Разработка методики определения возмущающих моментов управляемых двигателей-маховиков на силоизмерительном стенде

Полный текст

Снижение уровня вибрационного воздействия от работающих на борту космических аппаратов электромеханических приводных устройств, в том числе управляемых двигателей-маховиков (УДМ), содержащих вращающиеся части, является актуальной технической задачей, обусловленной ужесточением вводимых предприятиями - разработчиками космических аппаратов ограничений. Минимизация виброактивности, под которой понимаются механические воздействия в виде сил и моментов, требует проведения как комплексных теоретических исследований на проектном этапе, включая компьютерное моделирование и инженерный анализ конструкции, так и экспериментальных измерений, направленных на изучение характера и уровня вибраций, создаваемых в процессе работы прибора, на выяснение неизбежных отличий реальной конструкции от «идеальной» модели с целью уточнения и совершенствования последней [1]. Для экспериментального определения создаваемых УДМ возмущающих сил и моментов в ОАО «НПЦ «Полюс» разработан и изготовлен силоизмерительный стенд, состоящий из измерительного модуля и аппаратно-регистрирующей части. Принцип работы стенда основан на измерении сил по трем ортогональным осям X, Y, Z, создаваемых работающими УДМ в реальном режиме времени. Измерительный модуль представляет собой платформу с шестью трехкомпонентными датчиками силы, установленную на виброизолированный фундамент, конструктивно обеспечивающий контроль вибрационных воздействий с частотами не ниже 3 Гц. Аппаратно-регистрирующая часть стенда образована измерительными усилителями заряда и 32-канальным анализатором вибрационных, акустических сигналов LMS SCADAS Mobile (Бельгия). Для калибровки и поверки измерительных усилителей, управления процессом измерений, осуществления сервисных функций, преобразования получаемых с датчиков силы данных, выполнения частотного анализа и преобразования Фурье использован персональный компьютер с предусмотренным служебным программным обеспечением, также разработанным фирмой LMS [2]. Испытываемый УДМ закрепляется на платформе при помощи специальных приспособлений и крепежа с заданным моментом затяжки, исключающего возможные повреждения посадочных мест УДМ. Закрепление УДМ производится таким образом, чтобы оси приборной системы координат OX и OY (лежащие в плоскости вращения маховика) совпадали с соответствующими осями платформы. Определение значений силомоментных характеристик УДМ основано на измерении электрических сигналов с выходов датчиков силы, прямо пропорциональных силам сжатия и растяжения, создаваемым работающим в различных режимах УДМ и действующим в точках его крепления к платформе. Эти сигналы в реальном масштабе времени передаются в измерительный тракт, усиливаются и поступают в анализатор, где происходит их согласование и аналого-цифровая обработка. Далее оцифрованные сигналы поступают в компьютер и сохраняются на его жестком диске в виде массива данных. Таким образом, оператор получает значения вибрационных сил, генерируемых УДМ. Однако на практике необходимо иметь информацию о возмущающих моментах, действующих относительно осей OX, OY, OZ приборной системы координат, а также значения статического и динамического дисбалансов, которые позволяли бы проводить экспресс-оценку качества выполнения технологической 125 Авиационная и ракетно-коcмическая техника операции уравновешивания роторной системы УДМ на завершающей стадии изготовления и приемки. Для расчета значений возмущающих моментов предложена методика, основанная на положении о равновесии пространственной системы сил и связывающая геометрические размеры, конфигурацию расположения датчиков и значения регистрируемых сил. Согласно схеме расположения датчиков силы (рис. 1), применяемых в измерительном модуле (датчики 261А13 фирмы РСВ), уравнения для вычисления суммарных проекций сил, действующих вдоль осей приборной системы координат, имеют вид (2) Fx - F1x + F2x + F3x + F4x + F5x + F6x ; Fy - F1 y + F2 y + F3 y + F4 y + F5 y + F6 y ; Fz - F1z + F2 z + F3z + F4 z + F5 z + F6 z, (1) а уравнения для вычисления суммарных моментов, действующих относительно осей приборной системы координат, Mx - a(F4z + F3z - F1z - F6z ); My - b(F6z + F4z - F3z - F1z ) + c(F5z - F2z X Mz - a(F1x + F6x - F4x - F3x ) + +b(F3y + F1 y - F4y - F6y ) + c(F2y - F5y ), где Fix, Fiy, Fiz - проекции вибрационной силы на оси системы координат стенда, регистрируемые соответствующими датчиками силы; Mx, My, Mz - амплитудные значения возмущающих моментов; a, b, c - расстояния, определяющие положение проекций геометрических центров датчиков силы относительно осей системы координат стенда в плоскости XOY. В результате расчета по формулам (2) получены зависимости возмущающих моментов, генерируемых УДМ, при различных частотах вращения ротора (рис. 2). Рис. 1. Схема расположения датчиков на установочной платформе силоизмерительного стенда Частота вращения, об/мин Рис. 2. Зависимость моментов сил, действующих по осям Х (-), Y (---). Z (......) 126 Вестник СибГАУ. № 1(53). 2014 При определении моментов были использованы значения сил, действующих вдоль осей OX, OY, OZ работающего УДМ, полученные экспериментально на силоизмерительном стенде. Из графика (рис. 2) следует, что суммарные значения амплитуд моментов сил по осям ОX и ОY практически совпадают между собой, что соответствует увеличению центробежных сил ротора-маховика с остаточным дисбалансом по мере роста частоты вращения. Момент по оси ОZ отсутствует. В диапазоне частот 3100-3600 об/мин имеются отклонения амплитуд моментов сил. Выявление источника этих отклонений требует дополнительных исследований. Предварительное предположение - отклонения вызваны вибрацией наружных колец шарикоподшипников. Предложенная методика, реализованная в программном обеспечении разработанного стенда, позволяет получать объективные данные о значениях возмущающих моментов, генерируемых УДМ, а также с их помощью определять значения статического и динамического дисбалансов вращающихся частей УДМ. Таким образом, внедрение экспериментального контроля возмущающих моментов создает предпосылки для повышения точности балансировки на этапе изготовления и совершенствования разрабатываемых приборов. Это делает силоизмерительный стенд эффективным инструментом, необходимым при создании электродвигателей-маховиков с минимальной виброактивностью.

Об авторах

Анастасия Алексеевна Денисова

ОАО «Научно-производственный центр «Полюс»

Email: polus@online.tomsk.net
инженер-конструктор

Олег Викторович Тверяков

ОАО «Научнопроизводственный центр «Полюс»

Email: polus@online.tomsk.net
кандидат технических наук, заместитель начальника отдела

Юлия Александровна Бритова

ОАО «Научно-производственный центр «Полюс»

Email: polus@online.tomsk.net
кандидат технических наук, инженер по испытаниям второй категории

Список литературы

Дополнительные файлы