УДК 531.383.001.4
[1]
( «ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург)
Обзор средств защиты инерциальных чувствительных элементов от инерционных воздействий
Проанализированы отечественные и зарубежные классификации динамических воздействий на радиоэлектронную аппаратуру. Проведен обзор различных средств защиты инерциальных чувствительных элементов от динамических инерционных воздействий – вибрации и ударов. Подтверждена возможность применения указанных методов для микромеханических и волоконно-оптических гироскопов.
Введение
Применение на высокодинамичных объектах малогабаритных навигационных систем с такими инерциальными чувствительными элементами (ЧЭ), как микромеханические или волоконно-оптические гироскопы, требует повышения стойкости и прочности приборов к внешним инерционным воздействиям. При решении этой задачи возникает необходимость классифицировать инерционные воздействия и определить способы их снижения на инерциальные ЧЭ.
К инерционным или механическим воздействиям в соответствии с отечественными и зарубежными стандартами можно отнести следующие [1]: синусоидальная вибрация, в том числе широкополосная, и удары одиночного и многократного действия. Кроме того, существуют требования стойкости приборов к акустическому шуму и сейсмическому удару взрыва, однако эти воздействия в дальнейшем не анализируются.
Классификация внешних воздействий
Различные внешние факторы в той или иной степени влияют на работоспособность приборов. Особенно это влияние критично для гироскопических систем, которые из-за своей сложной конструкции и высоких требований к геометрической стабильности проявляют повышенную чувствительность к температурным и механическим воздействиям.
В таблице 1 для различных областей применения объектов приведены западные требования [18] к вибрационным и ударным воздействиям, которые аналогичны требованиям существующих отечественных стандартов. Ударное воздействие определяется, как правило, амплитудой и длительностью ударного импульса, в то время как вибрационное воздействие помимо амплитуды ускорения определяется еще и диапазоном частот для этого ускорения.
В последнее время стандарты регламентируют воздействие на аппаратуру переходных процессов сложной формы [3]. Например, американский стандарт [15] устанавливает механический удар, как виброудар с амплитудой 75 g, длительностью 8-13 мс и переходной частотой 80 Гц.
Т а б л и ц а 1
Требования к механическим воздействиям
Удары | Вибрации | ||||
Область применения | Амплитуда удара, g | Область применения | Диапазон частот, Гц | ||
Повседневное применение | |||||
Действие силы тяжести | Свободное падение | 1 | Автотранспорт | Обычная дорога | 0-400 |
Падение с высоты | 2000 | Машина скорой помощи | 2-500 | ||
Падение с высоты 25 м | 7000 | Автопоезд | 1-1000 | ||
Автомобилестроение | Акселерометры подушки безопасности | 50 | Требования для автомобильных датчиков | ||
Датчик удара | 1000 | Производство | Поворотные машины (моторы) | <1000 | |
Общее требование для применения | <3000 | Виброиспытания | Вибростол | 1 | |
Тяжелые внешние воздействия | |||||
Нефте-газодобыча | 20000 | Космический | На орбите | 0,1 - 3 | |
Во время запуска | 2 | ||||
Военное | Орудийный огонь | 23000 | Военное | Самолет в полете | |
Во время запуска снаряда | 10 | Ракеты | |||
Во время полета снаряда | 0,5 - 20 |
Важно понимать, что к гироскопическим системам предъявляется требование сохранения с заданной точностью углового положения основания после механического воздействия или во время него. Отсюда рождаются два очень важных понятия при проектировании прецизионных приборов – это прочность и стойкость к внешним воздействиям. Первое – это способность аппаратуры выполнять функции и сохранять параметры после приложения механических воздействий. Второе – способность аппаратуры сохранять функции и параметры в процессе и после механических воздействий. Обеспечение требований к вибрационной и ударной прочности и стойкости при повышении динамических характеристик гироскопических систем вызывает много технических проблем, однозначного решения которых не существует.
Сохранение углового положения гироприбора с точностью до единиц угловых секунд требует высокой угловой жесткости амортизирующей конструкции при низкой жесткости в поступательном направлении и отсутствия перекрестных связей между угловыми и поступательными движениями. Известные технические решения, когда амортизационный подвес комбинируется с пространственным параллелограммом [9], обладают рядом недостатков – наличие зоны застоя из-за сухого трения и люфта в шарнирах, значительные габариты. В отсутствии направляющих (например, в виде параллелограмма) небольшая величина и неравенство отдельных поступательных жесткостей при технической реализации порождает значительные угловые отклонения и большие хода амортизированных изделий, что из-за специфики их применений (существенно ограниченное пространство) не допустимо.
Классификация методов вибрационной защиты
В отечественных стандартах приводится классификация методов и средств вибрационной защиты [2], ключевые моменты которой могут быть отнесены и к инерциальным ЧЭ (рис. 1). Среди классифицируемых методов вводятся понятия – виброизоляция и виброгашение, которые следует различать. Виброизоляция – это изолирование объекта, например гироскопического ЧЭ, от вибрационного воздействия, то есть в общем случае, применение амортизаторов, демпферов, специальных конструкций вибро-ударозащитных устройств (ВУЗУ) или просто резиновых прокладок. Виброгашение – это снижение вибрации путем дополнительного воздействия, например, создание противофазных к входному воздействию ускорений. Следует отметить развитие методов активного динамического гашения колебаний гиросистем [4].
Рис.1 Методы вибрационной защиты.
а) б) Рис. 2. Амортизаторы и виброизоляторы. а – резино-металлические; б – спирально-тросовые |
Один из эффективных методов повышения устойчивости конструкции, как транспортируемой, так и стационарной, к воздействию вибраций, а также ударных и линейных нагрузок - использование амортизаторов. Действие амортизаторов основано на демпфировании резонансных частот, то есть поглощении части колебательной энергии [6]. Конструирование системы амортизации обычно начинается с выбора типа амортизаторов и схемы их размещения. Выбор амортизаторов или виброизоляторов производят исходя из допустимой нагрузки и предельных значений параметров, характеризующих условия эксплуатации (температура окружающей среды, влажность, механические нагрузки, и т. д.). Наиболее часто применяемые амортизаторы в современном отечественном приборостроении представлены на рис.2. Однако применение их для прецизионной техники ограничено по указанным ранее причинам.
Выбор схемы расположения амортизаторов зависит главным образом от расположения аппаратуры на носителе и условий динамического воздействия. Одно из основных требований состоит в обеспечении совпадения центра жесткости амортизационного подвески с центром масс амортизируемой конструкции (рис.3,а). Это позволяет минимизировать или даже устранить угловые колебания амортизируемого объекта при поступательной вибрации основания (рис.3,б) [6, 12].
а) б) Рис. 3. Схема (а) и реализация (б) амортизированной системы гироплатформы. |
Сложность создания пространственной амортизированной системы с использованием пассивных элементов (пружин и демпферов) состоит в невозможности обеспечения равенства жесткостей и коэффициентов демпфирования отдельных элементов вследствие технологических погрешностей. Более качественные варианты конструкции амортизированной системы приводят к необходимости использования активных элементов с адаптивной системой управления параметрами [13].
Существующие средства снижения механических воздействий
ВУЗУ для гироблоков, гравиметров и градиентометров.
На рис.4 представлены ВУЗУ для различных прецизионных приборов. Все они выполнены с применением специально разработанных демпферов и упругих элементов. ВУЗУ на рис. 4а [16] предназначено для волоконно-оптического гироскопа LN-200, которое способно снижать ударное воздействие с 30 до 15 g.
Устройство на рис. 4б используется для демпфирования вибрации гравиметра.
а) б)
Рис.4. ВУЗУ для волоконно-оптического гироскопа (а) и гравиметра (б).
Для подавления пространственной вибрации может быть использована шаровая опора, апробированная при создании гирокомпасов Г. Аншютц-Кемпфе [7].
Рис. 5. Конструкция криогенного градиентометра с антивибрационным устройством. |
Использование сферического магнитного подвеса обеспечивает одновременную развязку внутренней платформы по всем трем осям относительно угловых движений объекта и снижает вибрационные ускорения, действующие на блок ЧЭ градиентометра [5]. Для отработки основных вопросов создания сферического ССМП ПТ и элементов сферического антивибрационного устройства, обеспечивающего определенную степень изоляции блока ЧЭ СГГ от поступательных и угловых движений, в ЦНИИ «Электроприбор» разработана конструкция ЧЭ, представленная на рис.5.
Система активного виброгашения.
Рис. 6. Система активного виброгашения (3D модель). |
Пример метода вибрационной защиты, описываемого ранее, – виброгашения приведен на рис. 6. Эта система позволяет эффективно снижать уровень вибрационных помех объекта на 20 Дб в спектре частот от 6 до 200 Гц, создавая с помощью дополнительного внешнего источника энергии противофазные колебания, накладываемых на поле исходных вибраций объекта. При этом снижение уровня результирующих колебаний достигается за счет сложения полей исходных и вторичных колебаний [10].
Виброизоляторы для микромеханических устройств
Микромеханические ЧЭ существенно, на несколько порядков, отличаются по массогабаритным характеристикам от классических навигационных приборов. Это вызывает ряд особенностей при повышении их стойкости к динамическим воздействиям, такие как высокие собственные частоты конструкции (до десятков кГц) и невозможность применения классических амортизаторов. Для самих ЧЭ существует два способа повышения вибро-ударо прочности и стойкости – повышение резонансных частот и установка дополнительных упоров [18], но оба этих метода требуют изменения конструкции ЧЭ. Наиболее интересный результат разработок в этой области приведен на рис. 7а [19]. Это своеобразное ВУЗУ на уровне вафли микромеханического ЧЭ, разработанное в Университете Мичигана, США, способное эффективно снижать вибрационные воздействия свыше 2 кГц.
На рис. 8б изображен другой подход к снижению внешних механических воздействий – изолирование печатной платы с установленными на ней микромеханическими ЧЭ и системой обработки информации. Это микрогранулированный демпфер (woodpecker-inspired microgranular damper) [17], представляющий из себя металлический корпус, в который плотно упаковываются стеклянные микрогранулы и печатная плата с ЧЭ. Эта система так же эффективно работает на вибрации с частотой выше 2 кГц.
|
Выводы
Повышение динамических характеристик инерциальных ЧЭ, как правило, осуществляется двумя способами: виброизоляцией и виброгашением. Виброизоляция большинстве случаях связана с использованием традиционных пассивных демпфирующих устройств (амортизаторов), однако в последнее время наблюдается рост интереса к разработке активных демпфирующих устройств с адаптивным управлением.
Виброгашение высоких уровней инерционных воздействий на высокодинамичных объектах достаточно проблематично ввиду значительной энергоемкости такого процесса и недостаточной его эффективности на современном уровне развития техники. Однако и здесь возрастает интерес к использования активных элементов.
Применительно к микромеханическим датчикам существует ряд принципиально новых методов амортизации, таких как виброплатформа на уровне «вафли» или микрогранулированный демпфер.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №а.
Список литературы
1. ГОСТ . Внешние воздействующие факторы. Номенклатура и характеристики.
2. ГОСТ Вибрация. Методы и средства защиты.
3. ГОСТ Р . Испытания на удар с воспроизведением ударного спектра.
4. Амортизация, демпфирование и стабилизация бортовых оптических приборов. – Л.: «Машиностроение», 1984. – 232с.
5. , , Пространственный амортизатор корабельных гироприборов. / Морское приборостроение №3 1969
6. Лекции по конструированию аппаратуры, 2006. (http://prodav. *****/design/index. html).
7. , , Перспективы создания спутникового тензорного гравитационного градиентометра // Гироскопия и навигация. – 1996. – №3 – С.126.
8. , Результаты разработки и испытаний системы активной виброизоляции // Материалы XIII Конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», 2011.
9. Защита аппаратов от динамических воздействий. – М.: «Энергия», 1970. – 320с.
10. Нелинейная теория виброзащитных систем – М: Наука 1966
11. Влияние системы пространственной амортизации на точность стабилизации авиационного градиентометра // Гироскопия и навигация - 2011 - №2 – С. 92
12. Амортизация радиоэлектронной аппаратуры. М., «Советское радио», 1974. – 176с.
13. , Ли Мин. Активное динамическое гашение резонансных колебаний гироскопических систем // Вестник МГТУ им. . Приборостроение. 2008. - № 4. - С. 38-55.
14. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти т. /Под общ ред. М: Машиностроение 1981, Т. 6 Защита от вибрации и ударов. / Под ред. М: Машиностроение 1981.
15. MIL-STD-810G Environmental Engineering Considerations And Laboratory Tests.
16. Jamil I. Lannam, Stephen J. Ryan, Donald J. Wigent, Michal W. Mosher, Alan R. Klembczyk, Mitigation of military high shock transients for shipboard gyrocompass with fiber optic gyros. (http://www. )
17. Sang-Hee Yoon, Jin-Eep Roh, Ki Lyug Kim. Shock Isolation of Micromachined Device for High-g Applications, Structural dynamics of electronic and photonic systems, pp. 449-482, 2011.
18. Sang Won Yoon, Vibration isolation and shock protection for MEMS, Ph. D. dissertation, Dept. Elect. put. Sci., Univ. Michigan, Ann Arbor, MI, 2009.
19. Sang Won Yoon, Sangwoo Lee, Noel C Perkins and Khalil Najafi. Analysis and wafer-level design of a high-order silicon vibration isolator for resonating MEMS devices, J. Microelectromech. Systems, vol. 21, no. 1, pp. 015017..11, 2011.
Автор не возражает против размещения доклада в Интернете и согласны с его последующей публикацией в сборнике материалов конференции.
(8, eliseev. *****@***com
Научный руководитель д. т.н., доц.
