Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ функционирования дисковых устройств систем резервного копирования и хранения информации в инфо- коммуникационных системах 19
1.1. Дисковые устройства хранения данных 19
1.2. Принципы магнитной записи на жесткий диск 22
1.3. Пути повышения плотности записи 25
1.3.1. Линейная плотность 28
1.3.2. Плотность дорожек 31
1.4 Основные причины возникновения ошибок позиционирования 32
1.5 Принципы построения системы позиционирования блока головок жестких дисков 34
1.6 Система хранения данных 39
1.6.1. Функции системы хранения данных 43
1.6.2. Выбор заданного массива 50
1.6.3. Выбор дискового массива 52
1.7. Визуализации в системах хранения 59
1.8. Постановка цели и задач исследований 60
Глава 2. Математическое моделирование динамики дисков в уст ройствах резервного копирования информации 62
2.1. Математическое моделирование радиальных колебаний дисков 62
2.2. Моделирование колебаний диска в плоскости его вращения . 71
2.2.1. Методика аналитического исследования 71
2.2.2. Плоские осесимметричные колебания диска 73
2.2.3. Плоские неосесимметричные колебания диска 74
2.2.4. Учет внутреннего трения в материале диска 76
2.2.5. Расчет нелинейного случая (амплитудно-зависимое рассеяние энергии в материале диска) 78
2.3. Математическое моделирование собственных колебаний дисков с помощью метода конечных разностей 79
2.3.1. Постановка задачи 79
2.3.2. Уравнения 81
2.4. Полученные результаты и выводы 87
Глава 3. Идентификация параметров узла «диск — считывающая головка» и рассеяния энергии в материале диска 90
3.1. Идентификация параметров узла «диск - считывающая головка» 90
3.2. Математическая модель рассеяния энергии в материале диска в зависимости от формы его колебаний 99
3.2.1. Исходные предположения и основные уравнения 100
3.2.2. Определение логарифмического декремента затухания магнитного диска при его поперечных колебаниях 104
3.3. Полученные результаты и выводы 107
Глава 4. Экспериментальные исследования колебаний однодисково- го устройства резервного копирования информации 109
4.1. Поперечные колебания диска однодискового устройства 109 4.1.1. Экспериментальные исследования 109
4.2. Конструкционное демпфирование колебаний тонких дисков, закрепленных на внутреннем контуре 115
4.2.1. Методика определения логарифмического декремента колебаний 115
4.2.2. Влияние условий закрепления диска на демпфирование колебаний 117
4.3. Исследование причин вибраций диска однодискового устройства 121
4.4. Метод обобщения результатов анализа случайных вибраций квазистационарного типа 127
4.5. Двухпараметрическая оценка доверительных интервалов для вейбулловского закона распределения экстремумов вибраций дисковых устройств 135
4.6. Полученные результаты и выводы 139
Заключение 143
Литература 146
- Основные причины возникновения ошибок позиционирования
- Моделирование колебаний диска в плоскости его вращения
- Определение логарифмического декремента затухания магнитного диска при его поперечных колебаниях
- Конструкционное демпфирование колебаний тонких дисков, закрепленных на внутреннем контуре
Введение к работе
Актуальность темы. Последние несколько лет большая часть информации на предприятиях хранилась на серверах или на системах хранения данных, которые подключались непосредственно к серверам. По мере увеличения объема данных и количества накопителей подобная архитектура становилась дорогой, слабо масштабируемой, сложной в управлении и недостаточно надежной. Дальнейшим шагом на пути эволюции систем хранения стали сети хранения данных инфокоммуникационных систем, в которых системы хранения данных (диски) соединяются с вычислительными ресурсами (серверами) через специализированную сеть (SAN), либо системы хранения данных, взаимодействие с которыми осуществляется по обычным сетям передачи данных (NAS). Использование сетей хранения данных позволяет существенно сократить затраты на обслуживание и масштабирование систем хранения данных. Сети хранения данных представляют комбинацию аппаратных и программных продуктов, позволяющих не только обеспечить взаимодействие вычислительных подсистем с подсистемами хранения данных, но и предоставить удобные средства для управления всеми компонентами. Существуют два типа сетей хранения данных: SAN - обеспечивающая блочный доступ к дисковым подсистемам, NAS -предоставляющая файловый доступ.
Оба этих решения позволяют существенно упростить систему хранения, что жизненно необходимо при ведении систем электронного бизнеса. Сети хранения данных позволяют обеспечить высокую масштабируемость, управляемость и надежность, сокращая при этом затраты на наращивание и обслуживание систем хранения данных.
Разделение дисковых и вычислительных подсистем позволяет организовывать и использовать услуги хранения информации. Операторы услуг хранения могут предлагать заказчикам не только определенный объем внешней памяти, но и защиту информации, резервное копирование, реплицирование, гарантируя при этом определенный в SLA уровень работоспособности и производительности.
Увеличение объема хранимых данных, более жесткие требования к отказо-усточивости, увеличение затрат на обслуживание и т. д. вынуждают пользователей объединять дисковые подсистемы. Без эффективной стратегии сети хранения данных использование дисков составляет всего лишь около 40-50%. При объединении дисковых подсистем: - эффективно используются все имеющиеся системы хранения данных, такие как RAID и накопители на магнитных лентах; повышается доступность хранилищ благодаря унификации доступа к различным устройствам хранения вне зависимости от их размещения; упрощается наращивание благодаря объединению множества простых хранилищ в несколько централизованных систем хранения данных; снижается стоимость единицы хранения, поскольку могут использоваться диски с оптимальной стоимостью; снижаются административные расходы благодаря централизации управления системой хранения данных. Объединение дисковых подсистем может осуществляться организацией как SAN, так и NAS. При этом первый подход обеспечивает высокоскоростной блочный доступ к дискам, что необходимо системам с интенсивными вычислениями и базами данных, а второй ориентирован на файловый доступ.
Информация давно считается одним из основных ресурсов. Для многих предприятий потеря компьютерных данных может стать причиной серьезных проблем. Организация надежной и эффективной системы резервного копирования является одной из важнейших задач по обеспечению сохранности информации в сети. Согласно данным корпорации Intel простой серверов корпоративных сетей в 55% процентах случаев происходит из-за выхода из строя систем хранения информации. Согласно данным компании Strategic Research простой сервера сети масштаба предприятия в течение часа обходиться крупной компании более чем в $100000. Одно из средств обеспечения быстрого восстановления утерянных данных с целью минимизации простоя вычислительной сети - организация надежной и эффективной системы резервного копирования.
Использование приложений электронной коммерции предъявляет более жесткие требования к хранению информации и требует не только их сохранно сти, но и круглосуточной доступности. Добиться этого можно, используя реп-лицирование, резервное копирование и аварийное восстановление. Для повышения надежности систем хранения данных применяют: резервное копирование данных для защиты от повреждений или потери, осуществляемое в соответствии с определенными правилами; удаленную репликацию данных для распространения данных, тестирования приложений, защиты от стихийных бедствий; процедуры перехода с основной системы хранения данных на резервную в случае сбоя; процедуры восстановления дисковых подсистем.
Однако дисковые устройства резервного копирования и хранения информации (УРК) структурно включают динамические системы записи/чтения информации и узел механической развертки носителя информации. Последний идентифицируется сложной многомерной колебательной системой, функционирующей в условиях воздействия на нее случайных возмущений и вынуждающих сил. Поэтому одной из главных проблем при конструировании УРК является обеспечение высокой динамической точности вращения диска, поскольку именно узел вращения диска в большей мере, чем система записи/чтения информации, влияет на точность и качество отображения информации.
Дисковые приводы должны обладать низкой виброактивностью за счет обеспечения конструкционного демпфирования вибраций дисков, применения аналитического метода решения задачи моделирования колебаний дисков для получения полных выражений колебаний диска для любого закона изменения угловой скорости основного вала. В работе данная проблема решается с помощью основ прецизионного приборостроения и уравнений математической физики.
Объектом исследования являются инфокоммуникационные системы, дисковые УРК, динамическая система: магнитный диск - контактная магнитная головка - упругий держатель головки; крутильные колебания вала приводного двигателя; модель колебаний магнитной головки, соприкасающейся с движущимся диском; плотность и точности записи - чтения информации; оценка устойчивости работы дискового УРК.
Предметом исследования являются: математические модели радиальных и плоскостных упругих осесимметричных колебаний дисков; конечно-разностные уравнения собственных колебаний диска; идентификации оптимальных механических параметров узла развертки диска; изменение логарифмического декремента колебаний тонкой изотропной пластинки в зависимости от формы колебаний; математическая модель простой однородной цепи Маркова для вероятностной структуры процесса изменения во времени статистических параметров квазистационарной вибрации диска; двухпараметрическая оценка доверительных интервалов для определяющих параметров вейбулловского распределения вероятностей экстремальных значений вибраций дисков.
Цель работы - работка и научное обоснование технических и методических решений, направленных на повышение динамической точности функционирования устройств резервного копирования информации на диски путем математического моделирования радиальных и плоских упругих колебаний дисков, идентификации параметров узла «диск- головка чтения» и изучения рассеяния энергии в материале дисков для увеличения степени конструкционного демпфирования колебаний тонких дисков, внедрение которых позволит существенно повысить плотность и точность записи - чтения информации в сетях хранения данных.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
- провести анализ перспективных конструкций дисковых устройств копирования и хранения информации различного типа; выявить особенности конструирования динамических систем этих устройств;
- предложить аналитический метод решения задачи моделирования радиальных колебаний дисков, и на его основе получить полные и окончательные выражения радиальных колебаний диска для любого закона изменения угловой скорости основного вала УРК;
- разработать методику расчета плоских упругих колебаний диска, применимую для исследования его вынужденных колебаний, возбуждаемых крутильными и радиальными колебаниями приводного вала устройства, с учетом диссипативных свойств материала диска;
- получить конечно-разностные уравнения собственных колебаний для характерных точек сетки на диске, сочетающих неоднородные граничные условия;
-.получить и исследовать математическую модель динамики основного механического узла УРК: динамическая система - магнитный диск - контактная магнитная головка - упругий держатель головки;
- провести экспериментальные исследования поперечных колебаний диска однодискового УРК со сменными дисками, поскольку именно такие колебания существенно сказываются на качестве записи-чтения импульсных сигналов;
-экспериментально исследовать конструкционное демпфирование колебаний тонких дисков, закрепленных на внутреннем контуре, изучить как влияет изменение условий закрепления тонких дисков на контуре на демпфирование колебаний;
- установить, правомерно ли отнести к квазистационарному типу имеющую место нестационарная вибрацию дисков УРК, изменение статистических параметров которой в пределах минимально допустимого интервала обработки не превышает величины отклонения этих параметров из-за погрешностей измерения и анализа;
- оценить возможность использования информации об экстремальных значениях вибрационного процесса для оценки устойчивости работы дискового УРК при вибрационных воздействиях.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные исследования. Структурные схемы измерительных средств созданы с учетом теоретических основ информатики и микропроцессорных вычислительных средств. При проектировании технических средств контроля и диагностики УРК, получении оценок погрешностей записи-чтения сигналов использовались теоретические основы радиоэлектроники, теория точной магнитной записи и основы вычислительной техники. Аналитические исследования динамики узла развертки дискового носителя информации осуществлялись на основе теории машин и механиз мов, теории колебаний и динамики, прочности машин, приборов и аппаратуры.
Для изучения свойств точности записи-чтения информации применялись методы теории вероятностей, математической статистики и теории случайных функций. Теоретические исследования базируются на основах теории колебаний, математического моделирования дискретно-контитуальных систем, корреляционной теории стационарных случайных процессов. Математические модели вращения упругого плоского диска составлялись на базе уравнений математической физики.
В целях проверки теоретических положений были спроектированы и изготовлены макет экспериментального устройства для записи-чтения цифровых данных на движущемся дисковом носителе. Экспериментальные исследования базируются на использовании методов кинематического и динамического анализа параметров и характеристик механизмов с учетом метрологических характеристик средств измерений.
Разработка информационно-измерительных средств МТЛ проводилась на основе теории измерения электрических и механических величин. Оценка погрешностей измерений основана на теории точности измерительных систем.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена результатами системного анализа динамики прецизионных узлов развертки дисковых носителей информации, использованием их математических моделей в виде систем дифференциальных уравнений в частных производных. При решении поставленных задач составлялись конечно-разностные уравнения собственных колебаний на основе полурегулярной радиальной сетки, разрабатывался алгоритм обобщения квазистационарных статистических характеристик колебаний дисков УРК, эксперименты проводились на высокоточном оборудовании и учитывались апробированные эмпирические данные.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием аттестованных средств измерений динамических характеристик узла развертки диска в УРК, большим объемом экспериментального материала, статистическими методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов.
На защиту выносятся результаты исследований по разработке эффективных технических и методических решений, направленных на повышение надежности и динамической точности функционирования системы записи-чтения в дисковых УРК, в том числе:
- определение крутильных колебаний вала приводного двигателя как источника плоскостных осесимметричных колебании; установление факта, что колебания диска в радиальном направлении являются чисто деформативными, а в тангенциальном - суммируются по всему спектральному составу как колебания диска твердого и деформируемого тела.
- обнаружение того, что в случае осесимметричных плоскостных дефор-мативных колебаний тангенциальная составляющая перемещений заметно превышает радиальную ввиду характера сил, действующих в тангенциальном направлении, а также собственных частот и собственных форм колебании, а в случае колебаний с одним, двумя и т.д. узловыми диаметрами радиальная и тангенциальная составляющие перемещения близки по величине между собой;
- исследование изменения логарифмического декремента колебаний тонкой изотропной пластинки в зависимости от формы колебаний; рассмотрение диска с центральным отверстием, жестко защемленного по внутреннему контуру; рассмотрение формы колебаний с узловыми диаметрами; применение метода средних напряжений для определения логарифмического декремента конструкции; графики изменения логарифмического декремента.
- анализ полученных оценок корреляционных функций и спектральных плотностей для реализаций поперечных колебаний диска, записанных в различные интервалы времени, который дает возможность рассматривать поперечные колебания вращающегося тонкого диска как случайный стационарный процесс, обладающий эргодическим свойством, что делает предположение о целесообразности регистрации поперечного отклонение вращающегося диска одновременно в пяти точках над диском, над ступицей и колпаком, вполне оправданным;
- исследование одномерной динамической системы, в которой за вход принимались осевые колебания основного вала подшипниковой подвески, а за выход - колебания зазора между магнитной головкой и диском однодискового УРК со сменным носителем информаци;
- вероятностная структура процесса изменения во времени статистических параметров квазистационарной вибрации, описываемая математической моделью простой однородной цепи Маркова; вывод, что, исходя из реальных свойств отдельных реализаций вибрационного процесса дисков УРК, вероятностная структура оценок статистических характеристик в каждом элементе цепи Маркова может в большинстве случаев приниматься нормальной;
- оценка устойчивости работы дискового УРК при вибрационных воздействиях по информации об экстремальных значениях вибрационного процесса, при котором за основную характеристику, содержащую требуемую информацию, принимался закон распределения вероятностей экстремальных значений;
- аналитическое получение двухпараметрической оценки для доверительных интервалов для определяющих параметров вейбулловского распределения, по которым можно найти доверительные границы для любой точки закона распределения колебаний дисков УРК.
Научная новизна полученных результатов определяется проведенными комплексными исследованиями, в результате которых рассмотрены внутренние колебания диска УРК, когда угловая скорость основного вала изменяется по любому закону, определены частоты собственных колебаний диска и предложен способ изменения этих частот, предложена методика идентификации оптимальных механических параметров системы по отношению к поперечным колебаниям диска и проведены экспериментальные исследования конструкционного демпфирования колебаний тонких дисков, закрепленных на внутреннем контуре, в ходе которых:
- предложены аналитический метод решения задачи моделирования радиальных колебаний дисков и методика расчета плоских упругих колебаний диска УРК, которая применима для исследования вынужденных колебаний диска, возбуждаемых крутильными и радиальными колебаниями приводного вала;
- получены выражения в конечных разностях для уравнений собственных колебаний круглых тонких изотропных дисков при точной записи выражений для контурных точек с исключенными законтурными точками; конечно-раз-ностное уравнение для приведенной поперечной силы на контуре диска использовано для исключения второго ряда законтурных точек, а законтурные точки первого ряда исключены с помощью конечно-разностного выражения для уравнения изгибающего момента на контуре; применение полурегулярной радиальной сетки вызвано формой пластинки и условием концентраций массы элементарных площадок в центре тяжести площадки, вызывающим неравномерное расположение точек по радиусу, так как в случае круглой пластинки построение регулярной сетки требует предварительного решения системы уравнений для установления размеров площадок, дающих регулярный шаг сетки вдоль радиуса; составлены уравнения для характерных точек, сочетающих различные неоднородные граничные условия;
- выявлено, что в случае применения диска УРК, имеющего основу с меньшим по сравнению с металлами отношением модуля упругости к плотности, деформативные плоскостные колебания становятся препятствием для достижения высокой плотности и точности записи - чтения информации;
- определено, что для существенного уменьшения плоскостных колебаний диска УРК необходимо применение приводов с высокоравномерным вращением исполнительного вала при низкочастотном спектре его крутильных и радиальных колебаний; проведенные экспериментальные исследования показали, что такие требования обеспечиваются пневмоэлектрическим приводом с аэростатической подвеской вала;
- полученные характеристики спектральных плотностей прижимного колпака, края ступицы и различных трех диаметров диска дают возможность судить о зависимости распределения частотного спектра колебаний от места закрепления ступицы на приводном валу до края вращающегося диска; такие данные особенно важны при контактных записи - чтении информации, ибо они обуславливают динамические характеристики держателя магнитной головки;
- для обеспечения возможно более стабильного зазора между магнитной головкой и диском во времени исследованы возмущения, вызывающие колебания этого зазора в рабочих условиях, определена степень влияния возмущений и предусмотрены меры по снижению их влияния; рассматривая случайные колебания зазора как стохастический процесс, показано, что исследуемую систему можно аппроксимировать линейной математической моделью с несколькими входами и выходами; необходимо также отметить, что при построении математических моделей функционирующих систем использовался только эмпирический материал, связанный с изучением реальных входных и выходных сигналов исследуемого объекта, что позволяет наиболее полно учитывать реальные условия его функционирования;
- установлено, что при большом количестве реализаций колебаний дисков и участков квазистационарности оценки статистических характеристик требуют обобщении, для чего разработан алгоритм обобщения, исходя из установленной вероятностной структуры вибраций квазистационарного типа, который предусматривает представление всей обобщенной информации в виде совокупности функции распределения вероятностей для различных сочетаний величин искомых статистических характеристик на первом участке вибрационного процесса и функций распределения вероятностей переходов от одного сочетания величин статистических характеристик к другому при рассмотрении любых двух смежных участков квазистационарности.
Практическая ценность. Определено, что радиальные колебания основного вала дискового устройства УРК возбуждают в диске плоскостные неосе-симметричные (с некоторым числом узловых диаметров) колебания. При этом, как радиальные, так и тангенциальные результирующие перемещения получаются суммированием деформативных и недеформативных колебаний. Кроме того, в случае упругого крепления диска в жесткой ступице возможно изменение собственных радиальных колебаний диска в достаточно широких пределах. Это позволяет расширить область применения исследованной конструкции диска.
Установлено, что для расчета плоскостных колебаний дисков УРК особенно важно учитывать высокочастотные составляющие функции возбуждения, несмотря на сравнительную малость их амплитуд в составе спектра колебаний вала приводного двигателя. Расчеты показали, что демпфирующие свойства магнитного диска с повышением порядка формы колебаний снижаются. Основную роль в снижении логарифмического декремента при повышении порядка формы колебаний играет снижение средних напряжений в диске. Полученные результаты принципиально соответствуют результатам экспериментального исследования тех же дисков. Проведенные исследования показывают, что магнитные диски УРК информации должны изготавливаться из материалов с высокими поглощающими свойствами.
Проведены экспериментальные исследования конструкционного демпфирования колебаний тонких дисков, закрепленных на внутреннем контуре. Определено, что изменение условий закрепления тонких дисков на внутреннем контуре является основным фактором увеличения демпфирования колебаний. Изменение условий закрепления дисков на внутреннем контуре сильно влияет на низшие формы собственных колебаний. Установлено, что демпфирование колебаний возрастает с применением промежуточных прокладок между диском и прижимными кольцами из материала с большей упругой вязкостью. Доказано, что с применением прижимных колец с вырезами по части сектора и промежуточных прокладок можно повысить демпфирование колебаний с одновременным снижением частот собственных колебаний диска.
Определено, что одной из основных причин колебаний диска УРК являются шарикоподшипниковые опоры основного вала, поскольку неточности изготовления деталей предварительно натянутого шарикоподшипника вызывают колебания ротора. Основной вал дискового УРК представляет собой вертикальный жесткий ротор, вращающийся в двух предварительно натянутых радиаль-но-упорных шарикоподшипниках высокой точности. Проведенные аналитические исследования показали, что воздействие двух шарикоподшипников на колебания ротора равно сумме воздействий каждого из шарикоподшипников в отдельности. Для дисковых УРК основной нагрузкой, воспринимаемой подшипниками, является усилие предварительного натяга.
Реализация работы в производственных условиях. Разработанные автором работы математические модели динамики узла развертки дискового носителя информации и полученные аналитические зависимости в результате решения дифференциальных уравнений в частных производных, отображающих динамику взаимодействия магнитный диск - контактная магнитная головка - упругий держатель головки использованы на ряде предприятий для проектирования и создания высокоинформативных, быстродействующих и надежных УРК информации на дисках, предназначенных для корпоративных инфокоммуникационных систем.
Созданные автором математическое и методическое обеспечение, технические средства и полученные экспериментальные результаты целесообразно использовать на предприятиях прецизионного приборостроения и телекоммуникационных систем для создания высокоточных и многофункциональных стриммеров дискового типа, обладающих высокой скоростью обмена информацией с серверами и компьютерными сетями предприятий- пользователей УРК.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 32, 33 Научно-технических конференциях ИжГТУ (Ижевск, 2002, 2003); Международном Самарском симпозиуме телекоммуникаций (Самара, 2003); International conference «Vibroingeneering, 2003» (Kaunas, 2003); V Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Самара, 2004) Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2005); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2005); 32 Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникациях и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта - Гурзуф, 2005).
Публикации. Результаты работы отражены в 14 научных трудах: 3 статьи в центральной печати, 8 статей в научно-технических журналах и сборниках, 2 депонированные рукописи (объемом 53 и 21 страниц) и 1 тезис доклада на научно-технической конференции.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 155 с. машинописного текста. В работу включены 48 рис., 6 табл., список литературы из 129 наименований и приложение, в котором представлен акт об использовании результатов работы.
Основные причины возникновения ошибок позиционирования
Внешние ударные воздействия. При ударах в радиальном направлении блок головок может смещаться на 10 мкм и более от номинального положения, что при плотности дорожек, равной 100000 дорожек/дюйм, соответствует величине, равной 37-38 дорожкам. Это может приводить к потере информации, если ударное воздействие происходит во время записи, или к снижению производительности НЖМД при считывании. Ударные воздействия вызывают также радиальные сдвиги пластин, причем в жестких дисках с несколькими пластинами каждая из них может иметь свой собственный сдвиг.
Для решения этой проблемы производители идут на усиление конструкции накопителя. Тем не менее, усиление конструкции не всегда приводит к желаемому результату. В жестких дисках форм-фактора 2,5" и менее пластины имеют уменьшенную толщину, поэтому при их жестком закреплении в пакете возможно их перекашивание и изгибание, что вызывает эффект «дрожания диска». Колебания пластин в вертикальной плоскости приводят к снижению соотношения сигнал/шум при записи и считывании из-за колебания расстояния головка-поверхность и, кроме того, к потере точности позиционирования порядка 0,5 мкм (2 дорожки). 2. Эксцентриситет шпинделя. Для жестких дисков настольных систем (форм-фактор 3,5") основными источниками ошибок позиционирования являются эксцентриситет шпинделя и вибрации накопителя. В процессе производства чрезвычайно сложно выдержать точность формы шпинделя, поэтому практически всегда существует эксцентриситет или дисбаланс массы, приводящие к биениям и возникновению ошибок позиционирования величиной порядка 1 дорожки. При производстве шпиндельных двигателей для современных жестких 33 дисков используется динамическое балансирование, которое позволяет уменьшить дисбаланс, но окончательно устранить его не может. Вибрация корпуса компьютера и вибрация накопителя на собственной резонансной частоте также вносит свой вклад в возникновение ошибок позиционирования. Причем, если в корпусе установлено несколько жестких дисков, вибрации могут возникать и на комбинационных частотах. Хотя наибольшую роль в ошибки позиционирования вносят механические воздействия (вибрации и дисбалансы), для 3,5" накопителей характерно также появление ошибок позиционирования вследствие перепадов температуры внутри термокамеры. 3. Точность записи серводанных и др. Независимо от области применения и форм-фактора на точность позиционирования оказывают влияние следующие факторы: неточность записи серводанных при производстве накопителей на жестких магнитных дисках, дрожание пластины, шумы головки и электронные шумы в процессе записи серводанных, дефекты и износ подшипника шпинделя и вала поворотного двигателя.
В некоторых случаях, например, ремонта накопителя с вскрытием термокамеры и разборкой пакета дисков, оказывается необходимым перезаписать существующие серводанные. В процессе сборки-разборки пакета дисков невозможно абсолютно точно установить пластины в исходное положение. Поэтому после включения отремонтированного таким образом жесткого диска он отказывается функционировать, поскольку записанная в контроллере привода информация о положении серворазметки не совпадает с действительным положением. Восстановить нормальное функционирование жесткого диска можно лишь посредством перезаписи сервоинформации.
Каждый производитель жестких дисков имеет собственные форматы кодирования и записи сервометок, причем они могут отличаться в различных моделях жестких дисков. Информация о конкретных реализациях серворайтеров, особенно касающаяся кодеров серводанных, представляет коммерческую тайну.
В зависимости от причин возникновения, ошибки позиционирования принято разделять на повторяющиеся и однократные. К повторяющимся ошиб 34 кам позиционирования относят ошибки, возникающие в результате эксцентриситета шпинделя, случайных ошибок позиционирования и дрожанию пластины в процессе записи сервоинформации, ограниченной точности устройства записи серводанных и шума головка-носитель в процессе записи сервоинформации. Принципы построения системы позиционирования блока головок жестких дисков
Компенсирование ошибок позиционирования, а также удержание магнитных головок над выбранной дорожкой в современных жестких дисках осуществляется с помощью сервосистемы. Сервосистема в том виде, в котором она представлена сейчас, появилась не сразу. В ранних моделях накопителей ее не было и позиционирование головок осуществлялось с помощью простого способа - при помощи шагового двигателя.
Само название шаговый двигатель означает перемещение исполнительного механизма пошагово, т.е. дискретно с заданным интервалом. Шаговый двигатель с помощью направляющей рейки преобразовывал управляющий сигнал в линейное перемещение позиционера с фиксацией головок в заданном положении, обратная связь в данной системе отсутствовала. В жестких дисках шаг перемещения ротора позиционера соответствовал шагу Основной недостаток такого подхода заключался в том, что позиции ротора шагового двигателя были фиксированными. Блок головок перемещался на то место, где должна быть дорожка, а не туда, где она есть на самом деле. При нагреве диски расширялись и дорожки смещались относительно своего точного положения на диске на некоторую величину, соответствующую коэффициенту теплового расширения. Фиксированный шаг перемещения позиционера не позволял компенсировать это явление, а отсутствие обратной связи не позволяло контроллеру точно подстраивать блок головок записи/чтения точно по центру дорожки. Минусом данной системы было также большое время доступа к требуемой дорожке, ведь при считывании данных с внутренних и внешних дорожек пластины блок головок должен с помощью прикрепленной к нему рейки «отщелкать» максимум шагов шестерни шагового двигателя.
Увеличивающаяся плотность записи требовала увеличения количества дорожек на один сантиметр радиуса рабочей поверхности пластины ЖД, и как следствие - уменьшения расстояния между двумя соседними дорожками, и сокращению ширины самой дорожки. Поэтому эту систему позиционирования блока головок на основе шагового двигателя заменила более прогрессивная система позиционирования с соленоидным двигателем (называемая также звуковой катушкой
Моделирование колебаний диска в плоскости его вращения
Эффективность механики устройств резервного копирования в телекоммуникационных системах, в том числе и дисковых, применяемых для хранения информации, можно оценить по таким параметрам, как величина и постоянство зазора между рабочей поверхностью носителя информации и магнитной головкой, точность отслеживания последней информационной дорожки и равномерность движения носителя информации. Стационарность положения информационных дорожек нарушается за счет плоскостных, т.е. радиальных и тангенциальных, колебаний диска. Этот вопрос становится все более актуальным в связи с возрастающим применением гибких дисков, имеющих большие по сравнению с жесткими дисками амплитуды плоскостных деформаций [16].
В настоящей работе аналитически исследуются колебания диска устройства резервного копирования (УРК) с учетом факторов, порождающих эти колебания, т.е. крутильных и радиальных колебаний вала, вращающегося в шарикоподшипниковой подвеске и приводимого электродвигателем с учетом физических свойств материала диска, экспериментально исследованных диссипа-тивных характеристик диска и условий его крепления, принимая во внимание работы [23, 70, 84, 86, 97, 101]. В случае плоскостных колебаний задаемся деформативным перемещением точки диска в векторной форме[5]: u = ur{r,yyj)-er + uv{r,\f/,t) e4/y где иг и uv - перемещения точки соответственно в радиальном и тангенциальном направлениях. Тогда уравнение Ламе приобретает вид: Дополненное некоторыми начальными и краевыми условиями, данное уравнение представляет собой определенную краевую задачу.
Получено частотное уравнение, которое является универсальным, т.е. пригодным для определения собственных частот всех видов плоскостных колебаний диска: радиальных и тангенциальных, осесимметричных и неосесиммет-ричных (с любым числом узловых диаметров). Собственные формы получаем в виде линейных комбинаций функций Бесселя первого и второго рода.
Для решения уравнения (2.15) функцию возбуждения разлагаем по собственным формам деформации диска УРК на лавсановой основе вследствие вращения с постоянной угловой скоростью Численные расчеты показывают, что недеформативная составляющая представляет собой основную часть осесимметричных тангенциальных колебаний.
Наряду с крутильными колебаниями другой причиной плоскостных колебаний диска УРК являются радиальные колебания вала приводного двигателя. Они являются причиной неосесимметричных (радиальных и тангенциальных) колебаний диска с числом узловых диаметров « = 1,2,3,... и т.д. Спектр этих колебаний вала, как показали проведенные экспериментальные исследования, более растянут в сторону высоких частот по сравнению с крутильными колебаниями (это объясняется вибрациями, вызываемыми подшипниками качения).
Собственные формы, как и в случае осесимметричных колебаний, выражаются через функции Бесселя, но являются гораздо более громоздкими. Эти формы обобщенно могут быть выражены в виде [78]: где п - число узловых диаметров; г - расстояние от точки диска до центра. Если диск УРК участвует (вместе с валом) в полигармонических радиальных колебаниях, то на все его точки воздействуют силы, соответствующие ускорению (в системе координат, движущейся вместе с диском) с постоянной угловой скоростью: Эти радиальные колебания возбуждают в диске деформативные колебания в радиальном и тангенциальном направлениях. Численные расчеты показывают, что амплитуды колебаний по второй, третьей и следующим собственным формам незначительны по сравнению с амплитудами колебаний, проходящих по первой собственной форме, поэтому учтена лишь первая форма. Однако учет высших гармоник возбуждения имеет существенное влияние на суммарную амплитуду вынужденных колебаний. Тогда выражение, к примеру, для радиальных перемещений без учета демпфирования, не с учетом недеформативного движения диска, будет следующим Проведены экспериментальные исследования характеристик демпфирования дюралюминия и лавсана, т.е. материалов, из которых изготовляются жесткие и гибкие диски дисковых запоминающих устройств. Для этой цели использована аппаратура фирмы Брюль и Къер.
Определение логарифмического декремента затухания магнитного диска при его поперечных колебаниях
1. Получена и исследована математическая модель динамики основного механического узла устройства резервного копирования: динамическая система - магнитный диск - контактная магнитная головка - упругий держатель головки. Предложена методика идентификации оптимальных механических параметров системы по отношению к поперечным колебаниям диска методом наименьших квадратов. 2. Исследовано изменение логарифмического декремента колебаний тонкой изотропной пластинки в зависимости от формы колебаний. Рассмотрена пластинка с центральным отверстием, жестко защемленная по внутреннему контуру. Принята форма колебаний с узловыми диаметрами. 3. Для определения логарифмического декремента конструкции применен метод средних напряжений. Построены графики изменения логарифмического декремента. Установлено, что демпфирующие свойства пластинки при повы 108 шении порядка формы колебаний снижаются. 4. Демпфирующие свойства магнитного диска с повышением порядка формы колебаний снижаются. Основную роль в снижении логарифмического декремента при повышении порядка формы колебаний играет снижение средних напряжений в диске. 5. Полученные результаты принципиально соответствуют результатам экспериментального исследования тех же дисков. Проведенные исследования показывают, что магнитные диски устройств резервного копирования информации должны изготавливаться из материалов с высокими поглощающими свойствами. По-видимому, для аналогичных конструкций целесообразно применение композиционных материалов. ростом создания инфокоммуникационных систем и расширением функциональных возможностей сетей хранения данных телекоммуникационных систем резко увеличивается и применение дисковых устройств резервного копирования (УРК). По сведениям зарубежных источников информации [114], ожидается дальнейший рост использования дисковых УРК в инфокоммуникационных системах. Это обуславливается сравнительно большой емкостью УРК и, что особенно важно, оперативной выборкой требуемой информации [15].
С ростом применения УРК возросли исследования в этой области, одним из основных направлений которых является повышение качества их работы. Большое внимание уделяется исследованию дисков как непосредственных носителей информации. Технологические и сборочные деформации, поперечные и крутильные колебания, а также динамические деформации существенно обуславливают их работоспособность в конкретных УРК как при бесконтактной, так, особенно, и при контактной записи-считывании информации. В более полной мере эти факторы сказываются в современных УРК, где применяются тонкие диски большого диаметра.
Целью настоящей главы является экспериментальное исследование поперечных колебаний диска однодискового УРК со сменными дисками, так как такие колебания существенно сказываются на качестве записи-считывания электрических сигналов.
Для проведения экспериментальных исследований использовался стенд (рис.4.1), в котором диск закреплен в ступице, которая посажена на вертикальный вал и закреплена сверху при помощи специального съемного колпака. Для измерения поперечных колебаний диска, а также ступицы и прижимного колпака использованы бесконтактные емкостные датчики, блоки усиления, преобразования аналогового сигнала в код и цифровой регистратор. Разрешающая способность измерений - 0,1 мкм. Замеры выполнялись одновременно четырьмя датчиками, три из которых переставлялись в два положения. На рис.4.1 схематически изображено размещение датчиков. На рис.4.1,а показано первое положение датчиков, когда три датчика расположены над диском, а последний -над прижимным колпаком ступицы. На рис.4.1,6 - два датчика находятся над диском, один над краем ступицы и последний над прижимным колпаком. Таким образом, достигается получение информации о поведении диска в пяти диаметрах, а также о поведении края ступицы и прижимного колпака.
Диаметры выставления датчиков Так интерес представляют динамические поперечные колебания диска, а также ступицы с прижимным колпаком, то перед каждым замером устанавливалось статическое положение диска, ступицы и прижимного колпака. Для этого регистрировалась информация о поведении диска в пяти диаметрах, а также края ступицы и прижимного колпака при весьма медленном равномерном про вороте диска. Пример кривых статического положения диска представлен на рис.4.2.нижняя кривая - статическое положение диска в диаметре 162 мм; 1, 2, 3, 4 и 5 - поперечные перемещения диска в том же диаметре во время пяти последовательных оборотов диска.
На рис.4.3 представлены результаты замеров поведения диска в диаметре 194 мм при скорости вращения приблизительно 1500 об/мин. Кривые 1, 2, 3, 4 и 5 являются кривыми поперечных колебаний диска в указанном диаметре соответственно за пять последовательных его оборотов. Нижняя кривая показывает статическое положение диска в данном диаметре.
Судить о динамических поперечных перемещениях диска дает возможность график, представленный на рис.4.4, где за ось абсцисс принято статическое положение диска в данном диаметре. Кривая, представленная на рис.4.4, изображает разницу между усредненной за пять оборотов диска (рис.4.3) кривой поперечных колебаний в диаметре 194 мм и кривой статического положения данного диаметра диска. Таким образом, кривая на рис.4.4 характеризует динамические поперечные колебания диска в данном диаметре
Конструкционное демпфирование колебаний тонких дисков, закрепленных на внутреннем контуре
В данном разделе исследуются условия закрепления диска на внутреннем контуре на демпфирование колебаний. В проведенных экспериментальных исследованиях величина демпфирования определялась логарифмическим декрементом колебаний [14].
Для определения логарифмического декремента колебаний применялся метод записи огибающей амплитуд колебаний по логарифмической шкале.
Была использована аппаратура, соединенная по схеме, представленной на рис.4.6. Диск, неподвижно закрепленный на ступице и к которому приклеена пластинка из мягкого железа, возбуждался на резонансную частоту собственных колебаний электромагнитом, питаемым от звукового генератора. Для измерения частот применены бесконтактные индуктивные датчики, работающие с усилителем. Частоты собственных колебаний определялись анализатором. Для наблюдения колебательного процесса применен осциллограф. амплитуд колебаний Декремент для любой частоты собственных колебаний диска вычисляется согласно (4.2) и (4.4) по формуле В настоящих исследованиях предполагается, что окружающая среда на демпфирование колебаний тонкого диска почти не влияет. Внутреннее трение в материале диска - не основной фактор рассеяния энергии при колебаниях диска, закрепленного на внутреннем контуре [84]. Более значительное демпфирование колебаний может быть достигнуто путем изменения условий закрепления диска на внутреннем контуре.
Для определения влияния условий закрепления диска на внутреннем контуре на степень демпфирования был исследован ряд способов зажима диска на внутреннем контуре и ряд материалов в качестве промежуточных прокладок между диском и прижимными кольцами.
Для определения рассеяния энергии в материале диска он был закреплен на внутреннем контуре в 3-х точках: «идеальное» закрепление диска. В табл.4.1 приведены результаты измерений для следующих случаев: 1) рассеяние энергии в материале диска при закреплении диска на внут реннем контуре в 3-х точках; 2) конструкционное демпфирование колебаний диска, закрепленного гладкими прижимными кольцами, без прокладок. Таблица 4.1 Из рис.4.8 и табл.4.1 видно, что при зажиме диска на внутреннем контуре гладкими кольцами без прокладок по сравнению с закреплением в 3-х точках собственные частоты тех же форм колебаний увеличиваются с одновременным увеличением декремента. За счет рассеяния энергии в защемлении декремент возрастает при низших формах собственных колебаний диска [41] в 3-4 раза по сравнению с рассеянием энергии в материале диска.
Между гладкими прижимными кольцами и диском применялись промежуточные прокладки из полиэтиленовой пленки толщиной 0,1 и 0,22 мм, картонные и из полихлорвинила толщиной 1,9 мм.
По данным табл.4.2 построены графики декремента на рис.4.9. Кривой а для сравнения представлен график декремента при зажиме диска гладкими кольцами без прокладок по данным табл.4.1. Ив табл.4.2 и рис.4.9 видно, что применение прокладок мало влияет на изменение собственных частот колебаний, в особенности относительно высших форм (с 3-5 узловыми диаметрами). Однако декремент при этом увеличивается, в особенности при низших формах колебаний. 120 мах колебаний применение таких прокладок по сравнению с прижимом гладкими кольцами без прокладок дает увеличение декремента в 3-4 раза, а по сравнению с рассеянием энергии в Рис.4.9. Кривые декремента для демпфирующих прокладок из различных материалов: а - жесткое закрепление без прокладок, b - полиэтиленовые прокладки (толщина 0,22 мм), с - картонные прокладки, d - полихлорвиниловые прокладки Были применены кольца с вырезами по части сектора и прокладки. Применение таких колец и прокладок дает снижение частот первых форм собственных колебаний диска на 10 —15%, а Декремент колебаний увеличивается. Изменением длины выреза в части сектора можно изменять частоты собственных колебаний.
По результатам проведенных экспериментальных исследований делаем следующие выводы: 1. Изменение условий закрепления тонких дисков на внутреннем контуре является основным фактором увеличения демпфирования колебаний. 2. Демпфирование колебаний возрастает с применением промежуточных прокладок между диском и прижимными кольцами из материала с большей упругой вязкостью. 3. С применением прижимных колец с вырезами по части сектора и промежуточных прокладок можно повысить демпфирование колебаний с одновременным снижением частот собственных колебаний диска. 4. Изменение условий закрепления дисков на внутреннем контуре сильно влияет на низшие формы собственных колебаний
