На практике удобно пользоваться упрощенной фор­мулой

a_a ≈ , (42)

где 2S_a - размах колебания.

Рисунок 18 – Номограмма для пересчета амплитуд смещения в амплитуду

ускорения и обратно

Значения подсчитанные по формуле (36), получаются на 0,6% меньше, чем по формуле (35). Для сравнительной оценки интенсивности вибрации, выражаемой в величинах мощности Р, пользуются логарифмическими единицами -децибелами:

M=10lg , дб, (43)

где Р - интенсивность мощности вибрации относитель­но некоторой начальной мощности Р₀.

Колебательный процесс, при котором в течение ко­нечных промежутков времени (пауз) колебательная ве­личина q = 0, а в течение промежутков времени t_и от­лична от нуля, называется импульсным. Импульсные процессы бывают периодическими и непериодическими. Одиночные механические импульсы являются ударами.

На практике часто имеют место колебательные про­цессы (вибрация), при которых значения колебательной величины q₁, q₂,... в различные моменты времени t₁, t₂,... являются случайными. Такие случайные вибраци­онные колебания можно представить себе как любые не­периодические и неповторяющиеся колебания. Случай­ную вибрацию можно описать как колебание, состоящее из последовательного ряда синусоидальных колебаний всех частот, в которых амплитуды и фазовые углы из­меняются случайным образом во времени.

Известно, что свойства колебательного процесса ха­рактеризуются его спектром. Различают амплитудный и фазовый спектры колебаний. Амплитудным спектром принято называть совокупность амплитуд гармонических составляющих колебания, а фазовым спектром - сово­купность их начальных фазовых углов.

Если гармонические составляющие колебания обла­дают дискретными значениями частот, то они образуют линейчатый спектр. Такой спектр имеют периодические колебания, у которых частоты членов тригонометриче­ского ряда Фурье изменяются от предыдущего члена к последующему ступенями, равными основной частоте колебанияω:

q(t) = , (44)

где a₀, a_1, a_{2, …,} a_k и b_1, b_{2, …,} b_k коэффициенты Фурье.

Основную частоту периодических колебаний приня­то называть базисной. При гармонических колебаниях частоты более высокие, чем базисные, и кратные ей на­зывают высшими составляющими или составляющие высшего порядка (обертонами).

Величина i указывает кратность частоты данной гар­монической составляющей относительно основной часто­ты. Составляющая i-гo порядка равна произведению iv.

Для характеристики степени содержания в перио­дическом колебании обертонов (высших гармоник) поль­зуются коэффициентом гармоник (нелинейных искаже­ний), представляющим собой отношение корня квадратного из суммы квадратов амплитуд гармоник выше пер­вой к первой гармонике:

γ = . (45)

Если гармонические составляющие колебания обла­дают непрерывной последовательностью частот, то они образуют сплошной спектр, характерный для непериоди­ческих колебаний. Данный спектр содержит бесконечно большое число гармонических колебаний с бесконечно-малыми амплитудами.

Известно, что имеется связь между сплошным и ли­нейчатым спектрами с одной стороны и спектрами оди­ночного и повторяющегося импульсов с другой (рисунок 19). Если функция q_и(t) описывает некоторый одиночный импульс длительности t_и, а функция q(t)описывает периодический процесс, возникающий при по­вторении этого же импульса через промежутки време­ни Т, то можно показать, что линейчатый спектр перио­дической функции q(t) вписывается в сплошной спектр S_и (ω) функции q_и(t) для одиночного импульса, причем чем меньше частота повторения импульсов Ω=2π/T, тем гуще расположены дискретные линии спектра (v = ω =i Ω). В пределе, когда имеет место одиночный импульс, эти линии заполняют всю ось ω и линейчатый спектр с амплитудами So, Si, Sa,..., S_i, переходит в сплошной. При этом несмотря на изменение Т произведение S_iT остается постоянным.

Следует отметить, что спектр последовательности бес­порядочных одиночных импульсов равен спектру оди­ночного импульса такой же формы.

Если имеют место беспорядочно следующие один за другим короткие импульсы, то соответствующий им энер­гетический спектр оказывается постоянным в диапазоне частот. Колебательный процесс, имеющий указанный выше спектр, называют белым шумом (белой вибраци­ей). На практике белый шум может иметь место при случайной вибрации, но он встречается крайне редко.

Рисунок 19 – Связь между амплитудными спектрами единичного и периодически повторяющегося импульсов.

Для наглядности спектр колебаний изображают гра­фически спектральной диаграммой. Чаще строят или по­лучают с помощью измерительной аппаратуры ампли­тудную спектральную диаграмму, у которой по оси абсцисс откладываются частоты v (или ω) гармонических составляющих, входящих в состав колебательного про­цесса, а по оси ординат из точек соответствующих частот откладывают отрезки, пропорциональные значениям амплитуд.

Колебательное движение является одним из наибо­лее сложных процессов, так как колеблющаяся точка (тело, изделие) может иметь много степеней свободы и широкий частотный спектр колебаний. Для оценок различных колебательных процессов необходимо в общем случае получить сведения о шести независимых, коорди­натах (S_x, S_y, S_z, a_x, a_y, a_z,), определяющих положение изделия в пространстве, во времени за достаточно дли­тельный период. Такие сведения желательно иметь в виде осциллографических, магнитных и других видов за­писей, называемых виброграммами. Виброграммы чаще снимают для линейных смещений S_x(t), S_y(t), S_z(t), но они могут быть сняты и для угловых координат a_x(t), a_y(t), a_z(t). Пользуясь указанными данными, можно в принципе получить и другие параметры колебатель­ных процессов.

1.14. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБ ИСПЫТАНИЯХ

Краткое рассмотрение климатических и механи­ческих факторов, воздействующих на РЭА и ее элемен­ты, позволяет определить, каким видам испытаний они должны подвергаться.

Почти вся РЭА испытывается на механические воз­действия. В зависимости от целей испытаний на воздей­ствие вибрационных и ударных нагрузок различают проверку на прочность и на устойчивость. При этом при­нято считать, что целью проверки на прочность является установление способности изделий противостоять разру­шающему влиянию механических воздействий и продол­жать после их прекращения нормально выполнять свои функции. Целью проверки на устойчивость является установление способности изделий выполнять свои функ­ции и сохранять электрические параметры в пределах, указанных в ТЗ и ТУ норм при механических воздейст­виях.

Как показывает анализ, методы проведения указан­ных испытаний существенно не различаются. Отличие испытаний на прочность от испытаний на устойчивость заключается в продолжительности и в том, что им глав­ным образом подвергаются изделия, не предназначен­ные для работы в условиях механических воздействий и испытывающие их только при транспортировании. Такой подход оправдывает то, что испытаниям на прочность подвергают не работающие РЭА, а измерение парамет­ров производится до и после механических воздействий. В данном случае проведение испытаний под электриче­ской нагрузкой можно рассматривать, как создание более жестких условий. Испытания на устойчивость прово­дят: во-первых, для проверки способности изделий выполнять свои функции и сохранять электрические параметры в пределах норм, во-вторых, для выявления на­рушений в технологическом процессе производства;

в-третьих, при необходимости определения величины, по­вреждающей нагрузки.

Таким образом, различают следующие виды механи­ческих испытаний: виброустойчивость, вибропрочность при длительном или кратковременном воздействии, ударная устойчивость и прочность, устойчивость к воз­действию одиночных ударов с большим ускорением, устойчивость к воздействию центробежного ускорения, воздействие звукового давления, воздействие ускорений при транспортировании, взрывное воздействие, ветро­устойчивость, устойчивость к воздействию качки и дли­тельным наклонам, износоустойчивость элементов.

Помимо механических испытаний, РЭА и ее элемен­ты подвергают климатическим испытаниям, одним из важных видов которых являются испытания на тепло- и влагоустойчивость. Перед проведением этих испытаний необходимо установить их продолжительность. Различа­ют испытания на длительное и кратковременное воздей­ствия. Выбор длительности зависит от назначения и условий эксплуатации РЭА и оговаривается в ТУ.

Различают следующие виды климатических испыта­ний: теплоустойчивость при длительном или кратковре­менном воздействии, влагоустойчивость при длительном или кратковременном воздействии, циклическое воздей­ствие температуры, холодоустойчивость, воздействие инея и росы, воздействие повышенного или пониженного атмосферного давления, воздействие солнечной радиа­ции, воздействие морского тумана, воздействие пыли (пылеустойчивость или пылезащищеиность), грибоустойчивость, воздействие дождя, воздействие гидростатиче­ского давления.

Непрерывно расширяющиеся работы по созданию но­вых космических кораблей приводят к тому, что вместо испытаний на воздействие климатических условий око­лоземной атмосферы необходимо разрабатывать новые методы исследований на воздействие космических усло­вий. Соответственно меняются и уровни механических воздействий. Таким образом, при испытаниях РЭА и ее элементов, устанавливаемых на космических кораблях, их необходимо испытывать на виды воздействий, приве­денные в таблице 4.

Основным документом, определяющим последова­тельность работ при испытаниях, является методика ис­пытаний.

Таблица 4

Примечания: Б - беспилотный корабль; П - пилотируемый корабль; 0 - незначительный или отсутствующий параметр; 1- может потребовать обыч­ных усилий при проектировании; 2 - может потребовать специальных усилий; 3 - может быть критичным параметром.

Различают три основных способа проведения лабора­торных испытаний: последовательный, параллельный и комбинированный.

Последовательный способ предполагает по­очередное раздельное воздействие различных внешних факторов на испытываемые РЭА и наблюдение за их состоянием. Важным условием проведения последовательных испытаний является соблюдение определенного порядка воздействия внешних факторов. Рекомендуется начинать испытания с воздействий на РЭА наименее жестких внешних факторов, при которых будет наимень­шая опасность отказов. Возникающие при этом внезап­ные отказы не приводят обычно к большим задержкам во времени для их устранения, а также к росту расхо­дов на испытания. Воздействие определенного внешнего фактора на работу РЭА при данном методе испытаний позволяет более точно определить причины наблюдае­мых отказов.

Важную роль играет последовательность проведения испытаний. Установление единой последовательности проведения испытаний для различной РЭА и ее элемен­тов вряд ли оправдано. Оптимальная последовательность проведения испытаний зависит от назначения РЭА, ме­ста его установки и предполагаемых условий эксплуа­тации. Поэтому последовательность проведения испыта­ний для конкретных изделий указывается в ТУ или про­грамме испытаний. Рекомендуется климатические испы­тания РЭА и ее элементов проводить после радиотехни­ческих, электрических и механических испытаний.

Недостатком способа является зависимость резуль­татов испытаний от воздействия только одного внешнего фактора, что затрудняет возможность разработки выво­дов по поведению РЭА в реальных условиях эксплуа­тации. Кроме того, данный способ испытаний весьма про­должителен и при его осуществлении имеет место боль­шой износ РЭА.

Параллельный способ испытаний характери­зуется тем, что воздействию различных факторов под­вергаются одновременно (параллельно) несколько оди­наковых РЭА. Данный способ позволяет получить ма­ксимальное количество данных о состоянии РЭА за кратчайший промежуток времени при минимальном из­носе испытываемых образцов.

Комбинированный способ испытаний харак­теризуется одновременным воздействием ряда различ­ных факторов на испытываемые РЭА. Он позволяет определить реакцию РЭА на одновременное воздействие нескольких внешних факторов, что максимально прибли­жает испытания к реальным условиям эксплуатации. Кроме того, реализация данного способа позволяет эко­номить время испытаний. Комбинированный способ ис­пытаний выявляет такие отказы, которые при последовательном способе могли бы и не возникнуть. Однако в данном случае определить причину отказа бывает затруднительно, что приводит к необходимости исследова­ния возникшего отказа путем проведения последователь­ных испытаний.

Выбор сочетаний совместных воздействий различных факторов на испытываемые РЭА и элементы может про­изводиться в соответствии с таблицей 5.

Таблица 5

Примечания: 1 - сопровождается механическим износом; 2 - сопровождается ухудшением работоспособности; 3 - механический износ и ухудшение работоспособности; 4 - взаимосвязанные факторы; 5 - один фактор влияет на другой; 6 - взаимно ослабляющие факторы; 7 - несовместимые факторы. Х - сочетание факторов не рассматривается. Знак минус после числа 1, 2, 3 означает, что совместное действие факторов уменьшает их влияние.

Следует иметь в виду, что не всегда испытания комбинированным спо­собом приводят к ужесточению условий. Например, низ­кие температуры препятствуют, росту плесени и корро­зии в морских условиях. Часто комбинированные испы­тания осуществляют из-за невозможности разделения одновременного воздействия нескольких внешних факто­ров, а также оценки эффекта от их влияния на РЭА: например одновременное воздействие повышенной влаги и температуры. Недостатком комбинированного способа является необходимость создания и использования до­рогого и сложного оборудования для испытаний и кон­троля.

В ряде случаев рекомендуется для ускорения прове­дения испытаний осуществлять их параллельно-последо­вательным способом. При этом отобранное количество испытываемых РЭА разбивается на несколько групп, которые испытываются параллельно. В каждой из групп испытания проводят последовательным способом. В дан­ном случае все виды испытаний целесообразно разбить на четыре группы с таким расчетом, чтобы, с одной стороны, продолжительность испытаний во всех группах была примерно одинаковой, а с другой - чтобы объеди­ненные в одну группу виды испытаний были близки к реальным условиям.

Так, например, испытания на грибоустойчивость, на длительное воздействие тепла и морского тумана, на воздействие солнечной радиации рекомендуется прово­дить на РЭА, не подвергающихся другим видам механи­ческих и климатических воздействий. Возможная раз­бивка видов испытаний па группы и последовательность их проведения приведены в таблице 6.

Таблица 6

Если РЭА и ее элементы предназначены для эксплуа­тации в условиях тропического климата, рекомендуется испытывать их в следующей последовательности: 1) те­плоустойчивость; 2) влагоустойчивость; 3) холодоустой­чивость; 4) пониженное атмосферное давление; 5) солнечная радиация; 6) пылеустойчивость; 7) грибоустой­чивость; 8) морской туман.

Разработка методики испытаний на воздействие внешних факторов состоит из следующих основных этапов.

На первом этапе на основании технических условий (ТУ) и программы испытаний (ПИ), а также теории и данных экспериментов, полученных в процес­се разработки конкретной РЭА с учетом действующих требований, норм и методов механических и климатиче­ских испытаний необходимо определить:

1) каким способом будут осуществляться испытания (последовательным, параллельным или комбинирован­ным) и в какой степени выбранный способ испытаний позволит быстро и однозначно определить характер от­казов;

2) с помощью каких технических средств будут вос­производиться внешние воздействия;

3) как будет осуществляться контроль реакции РЭА на внешние воздействия и насколько точно будут кон­тролироваться имитируемые условия окружающей среды;

4) какими способами будут осуществляться закреп­ление и монтаж испытываемой РЭА на специальных стендах и в камерах.

Важным вопросом является установление интенсив­ности (жесткости) воздействий, которая зависит от вы­бора метода испытаний (моделирование реальных усло­вий, ускоренный или граничный методы).

Если установлены корреляционные связи между ре­альными и ускоренными испытаниями, то целесообразно проводить последние. При ускоренных испытаниях РЭА подвергается интенсивному воздействию в течение ко­роткого промежутка времени. Разрабатывая методику ускоренных или граничных испытаний, необходимо об­ратить внимание на возможность их повторения с мини­мальными отклонениями параметров.

При разработке методики граничных испытаний и испытаний на повреждающую нагрузку необходимо пре­дусмотреть возможность определения коэффициента запаса между способностью изделия работать при перегрузках и работой в реальных условиях эксплуа­тации.

При установлении интенсивности воздействий различ­ных факторов на РЭА следует решить, рассматривать ли только экстремальные значения параметров, характери­зующих внешние воздействия, или же весь спектр возможных значений. Как показывает практика, воздейст­вие экстремальных значений не эквивалентно воздейст­вию спектра. Так, например, при рассмотрении воздействия тепла представляет интерес оценить эффект, созда­ваемый быстрыми изменениями температуры (тепловой удар).

При рассмотрении воздействия вибрации необходимо оценить эффект, создаваемый вибрацией на одной ча­стоте или спектром частот.

Для установления единства требований, предъявляе­мых к климатическим и механическим испытаниям эле­ментов радиоэлектронной аппаратуры, Международной электротехнической комиссией (МЭК) разработаны рекомендации (Публикация 68-1, 1960 г.) по методикам проведения испытаний.

В заключение первого этапа, на основании действую­щей технической документации и рассмотренных выше мероприятий разрабатывают проект методики испыта­ний.

На втором этапе, пользуясь проектом методики, производят предварительные испытания, в ходе которых проверяется соответствие всего технического и контроль­но-измерительного оборудования предъявляемым к нему требованиям. На основании полученных в процессе предварительных испытаний данных уточняется методи­ка испытаний, а также режимы всего испытательного оборудования.

На третьем этапе производят полные испытания РЭА в соответствии с разработанной методикой.

На четвертом этапе обрабатывают и анализи­руют полученные данные, а также вносят необходимые коррективы в методику испытаний.

Для лучшей и более быстрой обработки данных ис­пытаний можно рекомендовать специальные карточки сбора информации (таблица7), лицевая сторона которых заполняется лицами, проводившими испытания, а оборотная сторона (таблица 8) - лицами, проводившими ре­монт и последующий контроль.

Таблица 7

Карта сбора информации

Дата———————— №———————— о———————испытаниях

(число, месяц, год) (порядковый но- (климатических,

мер испытаний из- механических или

делий одного типа) космических)

Испытания проводил ————————————

(подпись, дата)

Карточку заполнил————————————

(подпись, дата)

Таблица 8