Повышение ресурса газодинамической опоры малогабаритного динамически настраиваемого гироскопа для космических аппаратов, страница 4

Схема плоскоцилиндрической (катушечной) ГДООпора образована втулкой 1, имеющей две торцевые и одну внутреннююрабочую поверхность, двумя подпятниками 2 с одной рабочей поверхностью иваликом 3 с наружной рабочей поверхностью. На подпятниках 2 нанесеныспиральные канавки, обеспечивающие совместно с торцевыми поверхностямивтулки заданные осевую несущую способность и жесткость. Радиальная несущаяспособность и жесткость обеспечиваются цилиндрическими поверхностямивтулки и валика. Винтовые канавки на рабочей поверхности валика служат дляповышения устойчивости вращения. На рабочие поверхности подпятников,валикаивтулкинаносятсяизносостойкиепокрытия(нитридтитана,алмазоподобный углерод).

Радиальный зазор получают подгонкой отверстия24втулки или подбором втулки и валика по диаметрам, осевой люфт обеспечиваютсоответствующей выставкой взаимного положения деталей.Преимуществом этого типа ГДО является возможность обеспечениявысокой несущей способности и жесткости опор при заданных габаритах,скорости вращения ротора и давлении газа. Недостаток плоскоцилиндрическойопоры – чувствительность к несимметричной нагрузке на опору, перекосамэлементов опоры, допущенным при изготовлении, трудности обеспечениятребуемыхсвойстввнутреннейповерхностицилиндрическойчастималогабаритной опоры.Полусферические ГДО (Рис.

1.7) по сравнению с плоскоцилиндрическимиимеют меньшую жесткость и несущую способность при тех же габаритах, однакозначительно проще в изготовлении, менее чувствительны к несимметричнойнагрузке и перекосам, допущенным при изготовлении [10].Рис. 1.7. Схема полусферической ГДОВтулка 1, закрепляемая по наружной поверхности в корпусе ДНГ, имеет двевогнутые полусферические поверхности. Две полусферы 2 закреплены на оси 3.25Рабочие поверхности полусфер имеют специальные канавки, обеспечивающие взаданных условиях осевую несущую способность и устойчивость вращенияротора.

Подгонкой высоты распорной втулки 4 обеспечивается требуемый осевойзазор в ГДО. Радиальный зазор получают подбором полусфер 2 и втулки 1 порадиусам рабочих поверхностей и доводкой вогнутых полусфер втулки принеобходимости.Конструктивная схема ДНГ с малогабаритной полусферической ГДОприведена на Рис. 1.8.1 - корпус, 2 - крышка, 3 - кожух, 4 - статор двигателя, 5 - ротор двигателя, 6-вал,7-ГДО,8-упругийподвес,9-маховик(ротор10 - статор ДМ, 11 - статор ДУ, 12 - ротор ДУ.Рис. 1.8.

Конструктивная схема ДНГ с полусферической ГДОДМ),26Выводы по Главе 1:1. Имеющаяся теоретическая база позволяет оценить характеристики ГДОисходя из заложенных конструктивных параметров: типа и размеров рабочихповерхностей, осевых и радиальных зазоров, конфигурации газодинамическихканавок, а также параметров газовой среды: давления и состава газозаполненияприбора.2. Конструктивная схема ГДО определяется исходя из заложенныхтребований к прибору. При этом одним из наиболее критичных параметровявляются допустимые габаритные размеры опоры, ограничивающие в первуюочередь её несущую способность. Увеличение несущей способности возможнопутем повышения давления газа во внутренней полости прибора, но ограниченотребованиямикеготочности,т.к.газявляетсяисточникомвредныхдиссипативных моментов, действующих на маховик ДНГ.3.

Полусферические ГДО являются предпочтительными для использованияв малогабаритных ДНГ традиционной конструктивной схемы по технологическимсоображениям.4. Для выбора конкретных вариантов конструктивного исполнения ГДОтребуетсяпроведениеиспользованием ЭВМ.моделированияеёосновныххарактеристикс27Глава 2. Теоретико-расчётное моделирование ГДОДля решения задачи расчёта ГДО можно использовать прямые численныеметоды [2, 5, 6, 21, 25, 39]. Поскольку ГДО имеет зону спиральных канавок игладкую запорную зону, для точного расчёта ГДО необходима стыковка полей награнице этих зон. В связи с тем, что давление газа на этой границе неизвестно,вместо задачи Коши (с начальными условиями) получается пара связанных междусобой краевых задач [22].

Сжимаемость газа, определяющая нелинейностьуравнений, дополнительно усложняет задачу. Все это вместе взятое, а такженеобходимость учёта геометрии зазора в профилированной зоне, приводит кзадаче стыковки решений двух нелинейных дифференциальных уравненийвторого порядка в частных производных с переменными коэффициентами.Численно система уравнений, приведённая методом конечных разностей ксистеменелинейныхуравнений,решаетсяметодомНьютона-Рафсона-Канторовича.Для решения этой задачи разработаны специальные компьютерныепрограммы [17], позволяющие определять статические характеристики плоских,цилиндрических и сферических газодинамических подшипников, вычислятьжёсткости, несущую способность опоры, момент сопротивления вращению ирасход газа через опору. Программы предназначены также для решения задачиоптимизации конструктивных и выходных характеристик опоры: несущейспособности, жёсткости и др.Алгоритм расчета характеристик ГДО со спиральными канавками [37]приведен на Рис.

2.1.Исходные данные для расчета характеристик ГДО содержат информацию оеё геометрических размерах, параметрах газа и скорости вращения. Эскизполусферы ГДО показан на Рис. 2.2.28началоввод исходныхданныхвыборматематическоймоделиP0=paPPi=P0ρ=1ρ>ρ1расчеткоэффициентов(14)решение уравнения(1.13) (нахождениепроизводной(dP/dρ)i)вычислениезначения давленияPi+1расчет интеграладля моментасопрот-я Ii(ρi,Pi)конецРис. 2.1. Алгоритм расчета характеристик ГДО29Рис. 2.2. Эскиз полусферы ГДОРасчет производился для двух модификаций полусферических ГДО срадиусами полусфер R = 5,7 мм (ГДО-1) и R = 6,0 мм (ГДО-2).

Геометрическиепараметры указанных ГДО приведены в Таблице 2.При расчетах учитывалось, что масса вращающейся части ДНГ составляет35 г, причем нагрузка на ближнюю к маховику полусферу и дальнюю, в силуописанной в параграфе 1.2 несимметрии расположения масс вращающихсяэлементов относительно опоры, распределена в соотношении 6:1; скоростьвращения вала 30 000 об/мин.В данной работе использована компьютерная программа, разработанная натеоретической базе, приведенной в параграфе 1.1. Вид оконного интерфейсапрограммы расчета ГДО приведен в Приложении (Рис. П.1.1 – П.1.5).

Программапредлагает два варианта расчета ГДО: для одной опоры и для пары опор. Впервом варианте программа рассчитывает силу реакции газового слоя призаданном эксцентриситете в опоре. Во втором варианте расчет ведется исходя иззаданных сил, действующих на каждую полусферу ГДО, а в результате расчетаопределяются осевые и радиальные эксцентриситеты. Таким образом, программапозволяет решать широкий круг практических задач при проектировании ГДО.30Таблица 2МодификацияГДО-1ГДО-2Радиус полусфер5,7 мм6,0 ммРадиальный зазор1,5…2 мкм1,6…1,9 мкм88Начальный угол сферы20°19°Конечный угол сферы90°90°Угол профилировки40°55°Угол наклона канавок25°25°3…4 мкм2,5…3,5 мкм0,50,4Число канавокГлубина канавокОтнос.

ширина канавокВоспользуемся программой расчета для построения силовых характеристикГДО. С практической точки зрения предпочтительнее вариант расчета парыполусфер, так как при этом учитывается их взаимовлияние. Для определениясиловых характеристик ГДО в случаях осевого и радиального нагружениявеличины соответствующих нагрузок на полусферы задаются независимо друг отдруга. Радиальные нагрузки задаются исходя из условия их распределения междуполусферами в соотношении 6:1. Удобно выбирать кратные величины нагрузок,таким образом задавая в расчете перегрузочную способность ГДО. В результатерасчета программа определяет осевые и радиальные эксцентриситеты и смещениевала, а также моменты сопротивления и углы смещения ГДО.

Для построениясиловой характеристики ГДО в радиальном направлении выбирается наиболеенагруженная полусфера.В Таблицах 3 и 4 приведены результаты проведенного расчета силовыххарактеристикГДО-1иГДО-2врадиальномиосевомнаправленияхсоответственно, причем для ГДО-2 расчет проведен для двух значений давлениягелия: 50 кПа и 80 кПа.31Перегрузка,ед.01234567891011131516182022Радиальная нагрузка, НОпора 1Опора 200,050,100,150,200,250,300,350,400,450,500,550,650,750,800,901,001,1000,30,60,91,21,51,82,12,42,73,03,33,94,54,85,46,06,6Таблица 3Радиальный эксцентриситет в опоре 2, мкмГДО-1ГДО-250 кПа50 кПа80 кПа0000,1470,1150,0800,2920,2210,1570,4350,3230,2310,5750,4240,3040,7130,5250,3770,8490,6250,4500,9810,7250,5231,1100,8220,5961,2340,9170,6681,3531,0080,7391,4691,0940,8091,2560,9441,4021,0721,4701,1331,2491,3581,461Таблица 4Перегрузка,Осеваяед.нагрузка, Н01357911131517192125303540414400,351,051,752,453,153,854,555,255,956,657,358,7510,5012,2514,0014,3515,40Осевой эксцентриситет, мкмГДО-1ГДО-250 кПа50 кПа80 кПа0000,0450,0560,0460,1340,1670,1370,2230,2740,2270,3110,3790,3140,3960,4810,4010,4780,5800,4850,5580,6750,5680,6340,7670,6480,7070,8550,7260,7770,9390,8020,8441,0190,8760,9711,1691,0161,1181,3381,1781,2551,4871,3261,3831,4601,4081,4851,480-32На Рис.

2.3 полученные результаты приведены в виде графиков.1 – силовая характеристика ГДО-1 в осевом направлении при давлении гелия 50 кПа2 – силовая характеристика ГДО-2 в осевом направлении при давлении гелия 50 кПа3 – силовая характеристика ГДО-2 в осевом направлении при давлении гелия 80 кПа4 – силовая характеристика ГДО-1 в радиальном направлении при давлении гелия 50 кПа5 – силовая характеристика ГДО-2 в радиальном направлении при давлении гелия 50 кПа6 – силовая характеристика ГДО-2 в радиальном направлении при давлении гелия 80 кПаРис.

2.3. Графики силовых характеристик ГДО-1 и ГДО-2Как следует из полученных результатов, подъемная сила F, т.е. силареакции газового слоя, равная по модулю приложенной нагрузке, в ГДО-1 восевом направлении более чем в 4 раза выше, чем в радиальном (при одинаковыхзначениях осевого и радиального эксцентриситетов). Следовательно, радиальнаяжесткость и несущая способность ГДО-1 существенно меньше осевой. Этоотчасти объясняется тем, что большую часть радиальной нагрузки в силуконструктивных особенностей воспринимает одна из двух опор ГДО – ближняя кмаховику ДНГ.33Подъемная сила, а следовательно жесткость и несущая способность ГДО-2в радиальном направлении выше, чем ГДО-1, примерно в 1,4 раза, а в осевомнаправлении ниже, чем ГДО-1, примерно в 1,25 раза (при одинаковом давлениигелия, равном 50 кПа).

Осевая жесткость ГДО-2 превышает радиальную примернов 2,5 раза.Жесткость и несущая способность ГДО-2 при давлении гелия 80 кПа выше,чем при давлении гелия 50 кПа, в осевом направлении примерно в 1,2 раза, врадиальном – примерно в 1,4 раза. Осевая жесткость ГДО-2 при давлении гелия80 кПа превышает радиальную примерно в 2÷2,2 раза.Таким образом, жесткость и несущая способность ГДО-2 в радиальномнаправлении повышены по сравнению с ГДО-1 за счет увеличения радиусаполусфер, изменения геометрии газодинамических канавок, и повышениядавления газовой среды.

При этом разница между осевой и радиальнойжесткостью, т.е. неравножесткость, снижена, по сравнению с ГДО-1.Силовые характеристики F(δ) ГДО-1 и ГДО-2 близки к линейным, особеннопри относительных эксцентриситетах, меньших 0,5. При известном перемещенииротора до касания вращающихся полусфер с неподвижной частью («рабочий ход»ГДО) можно определить величину несущей способности ГДО. Максимальноеперемещение определяется не только величиной конструктивно заданного(«полного») зазора δ, но и наличием микронеровностей и других отклоненийконтактныхповерхностейотидеальнойсферы,из-закоторыхкасаниевращающихся полусфер с неподвижной частью происходит раньше полнойвыборки зазора δ.

При расчётах несущей способности это обстоятельствоучитывается, полагая рабочий ход меньшим зазора на некоторую величину [11].Вычисления с изменением величины рабочего хода в пределах от 0,25 мкмдо 1,5 мкм показывают, что величина несущей способности ГДО-1 при этомможет меняться в осевом направлении от 2,5 Н до 15,5 Н, и в радиальномнаправлении от 0,75 Н до 4 Н (при величине радиального и осевого зазора1,75 мкм). Погрешность в расчётном определении несущей способностив34значительной мере определяется точностью, с которой известна величинарабочего хода (или неиспользуемого остатка зазора) [12, 13].Исходя из допустимых величин шероховатости (микрогеометрии) иотклонений от круглости (макрогеометрии) рабочих поверхностей ГДО, величинанеиспользуемого остатка зазора равна δ0 = 0,75…0,85 мкм.В Таблицах 5 и 6 приведены результаты расчёта соответственно радиальнойи осевой несущей способности ГДО-1 при вариации величин «полных»радиального δr и осевого δa зазоров в пределах от 1,0 мкм до 5,0 мкм и значенияхостатка зазора δо, равных 0,5 мкм; 0,75 мкм; 0,85 мкм; 1,0 мкм.Таблица 5Зазор δr, мкм1,01,251,52,02,53,03,54,04,55,0Несущая способность Fr, Н,в зависимости от величины остатка зазора δоδо=0,50 мкмδо=0,75 мкмδо=0,85 мкмδо=1,0 мкм3,741,821,0903,532,251,781,103,232,301,961,482,802,211,991,692,552,121,961,732,382,031,901,722,221,941,831,682,081,841,751,621,941,741,661,551,821,641,571,47Таблица 6Зазор δa, мкм1,01,251,52,02,53,03,54,04,55,0Несущая способность Fa, Н,в зависимости от величины остатка зазора δоδо=0,50 мкмδо=0,75 мкмδо=0,85 мкмδо=1,0 мкм15,507,774,70015,3510,007,924,9013,929,938,446,3010,508,057,175,957,756,145,574,805,774,674,283,774,303,603,332,9653,202,8252,632,3652,402,252,111,9101,851,831,7151,57035На Рис.