Моделирование системы амортизации прецизионных гироприборов

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 531.383.001.4

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АМОРТИЗАЦИИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ГИРОПРИБОРОВ

С.В. Топильская Филиал ФГУП «Центр эксплуатации наземной космической инфраструктуры» - «Научный исследовательский институт прикладной механики имени академика В.И. Кузнецова» г. Москва

Введение

В данной работе представлен один из вариантов системы амортизации, которая состоит из упругих элементов, обеспечивающих требуемый частотный диапазон амортизируемой системы, и из демпфирующих элементов - динамических гасителей колебаний.

Для анализа работы амортизирующего устройства с ударным виброгасителем составлена механическая модель в программе ANSYS Mechanical, проведен анализ зависимости вибродинамических параметров системы от геометрических параметров системы амортизации

Основная часть

Сегодня Научно-исследовательский институт прикладной механики им. академика В.И. Кузнецова разрабатывает гироприборы для систем ориентации космических аппаратов на базе поплавковых интегрирующих (ПИГ), динамически настраиваемых (ДНГ) и волоконно-оптических гироскопах (ВОГ).

На базе ПИГ создаются высокоточные приборы измерения угловых скоростей точностью около 0,001°/ч. На базе ДНГ и ВОГ создаются приборы средней точности измерения угловых скоростей - около 0,1°/ч.

Особенностью ДНГ являются его небольшие размеры при средней точности измерения угловых скоростей.

Конструктивно ДНГ представляет собой маховик, установленный на валу с помощью внутреннего упругого карданного подвеса. Вал вращается на газодинамической опоре (ГДО) с помощью электродвигателя. Наличие ГДО повышает ресурс работы чувствительного элемента до 15 лет.

Основным элементом конструкции ДНГ является упругий подвес (рис. 1).

Рис. 1 - Упругий подвес ДНГ

амортизация ударный виброгаситель гироскоп

Упругий подвес выполнен из специальной стали 21НКМТ-ВИ, обладающей требуемыми механическими свойствами (таблица 1), необходимыми для работы подвеса чувствительного элемента. Основным параметром, характеризующим упругие свойства подвеса, является предел пропорциональности.

Таблица 1 - Механические свойства стали 21НКМТ-ВИ

Для оценки допустимой нагрузки на подвес ДНГ проводится прочностной расчет. Для этого в программе ANSYS создается конечно-элементная модель подвеса с точным разбиением.

Расчетные значения податливостей и напряжений в подвесе (таблица 2) показывают, что подвес ДНГ в осевом направлении более податлив и при приложении нагрузки 100g в радиальном направлении в перемычках подвеса возникают напряжения равные пределу пропорциональности подвеса ~100 кг/мм². Допустимая нагрузка на подвес, и соответственно на ДНГ, составляет 100g.

Таблица 2 - Расчетные значения податливостей в подвесе ДНГ

В составе системы управления различных космических аппаратов применяется малогабаритный блок измерения угловой скорости, чувствительным элементом которого является ДНГ. Конструктивно три чувствительных элемента установлены в отдельный блок - блок чувствительных элементов (БЧЭ).

Прибор подвергается внешним механическим воздействиям при выведении прибора на орбиту (при старте ракетоносителя). Их уровни указаны в таблице 3.

Таблица 3 - Уровни внешних механических воздействий на прибор

При заданных внешних условиях, когда применяется высокодинамичный упругий подвес (f_ДНГ=(1500…1800)Гц; Q=100), и при отсутствии СА на БЧЭ и, следовательно, на чувствительном элементе возникнет ускорение порядка 600g, что в 6 раз превышает допустимую нагрузку.

, где

- максимальное возникающие ускорение при действии случайной вибрации;

S - уровень спектральной плотности вибрации на резонансной частоте конструкции;

Q - коэффициент передачи на резонансе;

- резонансная частота системы.

В приборах, чувствительным элементом которых является ДНГ, применяется система амортизации (СА) для защиты БЧЭ от внешних механических воздействий. СА состоит из четырех пружин - амортизаторов, и четырех ударных гасителей колебаний (УВГ) - демпферов.

Основное требование к СА - снизить механические воздействия на чувствительный элемент до допустимого уровня. При этом обеспечить стабильность углового положения БЧЭ после действия механических нагрузок. Система амортизации должна быть равножесткой, то есть линейные частоты по всех осям БЧЭ должны быть одинаковыми. Работа СА не должна вызывать значительных угловых колебаний БЧЭ. Также к СА предъявляются требования по габаритно-массовым характеристикам, величине собственной частоты. Амортизатор представляет собой витую пружину квадратного сечения. К амортизатору предъявляются требования по жесткости и частоте. Параметры амортизатора выбираются в программе ANSYS Workbench путем подбора частоты БЧЭ, установленного на корпус через четыре амортизатора, варьируя основными параметрами пружины - величиной квадратного сечения, шагом и количеством витком.

Амортизатор изготовлен из специальной пружинной стали 02Н18К9М5Т_ЭЛ ТУ 14-1-3039-80, обладает большой жесткостью - 25 кг/мм. Параметры пружины амортизатора указаны в таблице 4. Применение данного амортизатора позволяет разнести собственные частоты БЧЭ и ДНГ, т.е. обеспечить резонансную частоту БЧЭ - f_рез=(150±10)Гц (рис. 2) в то время как резонансная частота ДНГ находится в диапазоне f_ДНГ=(1500…1800)Гц.

Рис. 2 - Амплитудно-частотная характеристика БЧЭ

Таблица 4 - Параметры пружины амортизатора

Для того чтобы снизить коэффициент передачи на резонансной частоте системы и уменьшить значение возникающего ускорения на амортизируемом объекте применяются ударные виброгасители колебаний. При помощи УВГ (рис. 3) удается снизить перегрузку до 45g.

Ударный виброгаситель колебаний представляет собой металлический стержень, на котором надета резиновая трубка. На стержень надеты грузы, изготовленные из тяжелого сплава ВНМ5-3. Между грузами установлены резиновые прокладки. Грузы могут свободно перемещаться в осевом и радиальном направлениях в предварительно конструктивно установленных зазоров.

Рис. 3 - Ударный виброгаситель колебаний

Основной сложностью при создании СА является выбор параметров УВГ (массы грузов, параметров резиновой прокладки и величины зазора). Данные параметры выбираются так, чтобы на резонансной частоте системы коэффициент передачи был порядка 10…15 (рис. 4).

Рис. 4 - Амплитудно-частотная характеристика БЧЭ (Кривая №1 - АЧХ БЧЭ при отсутствии демпфирования БЧЭ; Кривая №2 - АЧХ БЧЭ с демпфированием системы)

В классическом ANSYS (ANSYS Mechanical) удается осуществлять подобное моделирование - подбор параметров грузов при действии вибромеханического воздействия.

При моделировании СА БЧЭ прибора строится упругая модель системы, представляющая собой БЧЭ, который на амортизаторах устанавливается на корпус. Далее на БЧЭ установлен амортизируемый объект - ДНГ, груз ударного гасителя совместно с резиновыми прокладками. Груз может перемещаться в зазоре между стержнем и упором (рис. 5).

Рис. 5 - Упруго-механическая модель системы

M1 - масса груза УВГ;

М2 - масса БЧЭ;

М3 - масса ДНГ;

М4 - масса стержня УВГ;

М5 - масса резиновой прокладки;

С1/К1 - жесткость/демпфирование резиновой прокладки;

С2/К2 - жесткость/демпфирование амортизатора;

С3/К3 - жесткость/демпфирование ДНГ;

С4- жесткость УВГ;

С5/К5 - жесткость/демпфирование стержня УВГ;

G - зазор.

Ниже на графиках представлены расчетные перегрузки на БЧЭ при различных значениях зазора в УВГ и при действии перегрузки 1g на основание.

При зазоре G=0 (при отсутствии зазора) перегрузка на БЧЭ составит 40g.

Рис. 6 - Виброграмма БЧЭ при G=0 на резонансной частоте конструкции 150 Гц.

При зазоре G=(0,7…0,9)мм и при жесткости резины C=10кг/мм на основание БЧЭ перегрузка составит (10…20)g (рис. 7). Груз УВГ при этом совершает перемещения в зазоре. Груз испытывает ударные импульсы перегрузкой 125g длительностью порядка 1мс. При этом перегрузка на БЧЭ составляет порядка 20g. ДНГ при этом совершает колебания на этой же частоте. Перегрузка на ДНГ соответствует перегрузке на БЧЭ. Этого удается достичь, подобрав оптимальную жесткость резиновой прокладки.

Рис. 7 - Виброграмма БЧЭ при G=0,7..0,8 и жесткости резины C=10 кг/мм

При отсутствии резиновой прокладки между грузами УВГ или при большом значении жесткости резиновой прокладки C=50кг/мм на БЧЭ возникнет перегрузка равная 25g, а на ДНГ возникнет перегрузка порядка 50g (рис. 8, рис. 9), т.е. в отличии от предыдущего случая (рис. 7) на БЧЭ и ДНГ возникают разные перегрузки.

При отсутствии резиновой прокладки, то есть при отсутствии необходимого рассеивания энергии ударного импульса груза УВГ, на ДНГ будет возникать дополнительная перегрузка, вызванная ударами груза об основание БЧЭ.

Рис. 8- Виброграмма БЧЭ при G=0,7..0,8 и жесткости резины C=50 кг/мм

Рис. 9 - Сравнение значений перегрузок на БЧЭ и ДНГ

В результате моделирования и создания конструкции демпфера были определены его основные параметры. Масса четырех грузов в УВГ составляет 48г. Конструктивно каждый груз выполнен из сплава ВНМ5-3 ТУ 48-19-85-83, наружным диаметром 16мм, внутренним диаметром 8,6мм, высотой 5мм. Между каждым грузом установлена резиновая прокладка (смесь резиновая ИРП-2025 ТУ_38.005924-2002) толщиной 1мм. Грузы могут свободно перемещаться в осевом и радиальном зазорах (0,7…0,9)мм.

Разработанная модель СА с УВГ позволяет находить основные вибродинамические параметры СА, оценивать перегрузку на БЧЭ и на ЧЭ. При этом в модели УВГ предусмотрена возможность учета кроме жесткостных параметров контакта также и демпфирования (рассеивания энергии).

Размещено на Allbest.ru