Повышение ресурса газодинамической опоры малогабаритного динамически настраиваемого гироскопа для космических аппаратов (1025561), страница 2
Текст из файла (страница 2)
По указаннойметодике проведены испытания 35 образцов ГДО-1 и проведена статистическаяобработкаполученныхрезультатов,наоснованиикоторойустановленыдопустимые значения параметров ГДО при изготовлении.Несущая способность ГДО определена экспериментально путем испытанийДНГ с ГДО на низкочастотном вибростенде с определением величины скоростипосадки при различных значениях внешней вибрационной перегрузки.Проведены сравнительные испытания модификаций ДНГ с ГДО-1 и сГДО-2, которые показали, что за счёт увеличения радиуса рабочих поверхностейи изменения конфигурации газодинамического профиля радиальная несущаяспособность повышена не менее чем на 60 %, при этом осевая несущаяспособность остается примерно на том же уровне.Вместе с увеличением8давления гелия с 50 кПа до 80 кПа радиальная несущая способностьувеличивается не менее чем в два раза.Дляэкспериментальногоподтвержденияправильностипринятыхтехнических решений с точки зрения надежности ДНГ с ГДО проведеныресурсные испытания двух гироскопов.Результаты экспериментальных исследований ГДО подтвердили основныетеоретические положения диссертации.ЧетвертаяГлавадиссертациисодержитрезультатыисследованийизносостойких покрытий рабочих поверхностей ГДО.
В процессе эксплуатацииДНГ с ГДО отмечены случаи отказов по моментным характеристикам вплоть донезапусков приборов. В результате исследований таких случаев установлено, чтоотказы связаны с появлением на рабочих поверхностях ГДО загрязненийнеизвестного происхождения, чаще всего в виде налёта и мазков, выявляемыхпосле разборки отказавших приборов. С целью определения состава ипроисхождения загрязнений проведены их исследования с помощью растровогоэлектронногомикроскопасэнергодисперсионнымрентгеновскиммикроанализатором. Методом спектроскопии комбинационного рассеяния светапроведен сравнительный анализ загрязнений с образцами органических веществ,применяемых при изготовлении деталей ГДО, а также деталей и сборочныхединиц ДНГ. В результате исследований установлено, что загрязнение состоит изматериала органического происхождения и, наиболее вероятно, являетсяостатками доводочных паст, применяемых для доводки нитрида титана иалмазоподобного углерода после их нанесения на рабочие поверхности ГДО приизготовлении.В результате исследования износостойких покрытий на имитаторах ГДОустановлено, что покрытие из нитрида титана, получаемое в вакуумныхустановках определенного типа, может иметь каверны размером до 8 мкм, чтоможет способствовать появлению загрязнений на рабочих поверхностях ГДО изза попадания в них связующего вещества доводочных паст на этапе изготовления9деталей ГДО.
При промывке данное вещество может удаляться не полностью всилу сложной конфигурации каверн в покрытии.Для обеспечения надежного функционирования ГДО в течение длительногоресурса и устранения установленных причин появления загрязнений выработанырекомендации по проведению дополнительных технологических мероприятий:введение новых методов очистки рабочих поверхностей ГДО перед сборкой,введение технологической обкрутки с последующей разборкой ГДО и промывкойеё деталей, уточнение режимов нанесения износостойких покрытий в вакуумныхустановках.Указанныетехнологическиемероприятияпозволилирешитьпроблему появления загрязнений в ГДО и обеспечить длительный ресурс ДНГ.Научная новизна работы заключается в следующем:1. Обоснована возможность повышения ресурса полусферических ГДО вмалогабаритных прецизионных ДНГ путем моделирования параметров ГДО привариациях геометрических параметров опор и давления газозаполнения (вдиапазоне (50÷80) кПа).
Выработаны рекомендации по выбору оптимальныхзначений зазоров в ГДО для достижения максимальной несущей способности призаданных геометрических параметрах ГДО с учетом отклонений ГДО отидеальной геометрической формы.2. Разработанаоригинальнаяметодикаисследованиямоментныххарактеристик ГДО автономно (в технологическом приводе) и в составе ДНГ безприменениясложнойспециализированнойаппаратуры,сминимальнымизатратами времени и ресурсов.3. ИсследованиядеталейГДОметодамирастровойэлектронноймикроскопии и микроанализа, а также спектроскопии комбинационногорассеяния света, позволили определить причину появления посторонних частицна рабочих поверхностях ГДО и связанных с этим отказов ДНГ и выявилинеобходимость уточнения технологии изготовления деталей ГДО.4. Получены результаты сравнительных исследований двух модификацийГДО в составе ДНГ, исследований по определению несущей способности ГДО в10составе ДНГ, а также точностные и ресурсные испытаний ДНГ с ГДО,подтвердившие возможность повышения ресурса малогабаритного ДНГ с ГДО.Практическая ценность работы заключается в следующем:1.
Разработанная методика исследования моментных характеристик ГДОупрощает оценку качества опор при их изготовлении.2. Проведенное теоретико-расчетное моделирование позволило решитьзадачу повышения несущей способности ГДО. Сравнительные исследования двухмодификаций ГДО и исследования по определению несущей способности ГДО всоставе ДНГ подтвердили правильность принятых технических решений3. Проведенные исследования рабочих поверхностей ГДО позволилирешить проблему появления посторонних частиц в рабочем зазоре, ухудшавшиххарактеристики ГДО и снижавших ресурс работы ДНГ.4. Проведенные исследования стали базой для создания ДНГ с ГДО,используемых в системе управления КА с большим ресурсом работы.Основные положения, выносимые на защиту:1.
Проведенноемоделированиетеоретическоеисследованиеитеоретико-расчетноепозволяет определить основные конструктивныерешенияпостроения малогабаритного ДНГ с ГДО ротора для обеспечения несущейспособностиопоры, достаточнойдляназемной отработкиДНГ и егопоследующей эксплуатации в составе КА с большим ресурсом работы.2. Результатыпроведенныхподтверждают основныеэкспериментальныхисследованийтеоретические положения работы. В частностиподтверждена достаточная несущая способность ГДО малогабаритного ДНГ прирациональном выборе характеристик ГДО.3. Построение малогабаритного ДНГ с ГДО ротора позволяет решитьзадачи большого ресурса работы прибора с обеспечением требуемых точностныхпараметров и высокой надежности.Достоверность и обоснованность результатов подтверждается совпадениемрезультатов теоретических и экспериментальных исследований, а также11успешнойпрактическойреализациейосновныхтехническихрешений,приведенных в работе.Личный вклад автора состоит в:- проведениитеоретико-расчетногомоделированияисравнительногоанализа параметров ГДО с целью повышения несущей способности;- разработке специальной методики определения основных характеристикГДО;- проведении экспериментальных исследований ГДО и ДНГ, в том числесравнительных исследований ДНГ с двумя модификациями ГДО;- проведении анализа результатов экспериментальных исследований ГДО иДНГ;- проведении исследований износостойких покрытий рабочих поверхностейГДО и выработке рекомендаций по устранению причин появления постороннихчастиц.Авторвыражаетблагодарностьсвоемунаучномуруководителю,сотрудникам кафедры приборов и систем ориентации, стабилизации и навигацииМГТУ им.
Н.Э. Баумана и коллективу филиала ФГУП «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМимениакадемикаВ. И. Кузнецова»,вособенностиА. А. Волынцеву,Л. З. Новикову, А. А. Игнатьеву и В. С. Славину за помощь и поддержку внаучной работе.12Глава 1. Выбор теоретической модели малогабаритной ГДО соспиральными канавками на шипеВыбортеоретическоймоделиГДОявляетсяпервымэтапомпроектирования, необходимым для определения общих принципов будущегоприбора (ДНГ) и подтверждения принципиальной возможности его создания. Иззаданных требований к прибору можно определить ограничения и требования,предъявляемые к приводному узлу, в частности, к ГДО.
Это предельныегабариты, а также напрямую с ними связанные специфические требования, такиекак необходимая жесткость и несущая способность, максимально допустимыймомент сопротивления вращению. Требования к точности ДНГ ограничиваютвозможность повышения давления газа во внутренней полости прибора, что ведетк необходимости поиска баланса между точностью ДНГ и несущей способностьюГДО, а также достижения возможно большей несущей способности при заданномдавлении.1.1. Теоретические основы расчета ГДООсновные характеристики ГДО определяются на основании уравненийдвижения газовой смазки. Их решение, в том числе для опор, профилированныхканавками, подробно рассматривалось в работах А.
В. Емельянова [14, 15, 16],В. А. Матвеева [25], Ю. В. Пешти [30, 31], С. В. Пинегина [32, 33], В. А. Рожкова[37], С. Г. Дадаева [7, 8] и других. Большой вклад в развитие теории опор сгазовой смазкой сделан зарубежными учеными [4, 42, 43, 44, 45]ДляразработкиметодикиэкспериментальногоисследованияГДОнеобходимо знать зависимость основных «выходных» характеристик ГДО(несущей способности, жесткости, момента сил трения) от таких параметров, какразмеры рабочих поверхностей ГДО, скорость вращения, давление и составгазовой среды.
Для определения этих зависимостей воспользуемся теоретическойбазой [25].13Установившееся положение шипа (или подшипника, в случае обращеннойконструкции), для которого ведется расчет, определяется эксцентриситетом е иуглом смещения Φ. При центральном положении шипа ненагруженной ГДОэлементарный объем смазки в зазоре, движущийся с постоянной скоростью поокружности, находится в равновесии под действием сил давления и вязкоготрения.При нагружении шипа происходит его смещение, возникает градиентдавления в зазоре и появляется разность напряжений сдвига на верхней и нижнейгранях элементарного объема смазки.
Сила трения, возникающая при этом наверхней грани элементарного объема смазки, уравновешивается силой давления.Таким образом, разность этих сил без учета сил тяжести и инерции равна нулю: ∂ 2u ∂p ∂ 2u 1 ∂p.= µ ⋅ 2 − ∆x ⋅ ∆y ⋅ ∆z = 0 или2∂∂yxµ∂x∂y(1.1)Выражение (1.1) является дифференциальным уравнением Рейнольдса длясоставляющей газового потока в тангенциальном направлении (Ox). Для потока,движущегося со скоростью υ в осевом направлении (Oz), результат аналогичный.Скоростью потока в радиальном направлении (Oy) можно пренебречь.
Вэтом случае, при отсутствии осевого движения шипа, объемный расход газа,протекающего через единицу ширины потока высотой h при Δz=Δx=1:h∆z ∫ udy =−qx =0,5Uh01 3 ∂ph;12 µ ∂xh1 3 ∂pqz =h∆x ∫ υ dy =−.012 µ ∂z(1.2)Уравнения, выражающие зависимости составляющих давления, скорости иобъемного расхода газа по направлениям Ox и Oz, необходимо дополнитьуравнениемнеразрывностидлягазовогопотока,котороевслучаеустановившегося движения газа (при ∂(ph)/∂t=0) имеет вид:∂ ( pqx ) ∂ ( pqz )+=0.∂x∂z(1.3)14Для расчета сферических ГДО необходимо записать уравнения газовогопотока в сферических координатах (r, φ, λ) согласно (1.1), (1.3):2∂p µ ⋅ sin λ ∂ υϕ=;∂ϕ∂λ 2r∂p µ ∂ 2υr;=⋅∂r r 2 ∂λ 2∂p=0;∂λ1 ∂ ( ρυr r 2 )1∂ ( ρυλ sin λ )1 ∂ ( ρυϕ )(1.4)⋅+⋅+=0,∂r∂λr2r ⋅ sin λr ⋅ sin λ ∂ϕгде υr, υφ, υλ – составляющие скорости движения газа в сферических координатах.НесущаяспособностьопорыN(подъемнаясила)определяетсяравнодействующей сил давления смазочного слоя.
В установившемся движенииподъемная сила работоспособной ГДО равна нагрузке на шип. Для радиальногоподшипника диаметром D и шириной L (Рис. 1.1) получимN = K N DLpa ,(1.5)где pa – давление окружающей среды;KN – удельная подъемная сила, приходящаяся на единицу площади DL осевогосечения подшипника при pa=1.Проекции KN на оси OXYZ (Рис. 1.1):2πKX0,5=∫ P '(ϕ )cosϕ dϕ N X / ( DLpa );02πKY0,5=∫ P '(ϕ )sin ϕ dϕ NY / ( DLpa ).0Рис. 1.1. Схема радиальной ГДО15Угол Φ=arctg(NY/NX)=arctg(KY/KX) определяется с учетом того, что известнафункция P’(φ), следовательно, и зависимости KN(Λ, ε), KY(Λ, ε), KX(Λ, ε).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
