CC BY
82
УДК 628.517.4, 539.3
А.И. Родионов
СГГ А, НГТУ, Новосибирск
Г.С. Юрьев
НГТУ, Новосибирск
ПРЕЦИЗИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВИБРОЗАЩИТНЫЕ ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
A.I. Rodionov SSGA, NSTU, Novosibirsk G.S. Yuriev NSTU, Novosibirsk
THE PRECITION TECHNOLOGICAL VIBRATION PROTECTION PLATFORMS FOR OPTICAL AND OPTIC-ELECTRONIC DIVICE BUILDING
There are the results of experimental and theoretical researches which explain the experimentally observed increasing of internal friction in the vibration protection systems, which use quasi-zero stiffness effect. Here elastic element was done as a bar, stiffness of which is decreasing by compressive force. The phenomenon is more marked when minimum stiffness bars takes place. It corresponds to the infra-low oscillation frequency in the system “vibration protection platforms - object” (0,3-0,5 hertz)
The contents of experiments and some results are described in [1]. It is discovered that elastic hysteresis is essentially increased under condition of cycling strain of compression bar when longitudinal force P draw near approach to the critical Eiler’s force. The regularity beside of cognizing interest has a practical importance. To realize necessary damping in the vibration protection systems with such elastic bars. We have made techniques of synthesis of monolithic modules of qvasi-zero rigidity with given elastic, dissipative and geometrical characteristics. On their basis we created vibration protection systems for vibro-insulation of the sensitive optic-electronic equipments, elements. They work in production of microelectronic goods.
Patents of Russia protect all products and techniques.
Борьба с помехами возможна путем виброизоляции прецизионного оборудования: оно устанавливается на виброзащитные столы и платформы, опорами которых служат виброизоляторы. Однако множество их конструкций не удовлетворяет современным требованиям.
В системах виброизоляции, разработанных на кафедре теоретической механики и сопротивления материалов (ТМ и СМ) Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) под руководством проф. Юрьева Г.С., с упругим элементом типа рессоры-балки, жесткость которой снижается осевыми силами сжатия, экспериментально наблюдался аномальный рост гистерезисных потерь. Это явление наиболее заметно при минимальной жесткости балок, или инфранизкой собственной частоте колебаний в системах "балка-масса" защищаемого объекта. (0,3-0,5 Гц). Содержание экспериментов по исследованию эффекта роста гистерезисных потерь и некоторые результаты описаны в [1]. Сущность этих исследований состоит в том, что при статическом и циклическом деформировании продольно-сжатой балки диссипация энергии внутри ее может аномально увеличиваться, если продольная сила каким-либо способом приближается к критическому значению. Объяснение роста
гистерезисных потерь при стремлении продольно-сжимающей силы к критическому значению было дано проф. Родионовым А.И. с кафедры Основ приборостроения СП Л в рамках феноменологической классической теории [2, 3]. Оно будет приведено в конце работы. Такая закономерность, помимо познавательного интереса, имеет большое практическое значение, например, для осуществления необходимого демпфирования в колебательных и виброзащитных системах, содержащих упомянутые упругие элементы.
Еще в 80-90-е годы 20-го века на кафедре ТМ и СМ НГТУ проф.
Юрьев Г.С. с коллегами начал разрабатывать принципиально новые рессорнопружинные анизотропно-упругие устройства (модули квазинулевой жесткости), работающие на основе этого эффекта [3-5]. В них сочетаются функции нелинейно-упругого элемента с квазинулевой жесткостью и направляющих движение без конструкционного, вредного трения. На базе этих элементов были разработаны макетные и опытные виброзащитные устройства. Наибольшее распространение получил упругий элемент в виде балки, рабочая (поперечная) жесткость которой управляется и снижается до нуля за счет распора -напряжений сжатия. Конструктивно балка выполнена заодно с опорной рамкой (камертон), что устраняет дефекты сборки и конструкционное трение. Остаточное внутреннее рассеяние энергии колебаний является наиболее целесообразным и во многих случаях достаточным для ограничения размахов в импульсных и резонансных режимах работы. Таким образом, нулевые значения упругих и диссипативных сил являются по существу теоретическим пределом эффективности виброизоляции, рекордное значение которой было получено при испытании наших образцов.
В реальных конструкциях во избежание большой статической осадки и раскачивания защищаемых объектов применяют нелинейно-упругий элемент с квазинулевой жесткостью, что достигается за счет введения обратной связи между прогибом балки и продольной в ней силой (вариация задаваемой начальной и рабочей форм изгиба балки). При значительном отклонении балки от рабочей точки происходит уменьшение распорной силы и восстановление жесткости - равновесия объекта. При создании виброзащитных устройств необходимо учитывать не только основные формы колебаний, но и всякого рода “паразитные”. Если основная частота балки составляет 0.5 Гц, то ее следующая частота достигает порядка 1 кГц, что удовлетворяет многих потребителей. Сложнее убрать резонансы плиты-столешницы, поэтому используются комбинированные многослойные, сотовые и ячеистые конструкции.
В эти же годы по заданию предприятий оптической и электронной промышленности СССР был создан типовой ряд универсальных столов и платформ для установки специального технологического и контрольного оборудования с массой от 30кг до 1,5 тонн, которые были использованы в производстве больших интегральных микросхем и оптических систем. Тяжелые платформы, которые обычно применяются для защиты оборудования с перемещающимися массами в рабочем процессе, имеют автоматическое управление несущей способностью упругого подвеса для оптимизации режима виброизоляции (минимальный коэффициент передачи) в реальном масштабе времени. Причем это управление не входит в классификацию управляемых упругих подвесов и происходит без изменения жесткости и, следовательно,
эффективности защиты. Каждый узел управления подвесом содержит оптический датчик положения рабочего стола и двигатель-редуктор настройки несущей способности подвеса.
Результаты лабораторных и опытно-промышленных испытаний образцов виброзащитных платформ показали практическую их полезность и соответствие характеристик расчетным моделям. По коэффициенту передачи при виброизоляции эти платформы превосходили аналогичные отечественные и зарубежные устройства. Для сравнения приведем значения коэффициента передачи вибрации разработанных (с участием промышленного объединения "Обь", г. Искитим) платформ и аналогичных фирмы "Ньюпорт", США, в которых применены пневматические упругие элементы.
Частота возбуждения, Гц Коэффициент передачи вибрации: 2 4 8 16
Наш вариант 0,35 0,08 0,022 0,0075
Фирмы "Ньюпорт" 1,8 0,44 0,077 0,014
Точность работы одной из прецизионных технологических установок при использовании нашей виброзащитной платформы была повышена в 50 раз (НИИ "Восток", г. Новосибирск) и достигла величины 0.01 мкм.
Приведем объяснение роста гистерезисных потерь в наших модулях квазинулевой жесткости. Рассмотрим случай статического нагружения.
Традиционно учет внутренних потерь осуществляется через коэффициент поглощения ¥ [6-8].
АЕ = УЕ (1)
Ае - потери энергии в стержне за цикл нагружения; Е - энергия упругой деформации. Такой способ учета внутренних потерь правомочен, когда Ч* и Е не являются функциями параметра ос. Здесь а = р / ркг, Ркг- критическая эйлерова сила. Однако, если хотя бы одна из этих величин является функцией а, то оценку потерь энергии за цикл нагружения можно сделать по теореме о среднем
АЕ(а) = (^)Е(а) (2).
Анализ выражений (1,2) укажет на наличие или отсутствие аномального роста потерь при ос -» 1. Согласно [6] внутренняя энергия балки равна
Е = 2Е2£3 /(7Г4EJ) Е ((2т + I)2 - а)~2 , (3)
т=0
тогда
&Е ~ К(\~ сс)~2 + К Е(16ш2(2ш + 1)-1) (4)
т =1
Здесь К = 2(кх¥)е2£3 l(nAEJ) и в последней сумме величина ос заменена на
единицу, что мало влияет на результат, так как ряд является быстро сходящимся. Анализ формулы (4) показывает, что при ос -» 1 должен наблюдаться рост гистерезисных потерь, что и имеет место в эксперименте.
Рассмотрим динамический вариант решения задачи. В этом случае объясним эффект в рамках модели с комплексным модулем Юнга. Как известно
[9], введение комплексного модуля упругости автоматически закладывает наличие гистерезисных потерь любой природы. Рассмотрим эту модель.
Пусть Е - Е + іє, е/Е - мало. В этом случае уравнение поперечных колебаний стержня примет вид
* ô4/ д2у д2/ _i * v / л
Е J —+ Р —+ pS —= / V (t)S(x-d) (5)
дх дх dt
и у = Ъ ym(t)sm(m7td/l) = у + iq ут+£ітут= m(27tF (t)/pSl)sm(m7td /1)
m=1
Здесь
=(Л ll)A(pS)~l[EJ-P(mïïU)~2 +isj] =
т4со2щ 1 -а/т2)2 + (£/Е)2 ехр(шгс^ (£’/(£'(1 -а 1т2)) причем сот=ЪеПт, рт = 1тПЯ1
При гармоническом возбуждении добротность системы для каждой моды примет вид
(2т - 0.5с^(0.5агс^ (£/(Е(1 - а/т2))) (6)
Анализ приведенных формул показывает, что через небольшой промежуток времени колебание балки будет протекать на своей первой форме.
В этом случае ее добротность будет определяться выражением 0 *01 = 0.5с/£(0.5шг^О/(£(1 -ос))). (7)
Анализ (7) однозначно показывает, что при а -> 1 добротность балки будет падать. Это указывает на рост гистерезисных потерь при стремлении сжимающей силы к критическому значению.
Таким образом, наличие эффекта роста гистерезисных потерь и уменьшения основной собственной частоты колебания системы при стремлении значения сжимающей силы к критической эйлеровой силе считаем доказанным.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Юрьев, Г.С. Состояние совершенной неупругости твердого тела / Г.С. Юрьев // Изв. СО АН СССР- 1988.: сер.техн. науки. - № 11. - С. 101-105.
2. Родионов, А.И. Об аномальном росте гистерезисных потерь в продольно-сжатых элементах стержневых виброизоляторов при стремлении сжимающих к критическому значению / А.И. Родионов, Г.С. Юрьев // Вопросы динамики механических систем: сб. науч. тр. / Новосиб. эл.-тех. ин-т; отв.ред. Г.С. Мигиренко.- Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1989. - С. 107-112.
3. Юрьев, Г.С. Виброзащитные устройства для прецизионного технологического оборудования в производстве БИС и СБИС / Г.С. Юрьев, Б.К. Бахтерев, В.И. Лазарев // Электронная промышленность. - 1990. - № 5. - С. 33-36.
4. Пат. 2093730 РФ, МКИбПбБ 13/00. Виброзащитная платформа / Г.С. Юрьев // Изобретения. - 1992.
5. Пат. 1155803 РФ, МКИ6И6Р 13/00; ПбБ 3/02. Амортизатор / Г.С. Юрьев // Изобретения. -
1993.
6. Тимошенко, С.П. Статические и динамические проблемы теории упругости: монография / С.П. Тимошенко. - Киев: Наукова думка, 1975. - 564 с.
7. Постников В.С. Внутреннее трение в металлах: монография / В.С. Постников - М.: Металлургия, 1974. - 352 с.
8. Шпигельбурд, И.Я. Некоторые вопросы учета внутреннего трения в материале при колебаниях элементов конструкций: учеб.пособие / И.Я. Шпигельбурд; Новосиб. электро-техн. ин-т. - Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1970. - 39 с.
9. Вибрации в технике: Справочник. В 6 т. / Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.). - М.: Машиностроение, 1978. - Т. I. Колебания линейных систем / Под ред. В.В. Болотина. - 1978. - 352 с.
© А.И. Родионов, Г.С. Юрьев, 2008
