Проектирование узла крепления оттяжек на силовой спице рефлектора

Полный текст

Введение

На данный момент глобальные системы связи развиваются в сторону освоения высоких диапазонов частот для организации высокоскоростных каналов передачи информации. Для этого необходимы антенные системы с рефлекторами апертуры 10–50 м.

Крупногабаритные рефлекторы – часть антенного комплекса, отвечающая за отражение и усиление сигнала широкого спектра от излучающей установки [1–8]. Проблемы сборки крупногабаритных рефлекторов сохраняют свою актуальность до настоящего времени [9]. Большинство используемых технических решений базируются на технологических объемных шаблонах, геометрически полностью имитирующих необходимую отражающую поверхность рефлектора. Масса таких шаблонов увеличивается в кубической зависимости относительно увеличения диаметра рефлектора, из-за чего использовать их в сборке крупногабаритных антенн становится всё более трудоемко из-за увеличения их габаритов и массы.

Примером такого технологического решения является способ, описанный в [10].

Анализ существующих способов изготовления крупногабаритного рефлектора

Для изготовления крупногабаритного рефлектора космического аппарата используется растяжение металлизированного трикотажного сетчатого полота, раскрой его на фрагменты, сшивка по радиальным сегментам для получения необходимой формы, после чего раскроенные элементы сетеполотна крепят на силовом каркасе. Далее проводится формирование реперных знаков на рабочей поверхности сетеполотна с учётом припусков в виде лент. Готовые фрагменты складывают припусками внахлест, сшивают между собой и размещают на объемном шаблоне требуемой формы, растягивая сетеполотно с требуемым рабочим усилием и выравнивая на шаблоне неровности поверхности. После получения требуемой формы и размера рабочей поверхности сетеполотно фиксируют скобами, предварительно разместив его на шаблоне и отрегулировав с использованием тангенциальных шнуров под требуемую форму поверхности.

Исходя из формулы изобретения, можно выявить следующие недостатки: трудоемкость процесса сборки; чрезмерная массовая составляющая объемного шаблона, которая возрастает в кубической зависимости от диаметра рефлектора. Данный способ изготовления предполагает изготовление отдельных шнуров (нарезку по длине) и начальный монтаж без учета упругих свойств шнуров. Из-за этого необходимо создавать систему заданных усилий натяжения на каждом этапе сборки, образуя статическую неопределимость усилий в узлах [10; 11].

Для решения этой проблемы в АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» (АО «ИСС») разработано техническое решение «бесшаблонной» сборки рефлектора, позволяющее собрать рефлектор с помощью систем обезвешивания [12; 13]. В рассмотренном выше решении отсутствуют необходимые технические элементы детализации, которые необходимы для его реализации, что свойственно патентам. В частности, требуется разработка узла крепления и регулировки оттяжек, отвечающего следующим требованиям: возможности многоразового фиксирования шнура; удобного крепежа на силовую спицу; возможности точно регулировать длину шнура по оси OZ; минимизации массогабаритных характеристик.

Конструкция узла крепления оттяжек

Для реализации данного решения [12] нами была предложена конструкция узла крепления, который отвечает указанным выше требованиям. Рассмотрим в качестве базового узла крупногабаритный рефлектор антенны разработки АО «ИСС» [12].

В процессе проектирования было решено применить схему зажима, схожую с навесными защелками (рис. 1).

 

Рис. 1. Общий вид узла крепления:

1 – язычок; 2 – база; 3 – скоба; 4 – регулировочный болт; 5 – кронштейн для закрепления узла в общем виде; 6 – крепежный болт

Fig. 1. It is a general view of the fastening unit: 1 – tongue; 2 – base; 3 – bracket; 4 – adjusting bolt; 5 – bracket for fixing the unit in general; 6 – mounting bolt

 

Подобная схема проста в изготовлении и позволяет создавать достаточное усилие на скобе, прочно фиксируя шнур, при этом не требуя значительного прикладывания усилий за счёт правила рычага. Важным моментом для закрепления шнура является большая площадь контакта зажима со шнуром, позволяющая исключить потерю прочности шнура при натяжении из-за возможного перелома (рис. 1).

Язычок (1) для надежного закрепления своего положения может фиксироваться болтом (4).

На рис. 2 показаны элементы, обеспечивающие точную регулировку требуемой длины шнура. Это регулировочный полый болт (4) и вырез для регулировочной петли шнура в базе (2), с помощью которой можно обеспечить резервный запас длины для регулировки.

Разработанный узел крепления обеспечивает возможность снятия его с опорного кронштейна для установки на нем натяжного шнура (рис. 2). Ось крепежного болта (6) расположена максимально близко к оси шнура для минимизации крутящего момента от усилий натяжения и возможного поворота базы. При этом сохраняется возможность удобного откручивания обоих болтов, как крепежного (6), так и регулировочного (4).

 

Рис. 2. Узел в снятом положении:

1 – язычок (не виден на этом рисунке); 2 – база; 3 – скоба;  4 – регулировочный болт; 5 – кронштейн для закрепления узла в общем виде; 6 – крепежный болт

Fig. 2. The unit is in the removed position: 1 – tongue (not visible in this figure); 2 – base, 3 – bracket; 4 – adjusting bolt; 5 – bracket for fixing the unit in General; 6 – mounting bolt

 

Материалом для базы (2), язычка (1) был выбран АМг6, материалом для болтов – Сталь 45. Для скобы (3) будет произведён подбор материала, исходя из прочностных расчётов. Примерный расчет позволил оценить массу узла, равную 0,018 кг.

Аналитический расчет силы натяжения шнура в узле крепления оттяжек

Для обеспечения надежного закрепления натяжного шнура в спроектированном узле требуется определить величину и направление действия сил в узле. Исходя из расчетной силы трения внутри рабочей поверхности узла, необходимо оценить усилие зажима. Требуемое усилие на оттяжках силовой спицы зависит от материала и механических характеристик шнура (коэффициента трения, модуля упругости, предела текучести и др.) [14].

Схема приложения сил показана на рис. 3.

 

Рис. 3. Распределение сил в канавке зажима

Fig. 3. Distribution of forces in the clamping groove

 

Исходя из данного рисунка, сила трения равна

$\begin{array}{c}{F}_{\text{трения}}=-F_{\text{тяги}};\\ F_{\text{трения}}=k\cdot N,\end{array}$

где N – сила реакции шнура на силу, воздействующую со стороны зажима; k - коэффициент трения.

Предполагая деформации упругими, сила зажима равна

$\begin{array}{c}{F}_{\text{зажима}}=-N;\\ F_{\text{зажима}}=\frac{F_{\text{тяги}}}{k},\end{array}$.

Коэффициент трения между шнуром и базой является уникальным в каждом отдельном случае и зачастую определяется экспериментально. Как видно из формулы выше, зажим держит оттяжку благодаря силе натяжения, которая меньше, чем сила зажима. Уменьшить разницу между ними можно обработкой скобы и паза, в котором будет находиться нить, тем самым увеличив коэффициент трения.

При этом мы можем определить максимальную силу F_тяги, которую возможно приложить к скобе (3), с помощью аналитического расчёта тем самым определив максимальную нагрузку для эксплуатации спроектированного узла.

Упростив расчетно-конструктивную схему скобы, мы получаем пространственную раму, изображенную на рис. 4.

 

Рис. 4. Расчетно-конструктивная схема скобы

Fig. 4. The bracket in a simplified form

 

Теперь необходимо найти максимальное значение силы F_тяги, исходя из предела текучести материала скобы. По третьей теории прочности, запишем формулу эквивалентного напряжения и приравняем её к пределу прочности материала

где σ_А – нормальное напряжение в точке А; τ_А – тангенциальное напряжение в этой же точке. Распишем эти величины далее

$\begin{array}{l}{\sigma }_A=\frac{M_{A\text{изгиб}}}{W_{\text{изгиб}}};\\ M_{A\text{изгиб}}=F_{\text{тяги}}\cdot AB+F_{\text{тяги}}\cdot CB\cdot \cos \alpha ;\\ W_{\text{изгиб}}=\frac{\pi \cdot d^3}{32};\\ {\tau }_A=\frac{M_{A\text{круч}}}{W_{\text{круч}}};\\ M_{A\text{круч}}={М}_{\text{круч}}=F_{\text{тяги}}\cdot CB\cdot \sin \alpha ;\\ W_{\text{круч}}=\frac{\pi \cdot d^3}{16};\end{array}$

где М_Аизгиб – максимальный изгибающий момент в точке А; М_изгиб – изгибающий момент в точке В; М_Акруч – максимальный скручивающий момент в точке А; W_изгиб – момент сопротивления изгибу; W_круч – момент сопротивления кручению.

Исходя из выведенных величин, запишем выражение эквивалентного напряжения

${\sigma }_{\text{экв}}=\sqrt{4{\left(\frac{F_{\text{тяги}}\cdot CB\cdot \sin \alpha \cdot 16}{\pi \cdot d^3}\right)}^2+{\left(\frac{(F_{\text{тяги}}\cdot AB+F_{\text{тяги}}\cdot CB\cdot \cos \alpha )\cdot 32}{\pi \cdot d^3}\right)}^2}$.

Отсюда мы можем выразить максимальную силу натяжения в узле F_тяги, так как нам известны все характеристики скобы

$F_{\text{тяги}}=\frac{\pi \cdot d^3\cdot {\sigma }_{\text{экв}}}{32\sqrt{2\cdot BC\cdot AB\cdot \cos \alpha +A{B}^2+B{C}^2}}$.

Задавшись диаметром скобы и видом материала, рассчитаем размеры скобы и определим максимально допустимые усилия для спроектированного узла.

Анализ результатов расчетов для различных диаметров скобы d применительно к сплавам АМг6, ВТ14 и ВТ16, достаточно часто применяемым в ракетно-космической технике, представлен в таблице.

Вводные данные и результаты аналитического расчёта 

	АМг6			ВТ 14			ВТ16
	d1, м	d2, м	d3, м	d1, м	d2, м	d3, м	d1, м	d2, м	d3, м
	0,0022	0,002	0,0018	0,0022	0,002	0,0018	0,0022	0,002	0,0018
σв, Па	305000000			850000000			1030000000
AB, м	0,021
CB, м	0,007
sin α	0,78
cos α	0,62
Fтяги, Н	12,29	9,23	6,73	34,25	25,73	18,76	41,50	31,18	22,73

 

Как видно из расчётов, допустимое усилие на шнуре может варьироваться от 6,73 до 41,50 Н, в зависимости от диаметра и материала скобы. Исходя из опытных данных, известно, что необходимые усилия на оттяжках равны 8–14 Н, поэтому оптимальными вариантами будут скобы АМг 6 с диаметром 2,2 мм, ВТ14 – с диаметром в 1,8 мм.

Конечно-элементное моделирование несущей способности скобы в узле крапления оттяжек

Для подтверждения результатов расчёта была создана конечно-элементная модель в САПР Catia для проведения статического анализа [15]. С помощью построенной модели мы рассчитаем максимальные напряжения в скобе и сравним их с полученными в аналитическом расчете. Для расчёта была выбрана скоба с диаметром 0,0018 м из материала ВТ16.

Как видно на рис. 5, критическое сечение в скобе соответствует аналитическому расчёту. Максимальные напряжения в скобе по данным статического анализа равны 100 МПа.

Погрешность между аналитическим расчётом и расчётом по модели равна

$\Delta =\frac{{\sigma }_{\text{экв}}-{\sigma }_{\text{мод}}}{{\sigma }_{\text{экв}}}\cdot 100\%=\frac{\mathrm{10,3}-10}{\mathrm{10,3}}\cdot 100\text{ }\%=3\%.$

Погрешность расчёта не превышает 3 %.

 

Рис. 5. Распределение напряжений в скобе

Fig. 5. Stress distribution in the bracket

 

При проектировании узла крепления необходимо учитывать, что сила зажима, приложенная к шнуру не должна вызывать в нем пластических деформаций, что ограничивает максимальное усилие зажима только упругими деформациями. Для определения силы упругости, определим напряжения в поперечном сечении

$\begin{array}{c}{F}_{\text{упругости}}=k_{\text{жест}}\cdot \Delta d,\\ \sigma =E\cdot \epsilon .\end{array}$

где  – сила упругости, равная силе реакции опоры N;  – коэффициент жесткости;σ – нормальные напряжения; E – модуль упругости первого рода; e – относительная линейная продольная деформация; Δd – линейная деформация. Однако конечные результаты во многом зависят от вида и материала шнура, который может варьироваться в зависимости от поставленных задач.

Заключение

В работе был разработан узел крепления оттяжек на силовой спице рефлектора. Узел может применяться в широком спектре крупногабаритных антенн, обладает высокой технологичностью и универсальностью. Были определены предельные диапазоны сил натяжения и материалы, используемые в узле, а также его прочностные и массовые характеристики. 

В дальнейшем в конструкции можно улучшить эргономические характеристики для снижения массы узла.

Рекомендуется использовать наиболее универсальный вариант исполнения скобы из титанового сплава ВТ16 диаметром 22 мм, который выдерживает до 41,50 Н усилий натяжения, что даёт значительный запас прочности для большинства расчетных случаев. Но, исходя из технологических и экономических соображений, при более низких усилиях в оттяжках, можно также использовать скобы из АМг6, ВТ14 меньшего диаметра.

Об авторах

Вадим Валентинович Кольга

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Автор, ответственный за переписку.
Email: kolgavv@yandex.ru

доктор педагогических наук, профессор, кандидат технических наук, профессор кафедры летательных аппаратов

Россия, 660037, Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский Рабочий», 31

Андрей Игоревич Лыкум

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: rob4i@mail.ru

инженер

Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Максим Евгеньевич Марчук

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: mmarchuk98@mail.ru

инженер

Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Глеб Юрьевич Филипсон

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: gortsev2014@gmail.com

инженер

Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Список литературы

Дополнительные файлы