована модель коливань плати на тканинній стрічці з демпфером сухого тертя.

8. Стрельбицкий В.В., Ройзман В.П., Нестер Н.А. Вибрации объединительных плат в электронных приборах // Вісник Технологічного університету Поділля. Сер. техн. наук.– 2005. - № 5. – Ч.1 – С. 47-58.

Здобувачем проведено аналіз впливу конструктивних факторів на вібраційний стан об’єднавчих плат, запропонована методика визначення розмірів демпфера сухого тертя.

9. Royzman V., Strelbitsky V. Influence of Deformations in Printed Cuicuit Coards on the Efficiency of Electronic Components Insalled on them // Mechanika 2005. Konferencijos programa. – Kaunas, 2005. – p. 12.

Здобувачем проведено аналіз факторів, які впливають на вібронапруженість об’єднавчих плат.

10. Стрельбіцький В., Ройзман В. Захист монтажних основ виробів електроніки і розташованих на них елементів та вузлів від силової дії // 7 Міжнар. симп. укр. інж.-механіків у Львові: Тези допов. - Львів, 2005. - С. 30.

Здобувачем запропоновані способи захисту об’єднавчих плат від механічних навантажень.

11. Стрельбицкий В.В., Ройзман В.П. Методы защиты контактных узлов и электронных компонентов от механических воздействий со стороны их оснований // Тр. 6 Научно-практ. конф. “Современные информационные и электронные технологии”. – Одесса. – 2005. – С. 256.

Здобувачем запропоновані способи захисту контактних вузлів радіоелементів та об’єднавчих плат від динамічних навантажень.

12. Стрельбицкий В.В., Ройзман В.П. Экспериментальное исследование напряжений возникающих в платах микромодулей при термоударе // Сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. “Повышение качества, надежности и долговечности технических систем и технологических процессов”. – Хмельницкий: ХНУ, 2005. – С. 106-110.

Здобувачем проведено експериментальні дослідження та встановлено закономірності впливу зміни температури (термоудару) на статичне деформування плат мікромодулів.

13. Ройзман В.П., Стрельбицкий В.В. Экспериментальное исследование напряжений, возникающих в платах микромодулей, при изменении атмосферного давления // Вісник Технологічного університету Поділля. Сер. техн. наук. – 2006. - №1. – С. 206-207.

Здобувачем проведено експериментальні дослідження, встановлено закономірності впливу атмосферного тиску на статичне деформування плат мікромодулів.

14. Стрельбицкий В.В., Ройзман В.П. Изгиб объединительных плат и его влияние на деформирование контактных узлов // Тр. 7 Научно-практ. конф. “Современные информационные и электронные технологии”. – Одесса. – 2006. – С. 62.

Здобувачем встановлено закономірності впливу на деформування контактних вузлів плат мікромодулів деформацій об’єднавчої плати.

15. Стрельбицкий В.В., Зиньковский А.П. Влияние корпуса блока радиоэлектронной аппаратуры на возбудимость объединительных плат // Вісник Хмельницького національного університету. Сер. техн. наук. – 2006. – № 5. – С. 144-147.

Здобувачем встановлені закономірності впливу типу корпуса блока РЕА на вібраційні характеристики об’єднавчих плат.

16. Стрельбіцький В.В., Зіньковський А.П. Способи