Результаты проектирования конструкции малогабаритного ударного стенда

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результаты проектирования конструкции малогабаритного ударного стенда

Д.П. Елисеев

Приведены результаты разработки ударного стенда для испытаний микромеханических приборов. Ранее были получены две схемы - пружинная и пневматическая. Для определения оптимальной конструкции стенда выработаны критерии, по которым выполнено сравнение и обоснован выбор одной конструкции. Проведенный анализ показал ряд недостатков выбранной конструкции стенда - пружинной, которые были устранены при модернизации. Выбранная схема стенда обеспечивает длительность ударного импульса на уровне 0,5 мс с амплитудой более 15000 g.

Введение

Стенды для испытаний, воспроизводящие линейные ускорения и угловые скорости, имеются во многих организациях. Они, как правило, аттестованы, ме-тодики испытаний утверждены, и поэтому протоколы испытаний на них при-знаются на всех уровнях. Подобные установки создаются для испытаний круп-ногабаритных приборов и комплексов, они представляют собой громоздкие конструкции, занимающие большие площади и потребляющие много электро-энергии. Для работы с таким оборудованием необходим специальный персонал, а проведение самих испытаний на них требует значительных временных и финансовых затрат.

Опора на такое оборудование не позволяет оперативно осуществлять исследовательские испытания вновь создаваемых или усовершенствованных приборов вне планов и графиков выполнения работ.

В настоящее время существует необходимость создания испытательного оборудования, которое давало бы возможность оперативно проводить механические испытания миниатюрных приборов в любых помещениях, без привлечения специального персонала. В статье приведены результаты разработки ударного стенда для испытаний микромеханических приборов, обеспечивающего длительность ударного импульса на уровне 0,5 мс с амплитудой более 15000 g.

Разработка конструкции ударного стенда

Учитывая основные проблемы существующих испытательных стендов, предлагается альтернативный вариант, имеющий следующую конструктивную схему (рис.1), которая подробно описана в ряде работ [2, 3]. Требуемый ударный импульс создается при торможении с помощью специальной регулируемой подушки на коротком пути. Плита, с расположенным на ней микромеханическим прибором, возводится в исходное положение при помощи привода с использованием троса. В таком положении плита фиксируется благодаря спусковому механизму. При нажатии на курок плита высвобождается и происходит удар.

Рис. 1. Первоначальная проработка малогабаритного стенда

1 - привод, 2 - пружины запуска, 3 - пружины торможения, 4 - объект испытаний, 5 - стол, 6 - защелка, 7 - наковальня, 8 - подушка, 9 - основание, 10 - защитный кожух

Полученные результаты [2, 3] в виде графиков скорости и ускорения, подтверждают теоретические выкладки о небольшой скорости перед ударом - 20 м/с и высокой амплитудой самого удара 17000g при длительности импульса всего 0,15 мс. Однако в ходе разработки конструкции стенда были выявлены следующие проблемы: высокие требования к равножесткости пружин (единицы процентов), отскоки плиты и вторичные удары, выбор привода, обеспечение безопасности, разработка системы запуска. Эти факторы повлекли за собой необходимость модернизации конструкции с сохранением исходных требований к амплитуде и длительности ударного импульса.

Система запуска

Первоначально проработанная конструкция стенда включает в себя в качестве элементов запуска и торможения объекта испытаний винтовые пружины. Что влечет за собой такую проблему, связанную с их производством, как неравножесткость. Определение этой проблемы поставило под вопрос необходимость применения пружин, в результате чего, на следующем этапе модернизации искались способы их замены.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электроэрозионной обработкой можно изготовить плоскую пружину любой формы с высокой точностью размеров (до сотых долей миллиметра).

Спроектированная плоская пружина (рис. 2) сочетает в себе малые габариты винтовых пружин и эффективность плоских пружин арбалета, а так же позволяет достичь начальной скорости объекта испытаний 20 м/с. Коэффициент жесткости такой пружины равен 35 Н/мм, а сила, необходимая для взведения ее в рабочее положение равна 1050 Н. Габаритные размеры пружины равны 621х425х30 мм, в сечении она представляет собой прямоугольник, толщина которого варьируется от 2 до 5 мм, что обеспечивает равномерное нагружение конструкции и сохраняет максимальные напряжения на уровне до 600 МПа.

Ранее разработаны две конструкции малогабаритного стенда (рис.3).

а)

б)

Рис. 3. Конструкции малогабаритного ударного стенда

а) с пневматическим запуском; б) с пружиной

Было проведено их сравнение с целью модернизации и выбора оптимальной конструкции. Сравнение проводилось по наиболее важным критериям.

Массогабаритные характеристики

Первым и основным критерием для определения наиболее подходящей конструкции стенда являются МГХ. Конечное изделие должно иметь минимальный вес и габариты, позволяющие использовать его в ограниченном пространстве (например, на столе), и обеспечивающие простую и удобную работу со стендом.

Стенд с пружиной весит 70 кг и имеет габариты ВШГ 320 мм х 1200 мм х 800 мм. А стенд с пневматической системой - 35 кг, 350 мм х 1000 мм х 260 мм. Большая масса пружинного стенда обуславливается значительным весом самой пружины, так как она изготавливается из стали, большими габаритами массивного алюминиевого основания, а так же весом электродвигателя. По МГХ очевидно, что стенд с пневматической системой лучше пружинного.

Воспроизводимые ускорения

Другой основной параметр - это максимальные воспроизводимые ускорения при ударе. Именно возможность воспроизводить на испытательном оборудовании ударные ускорения в десятки тысяч g является основой проводимой ОКР. Очевидно, что концепция, на которой при испытаниях можно получить при ударе ускорения с большей амплитудой и длительностью импульса, будет лучшим результатом работы в целом. Однако помимо амплитуды и длительности ударного импульса так же очень важна повторяемость получаемых результатов и метрологически верное их получение.

При разработке систем пружинного и пневматического запуска объекта с ОИ за исходные данные бралось именно достижение пикового ускорения при ударе на уровне 15000g. В процессе проектирования стенда было показано, что обе системы запуска воспроизводят требуемое ускорение запуска, но в большей степени ударное ускорение зависит от материалов соударяемых деталей - каретки с ОИ и наковальней. Таким образом, сравнивать разработанные концепции по критерию воспроизводимых ускорений не имеет смысла, однако очевидно, что повторяемость проводимых испытаний будет выше у системы с пружинным запуском из-за непосредственного механического воздействия.

Безопасность конструкции

В разрабатываемой конструкции стенда ударный импульс создается за счет разгона стола с ОИ до скорости 20-25 м/с и резком торможении о неподвижное основание. При этом происходит значительное выделение энергии, которая может принести физический вред оператору стенда.

Оба стенда нуждаются в оснащении средствами безопасности от случайных травм. Из-за схожести конструкций некоторые средства защиты будут применены и в том и в другом случае. Например, стандартная электроизоляция, защита от перебоев в сети и случайных скачков напряжения. Направляющая рейка обязательно должна находиться под защитным экраном, для предотвращения травм оператора в таких случаях, как отрыв датчика от каретки в результате соударения с наковальней. Так же в обоих случаях к стендам следует составить список общих правил, исключающих механический травматизм. ударный стенд массогабаритный

Технологические сложности изготовления

Решение задачи оценки трудоемкости изготовления изделия на основных этапах его жизненного цикла возможно при использовании единого показателя, базирующегося на объективных свойствах представителей изготавливаемой номенклатуры. Этот показатель получил название конструктивно-технологическая сложность изделия.

Сравнивая две концепции стенда, становится ясно, что технологическая сложность изготовления у них практически одинаковая. Оба стенда имеют цельнометаллическое основание, защитный кожух, одинаковые направляющие для каретки с испытуемым датчиком, схожую электрическую систему управления. Пожалуй, единственное существенное различие обеих концепций состоит в том, что при применении пневмопушки ИСТА-3 требуется подключение воздуховодов и их проверка на герметичность, а при применении плоской пружины сложность заключается в ее изготовлении. Однако, учитывая современные технологии обработки металлов, можно с уверенностью говорить, что даже изготовление пружины такой формы не будет сложным, т.к. предполагается её изготавливать на станке ЧПУ с помощью электроэрозии.

Надежность конструкции

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.

В рассматриваемом варианте компоновки ударного стенда с применением пневмопушки “ИСТА-3”, все вышеперечисленные критерии будут зависеть именно от параметров пневмокомпрессора, т.к. остальные элементы конструкции стенда идентичны в обоих исполнениях стендов. Срок службы в штатном режиме составляет не менее 5 лет, что обеспечивает многократную окупаемость. Тем не менее, эта конструкция стенда уступает в сравнении с вариантом конструкции стенда с плоской пружиной из-за меньшей ремонтопригодности, которая в свою очередь осложнена регулярной проверкой на герметичность системы запуска. Так же выполнение плановых технических обслуживаний, связанных со смазыванием механизмов и большего количества не обслуживаемых деталей (клапана, трубопроводы, штуцера, компрессор), характеристики и срок службы которых, ограничены гарантией завода-изготовителя.

Ориентировочная цена

Еще один немаловажный критерий - это ориентировочная цена готового изделия. Ориентировочную цену необходимо рассчитывать с учетом использования качественных материалов и покупных элементов, на которых в данном случае нельзя экономить.

Предполагается в этом критерии учесть суммарные затраты на закупку материалов, крепежных элементов, входящих покупных изделий (двигатель для натяжения пружины, пневмопушка), а так же затраты на производство конкретных деталей (пружина, защитный кожух).

Все прочие компоненты такие как линейная направляющая THK, корпус, защитный кожух, крепеж, стоимость механической обработки и сборки будут идентичны по стоимости для обоих вариантов стенда.

При довольно грубых подсчетах можно утверждать, что приблизительная конечная стоимость стенда с применением пневмопушки составить 600 000р, а стоимость стенда с плоской пружиной составит 800 000 р.

Эргономичность

Эргономичность - это простота взаимодействия человека и предмета. Как правило эргономичность направлена на удобства, безопасность. Эргономичность - важная часть конструирования любой разработки.

Как видно из рис.3, внешне обе конструкции очень похожи, а следовательно имеют схожую эргономику. Но высокий уровень шума, создаваемый при работе пневмокомпрессора «ИСТА-3», достигающий 130 дБ, делает конструкцию с пневматической системой запуска ОИ менее комфортной для оператора. Так же этот недостаток влечет необходимость разработки системы шумоизоляции или выдвижение требований к установке разрабатываемого стенда в специальном помещении. Последнее является нарушением идеологии проводимой ОКР - использование малогабаритного ударного стенда в любом помещении.

Простота управления

Выполнение поставленной задачи возможно только при максимально простом управлении системами стенда. Соответственно конечное изделие должно содержать простые органы управления, стандартные (классические) интерфейсы с персональным компьютером и интуитивно понятное программное обеспечение.

При использовании конструкции с пневмокомпрессором оператор стенда должен быть знаком с основами гидравлики, т.к. периодически будет требоваться замена баллона с воздухом. В то время, как оператор, использующий стенд с плоской пружиной может проводить испытания используя лишь пару кнопок взвода пружины и запуска.

Таблица 1. Результат сравнения

Модернизация

Применение современных полимерных материалов весьма перспективно для ударозащитного кожуха. Кроме того, изготовление кожуха при помощи аддитивных технологий, позволит спроектировать его любой формы. Стоит отметить, что подобная технология предполагает использование широкого ряда материалов, имеющих модуль упругости при изгибе до 2400 МПа.

Спроектированный кожух, с у четом его изготовления на установках для послойного синтеза, представлен на рис.4. Форма такого кожуха определялась, в основном, представлениями об эргономике и дизайне авторов. Толщина стенок составляет 2 мм, что по прочностным расчетам достаточно для обеспечения защиты оператора от возможно отскока ОИ от места установки. Сам кожух предполагается изготовить из непрозрачного или матового пластика, однако сверху оставить место для установки раздвигающихся прозрачных шторок, через которые производить монтаж ОИ. Монтаж металлических элементов осуществляется через развальцованные резьбовые втулки.

Рис.4 Кожух стенда

Системы запуска и торможения

Так как в конструкции стенда используется электродвигатель с электромагнитным тормозом, применение дополнительного механического фиксатора необязательно. Вследствие чего, спусковой механизм исключен из разрабатываемой конструкции. Кроме того, так как двигатель фирмы SEW дорогостоящий (цена доходит до 2000 евро) и сложен в управлении (необходима установка вычислительного модуля), произведен поиск отечественных аналогов, в результате которого выбран двигатель 5ДВМ215S, выпускаемый ОАО «ЧЭАЗ». Этот двигатель схож по габаритам с двигателем фирмы SEW, так же имеет электромагнитный тормоз, возможность свободного обратного хода и регулятор скорости вращения.

Ввиду того факта, что пружина изготавливается из стали, ее вес составляет 10 кг, что в свою очередь создает необходимость внедрения в конструкцию стенда элемента для ее поддержки. Наиболее логичным решением текущей проблемы является крепление пружины через специальный кронштейн к линейной направляющей фирмы ТНК и на этот же кронштейн закрепить ОИ. При такой компоновке возможно использовать стандартный рым-болт для фиксации оттягивающего троса.

Заключение

В настоящей работе приведены результаты разработки малогабаритного ударного стенда для испытания микромеханических приборов. Произведен сравнительный анализ двух конструкций: пружинной и пневматической. Обе удовлетворяют поставленным задачам по амплитуде ударного импульса и его длительности. Проведенный сравнительный анализ показал, что использование стенда с плоской пружиной более целесообразно и выгодно. Также была проведена модернизация итоговой конструкции с пружинным запуском.

Литература

1. Евстифеев М.И., Ковалев А.С., Елисеев Д.П. Розенцвейн Д.В. Результаты испытаний микромеханических гироскопов при механических воздействиях // Гироскопия и навигация. 2011. - №1. - С.49-58.

2. Елисеев Д.П., Серебряков В.П., Чапурский А.П., Челпанов И.Б. Малогабаритные стенды для механических испытаний микромеханических приборов // Материалы конференции «Измерения и испытания в судостроении и смежных» (Судометрика-2010). - 2010. - С.38-42.

3. Елисеев Д.П., Серебряков В.П. Малогабаритный ударный стенд для испытаний микромеханических приборов // Материалы XIII Конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». - 2011.

4. Пешехонов, В.Г. Микромеханический гироскоп, разрабатываемый в ЦНИИ «Электроприбор» / В.Г. Пешехонов [и др.] // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2008. - № 2. - С.29-31.

5. Евстифеев М.И., Елисеев Д.П., Розенцвейн Д.В., И.Б. Челпанов. Особенности испытаний микромеханических гироскопов на ударные воздействия // Гироскопия и навигация. - 2011. - №3. - С.88-95.

6. Sang Won Yoon, Vibration isolation and shock protection for MEMS, Ph. D. dissertation, Dept. Elect. Eng. Comput. Sci., Univ. Michigan, Ann Arbor, MI, 2009.

Размещено на Allbest.ru