Рис. 15.5. Амортизатор типа АП и его

крепление: / - резиновая шайба; 2 - поверхность резиновой шайбы, воспринимающая ударные перегрузки; 3 - пластина; 4 - основание, на котором закреплен аппарат; 5 - втулка; 6 - ограничительные шайбы (ограничивают деформацию и предотвращают разрушение амортизатора при больших нагрузках); 7 - футляр аппарата; 8 - втулка, увеличивающая рабочий ход амортизатора

горий аппаратуры (самолетной, корабельной, автомобильной и др.) кроме вибрации могут иметь место удары. Действие удара сводится к тому, что основание, на котором закреплен аппарат, за короткий промежуток времени приобретает большую скорость, т. е. на него действует большое ускорение. Аппарат, жестко закрепленный на основании, испытывает такое же ускорение. Если аппарат закреплен на основании с помощью амортизаторов, то за счет их деформации скорость аппарата приобретает максимальное значение за больший промежуток времени, поэтому на него действует меньшее ускорение. В реальных конструкциях ход (деформация) амортизатора ограничен. Сила, действующая на амортизатор, при достаточно большой перегрузке может вызвать его полную деформацию, после чего происходит жесткое соударение устройств, ограничивающих хоц. При этом на аппарат действует большое ускорение.

Чтобы защитить аппарат от действия больших ударных перегрузок, необходимо применять более жесткие амортизаторы. Они, как известно, плохо защищают аппарат от воздействия вибраций. Таким образом, при необходимости защитить аппарат от воздеп-тия рибр.япии к удрров к амортизатору предъявляют явно противоречивые требования. Эти противоречия разрешаются на практике использованием в одной кон-струкц1Ш двух амортизаторов: мягкого - для защиты от вибрации, жесткого - для защиты от ударов. Более жесткий (противоударный) амортизатор не должен включаться в работу, когда на аппарат действуют вибрационные перегрузки; при воздействии больших ударных перегрузок, после того как мягкий амортизатор сдеформировался на величину своего рабочего хода, возникающие усилия должен воспринимать противоударный амортизатор.

Рассмотрим конструкцию и основные характеристики амортизаторов, используемых в радиоаппаратостроении. Разновидность конструктивного оформления пластинчатого резино-металлического амортизатора типа АП изображена на рис. 15.5 (там же показан способ закрепления аппарата на амортизаторах).

Упругим элементом указанного амортизатора является резиновая шайба 1 специальной формы, привулканизироваиная к металлической втулке и пластине.

Резинометаллические амортизаторы просты по конструкции, компактны, легки и имеют низкую стоимость. Однако резина как упругий элемент обладает рядом недостатков: она плохо вьщерживает большие длительные деформации; жесткость резшового амортизатора резко увеличивается при понижении температуры (при t--30 °С жесткость

возрастает примерно в полтора раза, а при t = -60 °С резиновые амортизаторы вообще непригодны для эксплуатации); при высоких положительных температурах (более +80°Q, под действием солнечной радиации резина стареет и в ней образуются поверхностные трещины.

Амортизаторы АП выпускаются нескольких типоразмеров на номинальные нагрузки от 0,54 до 15,75 кГ. Среднее значение деформации амортизатора любого размера zo = 1,6 мм при номинальной нагрузке и г = 20°С. При температуре окружающего воздуха - 45°С и номинальной нагрузке прогиб zomin = 0,9 мм.

На основашш указанных данных можно определить низшую рабочую частоту, при которой указанные амортизаторы обеспечивают виброизоляцию от действия вертикальной вибрации. Для среднего значения прогиба и номинальной нагрузки в соответствтш с формулой (15.4) имеем

/о =15,8 /W = 15,8 /i7lX= 12,5 Гц.

Поэтому выброизоляция обеспечивается только при частоте вибрации / >/о1,41 = 17,6 Гц. При изменении температуры окружающего воздуха до -45 °С жесткость амортизатора увеличится (zo = 0,9 мм), и виброизоляция будет иметь место при />23,5 Гц. Все перечисленные недостатки ограничивают область применения амортизатора типа АП.

Недостатки резины заставляют отказаться от ее использования и применять металлические пружины. Однако недостатком пружин является очень малое собственное затухание, что требует применения в пружинном амортизаторе специального демпфера.

В изображенном на рис. 15.6 амортизаторе типа АД упругим элементом является спиральная пружина, сконструированная так, что при увеличении массы объекта входящие друг в друга витки пружины осаживаются на опорную пластину и выключаются из работы. Это приводит к увеличению жесткости амортизатора, которую рассчитывают так, чтобы частота собственных колебаний менялась незначительно. Такие амортизаторы называют равночас-тотными. Применение их позволяет осуществлять амортизацию объектов различной массЁ! при небольшом количестве типоразмеров амортизаторов. Пружина амортизатора заключена в резиновый баллон, имеющий калиброванное отверстие. При деформации пружины воздух должен выходить через отверстие, за счет чего создается дополнительное затухание.

Амортизаторы типа АД, рассчитанные на нагрузки от 0,25 до 15 кГ,

Рис. 15.6. Амортизатор типа АД: 1 - футляр аппарата; 2 - ограничительная шайба; 3 - калиброванное отверстие; 4 - резиновый фланец, ограничивающий ход амортизатора; 5 - пружина амортизатора; 6 - резиновый баллон- 7 - корпус амортизатора; 8 - опорная пластина

Рис. 15.7. Амортизатор типа АФД

выпускаются восьми типоразмеров, каждый из которых обладает равночастот-ностью при заданном диапазоне нагрузок. При этом частота собственных колебаний объекта лежит в пределах 7-9 Гц и виброизоляция начинается с частот 10-12 Гц. При использовании амортизаторов на высотных самолетах, где давление окружающего воздуха в несколько десятков раз меньше нормального, степень демпфирования резко ухудшается.

Один из недостатков амортизатора типа АД (зависимость степени демпфирования от свойств воздуха) устранен в амортизаторах типа АФД (рис. 15.7) использованием демпфера с сухим трением. В этом амортизаторе упругими элементами являются конические пружины 7 и 5, нижняя из которых имеет большую жесткость. Профиль пружин рдссчитан так, что амортизатор обладает равночастот-ностью. Диск 6 прижимается к корпусу распорной пружиной 7, благодаря чему обеспечивается демпфирование колеблющейся системы за счет трения диска о корпус 4. Демпфирование при вибраиции, действующей в горизЬнтальной плоскости, осуществляется за счет трения шайб 2 и 5 о диск 6. Для лучшего восприятия ударных нагрузок в нижней части амортизатора расположена упругая шайба 8, сплетенная из тонкой проволоки.

Благодаря значительному демпфированию частотная характеристика амортизатора АФД не имеет резко выраженного резонанса: частота собственньк колебаний в осевом направлении лежит в пределах 13- 17 Гц. Характеристии^ амортизаторов типа АФД практически не меняются с изменением температуры окружающего воздуха от -60 до -1-150°С и при изменении давления и влажности воздуха в любых пределах.

Амортизаторы с фрикционным демпфированием наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к виброзащите самолетной и других категорий аппаратуры.

§ 15.2. ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА

Большинство радиотехнических устройств, потребляя от источников питания мощность, измеряемую десятками, а иногда и сотнями ватт, отдают полезной нагрузке от десятьк долей до единиц ватта. Остальная электрическая энергия, превращаясь в тепловую, выделяется внутри аппарата. Температура нагрева аппарата оказывается выше температуры окружающей среды, в результате чего происходит процесс отдачи теплоты в Окружающее пространство. Этот процесс идет тем интенсивнее, чем больше разность температур аппарата и окружающей среды.

При некотором значении температуры поверхности оказываются равными количество теплоты, отдаваемой в окружающее пространство, и количество теплоты, вьщеляемое внутри аппарата; наступает состоя-

ние теплового равновесия - температура нагрева в каждой точке аппарата стабилизируется. Установившееся значение температуры определяется количеством теплоты, выделяемой внутри аппарата, и интенсив-, ностью процесса отдачи теплоты в окружающее пространство, а также температурой окружающей среды.

Как бьшо показано, надежность элементов радиоэлектронной аппа-рагуры сильно зависит от температуры окружающей среды. Для каждого типа элемента в технических условиях указьшается предельная температура, при превышении которой элемент нельзя эксплуатировать. Поэтому одна из важнейших задач конструктора радиоэлектронной аппаратуры состоит в том, чтобы обеспечить правильные тепловые режимы . для каждого элемента.

Передача теплоты от нагретого тела в окружающее пространство может осуществляться за счет теплопроводности, конвекции и радиации (лучеиспускания). Для аппаратов, находящихся в воздушной среде, конвекция - это перенос теплоты перемещающимися частицами воздуха. Схема тепловых потоков воздуха при естественной воздушной конвекции для аппарата с кожухом, имеющим уплотнение, показана на рис. 15.8, а. В этом случае передача теплоты от любого элемента происходит следующими путями: Г~к*

Рис. 15.8. Способы охлаждения аппаратуры; а - естественная циркуляция воздуха в кожухе с уплотнением; б - естественная циркуляция воздуха через кожух с перфорацией; в - принудительная циркуляция воздуха в кожухе с уплотнением; г - принудительная циркуляция воздуха через кожух с перфорациями; д - жидкостное охлаждение; / - кожух; 2 - платы (шасси)-с ЭРЭ; 3 -отверстия; 4-двигатель; 5 - вентилятор; 6 - ввод от вентилятора; 7 - отражатели, распределяющие воздушный поток равномерно по поперечному сечению кожуха; 8 - жидкость

9-168

1) нагретый воздух поднимается вверх, омьгеает стенки кожуха, охлаждается о них и опускается вниз. Охлажденный воздух снизу поступает в пространство, содержащее элементы, вьщеляющие теплоту (естественная конвекция);

2) по элементам конструкции часть теплого потока от каждого элемента достигает кожуха (теплопроводность);

3) часть теплового потока от нагретого тела передается кожуху за счет радиации.

Вся тепловая энергия, полученная кожухом, передается им в окружающее пространство также за счет конвекции, радиации и теплопроводности. В радиоэлектронной аппаратуре с естественной конвекцией воздуха часто не удается получить требуемьк температурных условий для радиоэлементов. Тогда приходится прибегать к специальным мерам по снижению температуры.

На рис. 15.8, показана схема аппарата охлаждаемого за счет естественной вентиляции. Характерной особенностью такого аппарата является наличие в кожухе отверстий или жалюзи, через которые воздух из окружающего пространства может попадать в аппарат. В этом случае нагретьш воздух, поднимаясь вверх, выходит из аппарата через отверстия в верхней крышке, а на его место снизу поступает воздух из окружающее го пространству, имеющий более низкую температуру: окружающий воздух пронизывает аппарат снизу вверх. Такая схема теплоотдачи значительно эффективнее, чем показанная на рис. 15.8, а.

Однако не во всех случаях можно делать отверстия в кожухе аппарата. Часто из-за ряда причин конструктор вьшужден применять кожухи с уплотнением. Если зазоры между отдельными элементами конструкции (например, между печатными платами) малы, то скорость воздушного потока при естественной конвекции оказывается также очень малой, что резко уменьшает количество теплоты, отдаваемой тепло-вьщеляющими элементами кожуху. В результате тепловые режимы элементов могут оказаться в недопустимых пределах. В даннш! случае применяют вентиляторы (рис. 15.8,в), осуществляющие перемешивание воздуха внутри кожуха, что интенсифицирует процесс теплопередачи. Однако следует иметь в виду, что установка вентиляторов в малогабаритной аппаратуре может значительно увеличить ее размеры. Размещать вентилятор нужно так, чтобы выделяемая им тепловая энергия (а она может быть соизмерима с энергией, вьщеляемой основными элементами аппаратуры), не ухудшала теплового режима аппарата. На рис. 15.8, г показана схема принудительной вентиляции аппарата, которая обеспечивает наиболее эффективное охлаждение его воздухом: специальный вентилятор прогоняет через аппарат воздух из окружающей среды. Такая схема наиболее целесообразна, если радиоэлектронное устройство будет установлено на объектах, где имеется централизованная система подачи воздуха В ряде случаев такие централизованные системы подают в аппарат осушенный и обеспыленный воздух.

Во всех рассмотренных примерах теплопередача осуществлялась за счет использования воздуха в качестве теплоносителя, за счет теплопроводности через элементы конструкции и радиации. Однако воздух как теплоноситель имеет бчень плохие характеристики. Значительно

лучшими тепловыми параметрами обладают жидкости. Поэтому в мощ-ньк радиоэлектронных устройствах иногда применяют жидкостные системы охлаждения.

На рис. 15.8, д показан аппарат, внутренний объем которого заполнен жидкостью. Так как жидкость обладает большей теплопроводностью и теплоемкостью, чем газ, то передача теплоты от тепловыделяющих элементов кожуху происходит более интенсивно. Часть объема аппарата оставляют незаполненным жидкостью в связи с тем, что при нагревании она расширяется. Интенсифицировать жидкостное охлаждение можно принудительным перемешиванием жидкости специальным вентилятором или прокачиванием жидкости через специальный теплообменник, где она охлаждается.

К числу жидкостных систем охлаждения относятся и системы с испарением. В этом случае объем аппарата заполняется жидкостью, имеющей низкую температуру кипения. Тепловая энергия, выделяемая элементами аппаратуры, расходуется на парообразование, и температура жидкости поддерживается постоянной, равной температуре кипения. Следует отметить, что жидкостные системы охлаждения значительно усложняют конструкцию аппарата и применяются ограниченно.

В силу того что источники тепловойэнергии (микросхемы, транзисторы, реле, двигатели и др.) распределены по объему аппарата неравномерно и передача теплоты в различных направлениях также происходит с различной интенсивностью, точное определение температуры в каждой конкретной точке аппарата представляет собой сложную задачу, которую на практике решают приближенными методами. Одним из таких приближенньк методов, позволяющим сравнительно просто дать оценку значению температуры внутри аппарата при удовлетворительных погрешностях, является метод нагретой зоны. Сущность его заключается в том, что часть объема аппарата, в котором расположены тепло-вьщеляющие элементы, заменяется одним или несколькими условными телами, имеющими простую геометрическую форму (параллелепипед, цилиндр, шар). Каждое из этих условных тел называют нагретой зоной. Нагретую зону представляют как однородное тело с равномерно распределенными источниками энергии, имеющее одтшаковую температуру поверхности (изотермическая поверхность). Точно так же изотермической условно считают и поверхность кожуха, в который заключена нагретая зона.

Рассмотрим, от каких физических факторов зависит количество теплоты, передаваемой в результате процесса теплопроводности, радиацией и конвекцией.

Теплопроводность -способность тела передавать теплоту от точек с более высокой температурой к точкам с более низкой температурой. Мощность, отдаваемая за сче] теплопроводности однородным телом, имеющим постоянное поперечное сечение:

Р, = At, (15.8)

где От - коэффициент теплопроводности, зависящий от физических свойств материала, ВтДмтрад); s- площадь поперечного сечения тела,

9* 259

м^; / - его длина, м; At - разность температур между концами тепло-проводящего А, тела, град.

Значения для некоторых материалов приведены в,абл. 15.1.

Таблица 15.1. Значения коэффициента теплопроводности

Входящий в формулу сомножитель От 5 называют тепловой проводимостью, а обратную величину - тепловым сопротивлением :

К, = (шО . (15.9)

Теперь формула (15.8) может быть записана так:

Рт = At/Kx. (15.10)

Эта формула по своей структуре аналогична формуле закона Ома для цепи с электрическим током I=AU/R. Используя эту аналогию, можно для расчета теплового сопротивления пользоваться применяемыми в электротехнике формулами для параллельного и последовательного включения резисторов. Такой метод удобно использовать в тех случаях, когда теплопроводящее тело имеет неоднородную структуру. Несколько примеров показаны на рис. 15.9.

Как видно из рисунка, между поверхностями АиБ, имеющими температуры ti и t2 (ti -12 = At), расположены несколько теплопроводящих тел, обладающих тепловыми сопротивлениями Kjx, Ягт, ?зт.

Общее тепловое сопротивление может быть вычислено: для случая а - по формуле i?o6m=iT + R2t +R3r; для случая б - по формуле l/Ro6m = l/Ru +I/R2. +1/Кзт; для случая в - по формуле 1/Кобщ =

= l/Rlr +1/(К2т+ Лзт).

Чаще всего в процессе передачи теплоты от кожуха аппарата к окру-

Л

/г

!\2Т

Рис. 15.9. Эквивалентные схемы теплопроводящего тела с неоднородной структурой: о - последовательное включение теплопроводников; б - параллельное включение; в - комбинированное включение

жающей среде роль теплопередачи незначительна Это связано с тем, что площадь теплового контакта л между кожухом и основанием, на котором он закреплен, всегда во много раз меньше площади кожуха.

Однако в процессе отвода теплоты от отдельных элементов, рассеивающих большую мощность, к расположенным рядом элементал^ конструкции роль теплопроводности может быть решающей.

Конвекция. Мощность (Вт), отдаваемая нагретой поверхностью за счет естественной конвекции, может быть определена по формуле

P,.=at - t,)s, (15.11)

где йк - коэффициент теплообмена между поверхностью и окружающей средой, Вт/(м^трад); t- температура поверхности, град; г окр - температура окружающей среды, град; s - площадь нагретой поверхности, м^.

В этой формуле, так же как в (15.8), сомножитель 1/(а^ s) можно обозначить тепловым сопротивлением Rr.

Значение а,; зависит от большого количества факторов. В зависимости от характера движения теплоносителя различают четыре режима теплообмена:

1. Пленочный режим. У поверхности образуется почти неподвижная пленка нагретого теплоносителя. Теплообмен происходит за счет теплопроводности и радиации. Такой режим теплообмена имеет место при небольших температурных перепадах для тел с плавными очертаниями.

2. Закон степени Ve t-foKpy/8 (15.12)

где йк - коэффициент теплопроводности, ВтДмград); Ai - коэффициент, зависящий от физических свойств, температуры теплоносителя и характера его движения; t - температура стержня, град; t окр - температура окружающей среды, град; d - диаметр стержня, м.

Такой режим имеет место при охлаждении тонких длинных стержней. Режим движения теплоносителя - ламинарный. Интенсивность теплообмена - незначительная.

3. Закон степени /4

ак =2()/*, (15.13)

где Л 2 - коэффициент, зависящий от физических свойств теплоносителя, его температуры и характера движения; L - определяющий размер тела (высота цилиндра или минимальный размер вертикальной стенки). Остальные обозначения те же, что и в формуле (15.12).

При этом законе около охлаждаемых поверхностей происходит интенсивное ламинарное и локонообразное движение теплоносителя. Интенсивность теплообмена выше, чем при законе степени Vg-

4. Закон степени /з

а, = з(( -foKp)/. (15.14)

где Аз - коэффициент, зависящий от физических свойств, температуры теплоносителя и характера его движения. Остальные обозначения те же, что и в формуле (15.12).

При законе степени /з характер движения теплоносителя - вихревой, теплообмен наиболее интенсивный.

Для плоских и цилиндрических поверхностей характер теплообмена определяется неравенством

f -foKp <(840/L )3. (15.15)

Если неравенство выполняется, то движение теплоносителя подчиняется закону степени Д [формула (15.13)], если не выполняется, то закону степени 7з [формула (15.14)].

Значения коэффициентов Аз и А2 приведены в табл. 15.2. Таблица 15.2. Значение кюффицнентов Аъ и Аг в (15.13) н (15.14) для воздуха

В табл. 15.2 t = 0,5 (t-btoKp).

Если плоская поверхность расположена горизонтально и отдает теплоту вверх, то полученное значение а к следует умножить на 1,3, если поверхность отдает теплоту вниз, то умножить на 0,7.

Влияние давления может бытъ учтено умножением полученного значения а, на коэффициент к^:

(15.16)

где Н- давление газа охлаждающего поверхность, Па; Но - нормальное давление (Ю^Па); п - показатель степени в формулах (15.13) и (15.14) (74 или 7з).

Радиация. Всякое нагретое тело отдает часть вьщеляемой в нем теплоты в виде лучистой энергии. Если оно окружено другими телами, которые не являются абсолютно черными, то .часть получаемой ими тепловой энергии отражается. В зависимости от конфигурации и размеров тел какая-то часть отраженной энергии попадает обратно на теплоизлу-чающее тело. Такой процесс может повторяться многократно.

Мощность, отдаваемая нагретой поверхностью за счет лучистой энергии, может быть определена по следующей формуле:

Рл = 8 Со5 [(ТУЮО) - (Г„,р /100)1 , (15.17)

где Рл - излучаемая мощность, Вт; Со - коэффициент излучения абсолютно черного тела: Со = 5,67 Вт/(м^ rpa/f); Т- температура нагретого тела. К; Т^ - температура окружающих тел. К; Sn - приведенная степень черноты; s - поверхность тела, м^.

Коэффициент Еп зависит от относительной степени черноты е тепло-излучающих и окружающих тел, а также от их конфигурации и размеров.

Значения относительной степени черноты 8 различных тел в зависимости от характера обработки поверхности приведены в табл. 15.3.

Как видно из таблицы, для большинства применяемых покрытий значение е составляет 0,7-0,96. На практике часто встречаются случаи, когда лучистый теплообмен идет между двумя плоскопараллельными

Таблица 15.3. Значения относительной степени черноты к для некоторых

поверхностей

пластинами или когда нагретое выпуклое тело с площадью поверхности 51 заключено в оболочку с поверхностью S2, причем si > 0,552.

Для такой конфигурации тел и указанных значений е„ приведенную степень черноты можно определить по формуле

е„ е,е2, (15.18)

где El и Ёг - Относительная степень черноты нагретого и окружающих тел.

Составив уравнение теплового баланса

Р=Р,+П:+Р (15.19)

где Р - мощность, выделяемая в нагретом теле, Вт; Рт, Рк и Л определены формулами (15.8), (15.11), (15.17),можно определить установившееся значение температуры нагрева тела.

Решить полученное уравнение относительно t (или At) в явном виде не удается, поэтому его приходится решать методом последовательных приближений.

Коэффициенгный метод расчета тепловых режимоа Чтобы воспользоваться формулой (15.19), необходимо знать численные значения коэффициентов теплообмена, которые часто бывают неизвестны для сложных по конфигурации конструкции, встречающихся в радиоэлектронной аппаратуре. Поэтому в практике конструирования для расчетов тепловых режимов часто используют приближенные коэффициентные методы расчета, позволяющие быстро и с приемлемой погрешностью (порядка 25-30%) определить среднеповерхностный перегрев нагретой зоны аппарата.

Сущность этого метода состоит в том, что искомую температуру перегрева представляют в виде произведения вида.

At = Atp/fj/f2 ... ки.

(15.20)

где At - искомая среднеповерхностная температура перегрева нагретой зоны; Atp - базовый перегрев, определяемый мощностью, приходящейся на единицу поверхности нагретой зоны, °С; ki, кг, ...,к„ - коэффициенты, учитывающие различные факторы, влияющие на условия теплообмена, причем каждый коэффициент зависит только от одного параметра.

Для различных, часто встречающихся на практике случаев заранее рассчитаны графики, по которым можно определить все входящие в формулу (15.20) сомножители. Некоторые из этих графиков приведены на рис. 15.10.