Повышение ресурса газодинамической опоры малогабаритного динамически настраиваемого гироскопа для космических аппаратов, страница 5

2.4 полученные результаты приведены в виде графиков.а)б)1 – δо=0,50 мкм;2 – δо=0,75 мкм;3 – δо=0,85 мкм;4 – δо=1,00 мкмРис. 2.4. Зависимости радиальной несущей способности Fr от величинырадиального зазора δr (а) и осевой несущей способности Fa от величины осевогозазора δa (б) при разных значениях остатка зазора δо в ГДО-136Из графиков видно, что если остаток зазора превышает 0,75 мкм, тонесущая способность ГДО резко падает при значениях зазора, меньших 1,5 мкм.Максимум радиальной несущей способности смещается в сторону увеличениявеличины радиального зазора по мере роста величины остатка зазора.

Такимобразом, для выбора оптимального радиального зазора в ГДО необходимо знатьреальную величину остатка зазора, которую можно определить путём проведенияэксперимента по оценке несущей способности ГДО.Следует иметь в виду, что уменьшение радиального зазора (приводящего кросту жесткости ГДО) сопровождается уменьшением рабочего хода (так какостаток зазора на микронеровности остается прежним), и, таким образом, усилиев ГДО, равное отношению перемещения к жесткости, меняется слабо. И,соответственно, остается почти той же и несущая способность. Приведенныеоценки показывают, что при изменении зазоров в ГДО от 1,5 мкм до 2 мкмрадиальная несущая способность может быть на 2…9 %, а осевая на 7…19 %ниже номинального значения; изменение же глубины канавок в пределах±0,5 мкм практически не сказывается на величине несущей способности.Отметим, что номиналы среднего значения радиального зазора (1,75 мкм) иглубины канавок (3,5 мкм) близки к оптимальным, так как при этих значенияхдостигается максимум по несущей способности прибора.37Выводы по Главе 2:1.Врезультатепроведенноготеоретико-расчётногомоделированияустановлены основные характеристики двух модификаций малогабаритных ГДОдля ДНГ (ГДО-1 и ГДО-2).2.

Анализ результатов моделирования показывает:- жесткость и несущая способность ГДО в радиальном направлениизначительно ниже, чем в осевом (более чем в 4 раза для ГДО-1 и в 2 раза дляГДО-2);- модификация ГДО-2 по сравнению с ГДО-1 имеет большую примерно в1,4 раза радиальную несущую способность за счёт геометрических размеров(газовая среда одинаковая – гелий давлением 50 кПа);- увеличение давления гелия до 80 кПа приводит к увеличению осевойнесущей способности ГДО-2 в 1,2 раза, радиальной – в 1,4 раза;- радиальная несущая способность у ГДО-2 при давлении гелия 80 кПапримерно в 2 раза выше, чем у ГДО-1 при давлении гелия 50 кПа; при этомзначения осевой несущей способности примерно одинаковы.3.Погрешностьврасчётномопределениинесущейспособностиопределяется точностью, с которой известна величина рабочего хода (илинеиспользуемого остатка зазора) ГДО.4.

Для выбора оптимального радиального и осевого зазора в ГДОнеобходимо знать реальную величину неиспользуемого остатка зазора, которуюможно определить путём проведения эксперимента по оценке несущейспособности ГДО.38Глава 3. Методики проведения экспериментальных исследованийНа характеристики ГДО и ее несущую способность влияет целый рядконструктивных параметров (радиус опоры, величина зазора, размеры канавок ит.п.), характеристики газовой среды (вязкость, длина свободного пробега молекулгаза, давление и температура), а также магнитное тяжение от приводногодвигателя, наличие микронеровностей и других отклонений контактныхповерхностей от идеальной сферы, появление тонких газовых пленок в ГДО и др.Теоретический анализ влияния последних на характеристики ГДО затруднителен,что приводит к необходимости проведения экспериментальных исследований.3.1. Методика испытаний ГДО в технологическом приводеДля проведения автономных экспериментальных исследований ГДО сцелью определения их характеристик до установки в ДНГ разработаныэкспериментальныетехнологическиепривод(Рис.

3.1)икамерадлягазозаполнения.ГДО 4 устанавливается в корпус 1 технологического привода при помощинакладок 2 и 3. Вращение ГДО осуществляется от электродвигателя, статор 5которого вклеен в корпус 1, а ротор 6 крепится на валу ГДО цанговымкреплением 7. С обратной стороны на валу ГДО крепится технологическиймаховик 8, соответствующий по массе и моменту инерции маховику ДНГ,фиксируется гайкой 9 и закрывается кожухом 10. Корпус в сборе крепится кподставкам 11, 12, обеспечивающим его монтаж в технологической камере.Технологическая камера при проведении испытаний ГДО обеспечиваетгерметичность газозаполнения с требуемым давлением и составом газовой среды.39Рис.

3.1. Эскиз технологического привода ГДОДля экспериментального исследования характеристик ГДО разработанаметодика,позволяющаяопределятьзависимостьмоментасопротивлениявращению от скорости вращения ротора на выбеге после отключения питания. Впроцессе выбега ротора величина подъемной силы в ГДО постепенноуменьшается (из-за снижения скорости вращения). Посадка ГДО (т.е. касаниевращающихся полусфер ГДО неподвижной относительно корпуса ДНГ илитехнологического привода втулки ГДО) происходит, когда подъемная силастановится близка к весу вращающейся части прибора,а соответствующуюскорость вращения называют скоростью посадки. При посадке происходитпереход от вязкого трения в газовой среде к граничному и далее к сухому трениюрабочих поверхностей ГДО.Методика экспериментального исследования предполагает измерениечастоты́ ЭДС, наводимой в обмотках статора электродвигателя ДНГ илитехнологического привода при выбеге ротора после отключения питания.40В этом случае величина частоты ЭДС (fЭДС) прямо пропорциональнаугловой скорости вращения (ω) ротора и числу пар полюсов (p) статора:fГцЭДС ()=ω ( рад / с) ⋅ p2π ( рад)(3.1)По значению частоты ЭДС рассчитывается скорость вращения, а путём еёдифференцирования определяется момент сопротивления вращению Mс (приизвестном моменте инерции J вращающейся части прибора).M=Jcdω (t ) 2π J ∆f ЭДС≈⋅dtp∆t(3.2)Изменение частоты ЭДС (ΔfЭДС) определяется периодом опроса частотомера(Δt), который в нашем случае равен 1 секунде.Схема реализации предложенной методики приведена на Рис.

3.2.Рис. 3.2. Схема проведения экспериментальных исследований моментныххарактеристик ГДОИсточник питания 1 служит для подачи на технологический привод 2 с ГДОтрехфазного напряжения Uпит требуемой частоты fпит (ключ замкнут). Параметрыпитания контролируются при помощи универсального цифрового мультиметра 3и осциллографа 5. После отключения питания (ключ разомкнут) ротор начинаетвыбегать, и напряжение и частота ЭДС, наводимой в статоре, измеряютсямультиметром 3 и фиксируются в памяти персонального компьютера (ПК) 4.После окончания измерений ПК служит для обработки записанных данных.41На Рис.

3.3 в качестве примера приведён график зависимости моментасопротивления вращению (Мс) от скорости вращения ротора (Ω) (криваяШтрибека), полученный по предложенной методике. По данному графику можноопределить скорость посадки ГДО (скорость вращения, при которой происходитпереход вязкого трения при выбеге ГДО в сухое трение при посадке), оценитьмомент сухого трения при посадке, а также проанализировать поведение моментасопротивления на скоростях вращения от рабочей скорости до полного остановаротора.Рис. 3.3. График зависимости момента сопротивления вращению отскорости вращения ГДОПо указанной методике проведены измерения параметров 35 образцовгазодинамических опор ГДО-1.

Полученные результаты приведены в Таблице 7.42Таблица 7№ ГДО-11234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435Среднеезначениеtвыб, с323233313429333334323028273030313127263030313131313430313229303129323031ПараметрΔfЭДС, ГцМс ·104, Н·м72,94,7372,34,6270,04,1371,94,7568,44,2877,94,8875,14,7669,44,2065,54,0168,84,0978,45,3779,85,1480,45,3483,95,1285,65,2473,14,9677,95,1183,55,2783,75,2380,84,9880,95,0177,54,9276,54,877,74,7679,64,8868,34,2779,74,9179,05,0273,54,6877,54,8477,65,0579,64,8883,85,4474,64,6578,65,0676,74,84Ωпос, об/мин12761386223715421331239015741607161524629481775236312231693130113302841245714891184124413621015160413391330891123721351395131010009401275154643В Приложении (Рис. П.2.1 – П.2.10) приведены гистограммы распределениязначений параметров ГДО и графики корреляций значений параметровисследуемых ГДО.Среднее значение времени выбега ГДО составило 31 с, изменения частотыЭДС на выбеге 77 Гц, момента сопротивления в рабочем режиме 4,84·10-4 Н·м,скорости посадки 1546 об/мин.Полученные результаты позволяют установить допустимые пределыразброса параметров ГДО от образца к образцу, определяемые как Хср±2,7σ, гдеХср – среднее значение параметра,σ – среднее квадратическое отклонениезначений параметра.В этом случае предельные отклонения составляют: (25÷36) с для временивыбега, (63÷90) Гц для изменения частоты ЭДС, (3,8÷5,9)·10-4 Н·м для моментасопротивления в рабочем режиме, (210÷2880) об/мин для скорости посадки.По величине скорости посадки косвенно можно оценить несущуюспособность ГДО, если воспользоваться соотношением:F = C ⋅Ω⋅ D ,(3.3)где F – сила реакции газовой смазки при взаимном смещении (D)вращающейся и неподвижной частей ГДО;Ω – скорость вращения;С – коэффициент жесткости опоры, зависящий от геометрии ГДО и газовойсреды.Если предположить, что коэффициент жесткости опоры не зависит отскорости вращения, то отношение n несущей способности Fраб к весу подвижнойчасти G прибора приблизительно равно отношению скорости вращения в рабочемрежиме Ωраб и к скорости посадки ГДО Ωпос:FрабG≈Ω рабΩ пос=n(3.4)Зная вес подвижной части прибора, можно приблизительно вычислитьнесущую способность ГДО:Fраб ≈ n ⋅ G(3.5)44Результаты оценки несущей способности ГДО-1 по скорости посадкиприведены в Таблице 8.Таблица 8Ωпос, об/минnFраб, НМакс.284110,63,6Средн.154619,46,7Мин.89133,711,5Существенное отличие результатов оценки несущей способности по скоростипосадки от результатов моделирования говорит о неточности данного метода, неучитывающего,преждевсего,отличиенагнетательногодействиягазодинамических канавок на рабочей скорости и на скорости посадки.