Обоснование работоспособности резинометаллических виброизоляторов систем виброзащиты авиационного оборудования

Современное бортовое оборудование, размещенное на летательных аппаратах, подвергается воздействию сложного комплекса вибрационных и ударных нагрузок, которые снижают работоспособность радиоэлектронной аппаратуры. Под влиянием вибрационных и ударных нагрузок в элементах бортового оборудования происходит разрушение деталей крепления, обрывы соединительных элементов и их преждевременные отказы. Согласно имеющейся информации до 22% отказов в выборке, состоящей из 1990 элементов самолетного радиоэлектронного оборудования, были вызваны воздействием вибрационных нагрузок. В другой выборке, состоящей из 2600 изделий самолетного оборудования, вибрации и удары обусловили 41% отказов. Из этого следует, насколько важна защита авиационного оборудования от механических нагрузок.

Создание эффективных средств защиты бортового оборудования летательных аппаратов от вибрации и ударов является одной из важнейших проблем авиационной техники. С этой целью применяются следующие способы:

1. Применение устойчивых к механическим воздействиям блоков и узлов бортового оборудования.

2. Повышение прочности конструктивных элементов.

3. Защита бортового оборудования от источников механических воздействий, достигаемая установкой виброизоляторов.

Как показывает практика и результаты многочисленных исследований, в настоящее время установлено, что наиболее эффективным методом защиты бортового авиационного оборудования летательных аппаратов является применение виброизоляции, под которой понимается способность тех или иных конструктивных элементов препятствовать передаче колебаний от источника на защищаемый от вибрации объект. Основным элементом системы виброизоляции является виброизолятор, который устанавливается между источником вибрации и защищаемым оборудованием, и препятствующий прохождению колебаний с объекта на основание.

В качестве основных в настоящее время находят применение виброизоляторы на основе пружин, резины, резинометаллических, пневматических, гидравлических и других элементов. Очевидно, что безотказность радиоэлектронного оборудования летательных аппаратов в полной мере зависит от эффективной работоспособности виброизоляторов, применяемых в системах виброзащиты объектов. Повышение требований к надежности бортового оборудования и наметившаяся тенденция увеличения ресурса находящихся в эксплуатации элементов систем виброзащиты определяют необходимость создания виброизоляторов с требуемым ресурсом. Для этой цели необходимо на основе расчетных методов прогнозировать ресурс виброизоляторов, отработавших свой срок эксплуатации с целью определения возможности его продления. До настоящего времени эта проблема не была столь актуальной и поэтому на сегодняшний день по этому вопросу отсутствует какая-либо нормативно-техническая документация и методология.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методов, обеспечивающих выполнение работ по обоснованию требуемого ресурса авиационных виброизоляторов и определения возможности продления ресурсных показателей за пределы назначенного ресурса.

Основное содержание диссертации изложено в четырех главах.

Первая глава содержит обзор применения виброизоляторов в системах виброзащиты и виброизоляции различных объектов. Рассмотрены основные требования, предъявляемые к виброизоляторам систем виброзащиты авиационного оборудования, анализируется состояние исследуемого вопроса и формулируются задачи исследования.

Во второй главе проведен анализ работоспособности резинометаллических виброизоляторов в системах виброзащиты авиационного оборудования. Рассмотрены основные показатели, ответственные за работоспособность резинеметаллических виброизоляторов. Проведены исследования их напряженно-деформированного состояния, позволяющие выполнить сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния размерного ряда виброизоляторов.

Третья глава посвящена теоретическому обоснованию работоспособности виброизоляторов систем виброзащиты авиационного оборудования. Рассмотрены методы обеспечения работ и предложен алгоритм по обоснованию требуемого ресурса и определения возможности продления ресурсных показателей за пределы назначенного ресурса. Предложена методика расчета ресурса при случайном нагружении. Приведенная методика прогнозирования ресурса позволяет прогнозировать ресурс не только качественно (благоприятный или неблагоприятный прогноз), но и количественно — по суммарной мере повреждения конструкции.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию работоспособности резинометаллических виброизоляторов систем виброзащиты авиационного оборудования. Рассмотрена методика проведения экспериментальных исследований, а также экспериментальное оборудование. Выполненные экспериментальные исследования работоспособности предложенной конструкции резинометаллического виброизолятора повышенной виброизолирующей эффективности подтвердили возможность обоснованного назначения требуемых ресурсных показателей и срока эксплуатации.

На защиту выносятся, по мнению автора, наиболее значительные, ранее неизвестные результаты:

1. Методы обеспечения работ по обоснованию требуемого ресурса и продления ресурсных показателей виброизоляторов систем виброзащиты оборудования, отработавших назначенный ресурс.

2. Методика расчета ресурса при случайном нагружении.

3. Методика прогнозирования ресурса резинометаллических виброизоляторов.

4. Экспериментальные исследования работоспособности резинометаллических виброизоляторов.

Методы исследований. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния резинометаллических виброизоляторов проведены на основе одного из численных методов — метода конечных элементов. Также в работе широко использованы методы теории колебаний, надежности, теории вероятностей и математической статистики. Экспериментальные исследования проведены с применением измерительной аппаратуры и стендового оборудования. Обработка экспериментальных результатов выполнялась с применением программного обеспечения на компьютере.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научной конференции «VII Королёвские чтения» (г. Самара, 2003 г.), на научно-технической конференции «Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе» (г. Омск, 2003 г.), на I региональной научной конференции памяти Главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова (г. Омск, 2004 г.), на III Международном конгрессе «Военная техника, вооружение и двойные технологии» (г. Омск, 2005 г.), и на семинарах кафедр «Авиаракетостроение», «Стандартизация и сертификация» Омского государственного технического университета (г. Омск, 2005 г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы нашли отражение в опубликованных автором семи научно-технических статьях [57, 58, 64, 65, 69, 70, 73].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников из 74 наименований. Основная часть диссертационной работы содержит 163 страницы машинописного текста, 32 таблицы и 55 рисунков.

Выводы.

1. Предложена методика проведения экспериментальных исследований, которая позволяет экспериментально подтвердить требуемые ресурсные показатели исследуемых виброизоляторов.

2. Рассмотрено экспериментальное оборудование и стенды для исследования работоспособности резинометаллических виброизоляторов.

3. Выполненные экспериментальные исследования работоспособности предложенной конструкции резинометаллического виброизолятора повышенной виброизолирующей эффективности подтвердили возможность обоснованного назначения требуемых ресурсных показателей и срока эксплуатации.

4. Применение предложенных методов позволяет с наименьшими материальными затратами обоснованно назначать требуемый ресурс виброизоляторов с различными типами упругих элементов, а также определять возможность продления ресурсных показателей за пределы назначенного ресурса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Рассмотрено применение виброизоляторов в системах виброзащиты оборудования, в частности, бортового авиационного оборудования. Показаны преимущества резинометаллических виброизоляторов по сравнению с традиционными пружинными, резиновыми и другими упругими элементами.

2. Проведен анализ состояния исследуемого вопроса и сформулированы задачи исследования. Показана актуальность проблемы продления срока эксплуатации находящихся в эксплуатации элементов систем виброзащиты авиационного оборудования.

3. Впервые сформулирована задача обоснованного подтверждения требуемого ресурса и продления ресурсных показателей виброизоляторов, отработавших назначенный ресурс.

4. Проведен анализ работоспособности резинометаллических виброизоляторов в системах виброзащиты авиационного оборудования. На основании опыта эксплуатации виброизоляторов авиационного оборудования сформулированы следующие три предельные состояния, определяющие их работоспособность:

— прочность (нарушение сплошности);

— жесткость;

— деформация ползучести.

На основании отмеченных предельных состояний определены критерии отказов виброизоляторов в период эксплуатации:

— изменение жесткости до 50% от номинального значения;

— уменьшение статической прочности до 30% от начальной при сохранении виброизолятором сплошности;

— деформация ползучести до 10% от толщины резинового массива.

5. Для расширения эксплуатационных возможностей систем виброзащиты авиационного оборудования в диапазоне частот от 20 до 10 000 Гц с одновременным повышением их виброизолирующих свойств предложена конструкция резинометаллического виброизолятора.

6. С целью обоснования работоспособности виброизоляторов систем виброзащиты авиационного оборудования разработаны методы обеспечения работ по подтверждению требуемого ресурса и продления ресурсных показателей за пределы назначенного ресурса. Предложен алгоритм обоснования требуемого ресурса и срока эксплуатации виброизоляторов авиационного оборудования.

7. Проведены исследования напряженно-деформированного состояния предложенной конструкции резинометаллического виброизолятора. На основании проведенного в пакете прикладных программ NASTRAN 20.1 конечно-элементного расчета выявлены наиболее нагруженные зоны, которые представляют потенциальную опасность с точки зрения разрушения резинового армирующего массива. Приведены результаты расчета напряженно-деформированного состояния размерного ряда виброизоляторов, отличающихся геометрическими размерами и действующей статической нагрузкой.

8. Предложена методика расчета ресурса виброизоляторов при бигармо-ническом нагружении. Методика реализована в виде пакета программ расчета на ПК. Приведен тестовый пример расчета ресурса виброизолятора.

9. Разработана методика прогнозирования работоспособности виброизоляторов, позволяющая прогнозировать ресурс не только качественно (благоприятный или неблагоприятный прогноз), но и количественно — по суммарной мере повреждения конструкции.

10. Предложена методика проведения экспериментальных исследований работоспособности виброизоляторов. Рассмотрено экспериментальное оборудование и стенды для исследования работоспособности резинометаллических виброизоляторов.

11. Выполненный комплекс экспериментальных исследований виброизоляторов подтвердил основные теоретические положения, изложенные в диссертационной работе, и позволил обоснованно назначать требуемый ресурс и срок эксплуатации.

12. Применение предложенных в диссертации методик и алгоритма позволяет с наименьшими материальными затратами обоснованно назначать требуемый ресурс виброизоляторов с различными типами упругих элементов, а также определять возможность продления ресурсных показателей за пределы назначенного ресурса.