Усовершенствование конструкции упругих элементов датчиков лазерных гироскопов для повышения их надежности в условиях воздействия вибрационных и ударных нагрузок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, г. Москва

Усовершенствование конструкции упругих элементов датчиков лазерных гироскопов для повышения их надежности в условиях воздействия вибрационных и ударных нагрузок

Бутягин О.Ф., Голяев Ю.Д., Кроваткин М.В., Савельев И.И.,

Скопин К.А.

Аннотация

лазерный гироскоп температурный тарельчатый

В работе рассмотрены характеристики упругих элементов датчиков лазерных гироскопов - разрезных и тарельчатых пружин. Определены условия их надежной работы при механических и температурных воздействиях.

Ключевые слова: датчик лазерного гироскопа, упругий элемент, пружина

Annotation

Design improvements of flexible elements of laser gyro sensors for their reliability increasing under vibration and shock influences. Butyagin O.F., Golyaev U.D., Krovatkin M.V., Saveliev I.I, Skopin K.A.

The characteristics of flexible elements of laser gyros sensors - split and disc springs are discussed. The conditions for their reliable operation under mechanical and thermal effects are defined.

Key words: laser gyro sensor, flexible element, spring

Целью данной работы является анализ и оптимизация упругих элементов лазерных гироскопов (ЛГ) с частотной подставкой на эффекте Зеемана [1]. Упругие элементы являются важной и ответственной частью конструкции датчиков ЛГ со вставным холодным катодом. К ним предъявляется ряд специфических требований, связанных с особенностями работы ЛГ. Это вынуждает использовать пружины специальной конструкции, изготовленные из специальных материалов, что усложняет и удорожает процесс их изготовления.

Конструкция и требования к упругим элементам ЛГ

Рассмотрим упрощенно конструкцию одноосного датчика ЛГ типа ЗЛК [1] со вставным холодным катодом. На рис. 1 представлены элементы конструкции датчика, определяющие положение упругих элементов.

Рис.1 Расположение упругих элементов в датчике

Датчик ЛГ включает в себя корпус 1 резонатора, в полости которого установлен катод 3. Напряжение на катод подается через лепесток 8, который припаян к втулке на электродной пластине 2 резонатора (ножке). Для поджатия катода к лепестку и обеспечения электрического контакта используется разрезная пружина 4. Вид разрезной пружины, установленной на катоде, показан на рис.1 справа и на рис.3. Корпус и ножки резонатора изготавливаются из ситалла и соединяются посредством оптического контакта. Поскольку оптический контакт обладает относительно невысокой прочностью, к пружине предъявляются жёсткие требования по величине усилия сжатия, передаваемого через катод на ножку. Усилие пружины должно быть достаточным, чтобы механический контакт катода и лепестка сохранялся при всех внешних воздействиях (ударах и вибрациях) в процессе эксплуатации датчика ЛГ.

Например, для максимального ускорения, действующего на прибор, равного 100 g, пружина должна создавать усилие минимум в 0,8 кгс, поскольку масса катода и пружины составляет 8 г. В то же время усилие пружины не должно нарушать оптический контакт корпуса и ножки резонатора. Опытным путем было установлено, что это происходит при усилии 2 кгс. Особые требования предъявляются к качеству обработки и материалу катодной пружины. В полости резонатора не допускается наличие микрочастиц (пыли, частиц металла), которые могут нарушить работу прибора. Также внутри резонатора должен поддерживаться определенный состав газовой смеси. Поэтому не допускается выделение газа из металлических деталей внутри резонатора. Для поглощения нежелательных газов используется газопоглотитель 7, представляющий собой полоску из палладия, внутри которой расположены титановые нити. В рассматриваемой конструкции газопоглотитель сгибается в виде скобки и устанавливается в прорезь катодной пружины, между пружиной и катодом.

Так как корпус резонатора датчика изготавливается из ситалла, материала с чрезвычайно низким коэффициентом температурного расширения (КТР), то для крепления резонатора на металлическом основании 10 с помощью прижима 9, необходимо использовать пружину 6, которая обеспечит поджатие корпуса резонатора к основанию и послужит для компенсации теплового расширения металлических частей конструкции. В рассматриваемой конструкции датчика используется тарельчатая пружина, поскольку она способна создавать большие усилия, необходимые для предотвращения отрыва резонатора от основания при действии внешних факторов, при небольших ее деформациях. Малые габариты тарельчатой пружины позволяют минимизировать высоту датчика. Для более равномерной передачи давления на резонатор используется кольцо 5. Тарельчатая пружина должна предотвращать отрыв резонатора от посадочной плоскости при всех заданных внешних механических воздействиях и должна быть выполнена из немагнитного материала. Сложность проектирования такой пружины состоит в том, что она имеет малую величину допустимой упругой деформации сжатия и при большой величине механических воздействий возникает пластическая деформация.

Расчеты параметров пружин и сравнение с экспериментом

Рассмотрим упругие элементы в одноосных датчиках ЛГ типа ЗЛК, имеющие сходные конструкции, но различные размеры. Расчет упругих элементов, используемых в этих датчиках, проведем в общем виде.

Усилие, создаваемое пружиной, зависит от двух факторов: жесткости и деформации. Жесткость определяется геометрическими размерами пружины и материалом, из которого она изготовлена, режимами тепловой обработки. Деформация, в нашем случае, зависит от габаритного размера пружины и размеров деталей, определяющих величину ее посадочного места.

Разрезная пружина. Требование к величине усилия сжатия пружины в небольшом интервале, наличие нескольких деталей (корпуса и ножки резонатора, катода с посадочным местом для пружины на его боковой поверхности, газопоглотителя, лепестка), определяющих размеры посадочного места пружины, допуск на габаритные размеры пружины определяют необходимость установки жестких допусков по квалитетам h11 и H11 на эти размеры. Кроме того следует учитывать, что ввиду конструктивной сложности деталей (корпуса резонатора, разрезной пружины, газопоглотителя) ряд размеров (радиусы галтелей в проточках корпуса и ножки резонатора, газопоглотителя) обеспечиваются технологией изготовления и не контролируются.

В рассматриваемых конструкциях датчиков ЛГ размеры минимального h_min и максимального h_max посадочного места для пружины определялись глубинами катодной полости и проточки в электродной пластине резонатора, размерами катода и величиной перекрытия катода и пружины, толщиной лепестка и соответствующими допусками на эти величины. При заданном усилии сжатия пружины Р высота пружины h_p должна составлять определенную величину и находиться в диапазоне, определяемом величинами (h_min и h_max). Это соответствует случаю, когда соприкасающиеся детали ложатся на плоские поверхности.

В действительности, поскольку диаметры соприкасающихся деталей незначительно отличаются между собой на (1-1,5) мм и в области соприкосновения имеются галтели, посадочное место пружины уменьшается на суммарный размер радиусов этих скруглений, составляющих десятые доли мм. Таких соприкосновений несколько (пружина - корпус резонатора, пружина - катод, пружина - газопоглотитель, газопоглотитель - катод, катод - ножка) высота посадочного места для пружины уменьшается на ~1мм и на эту же величину соответственно увеличивается и величина деформации пружины. При этом расчетный конструктивный запас пружины по величине деформации может быть полностью использован, и усилие постановки ножки может превысить критическую величину, обеспечивающую надежность оптического контакта. Для увеличения размера посадочного места для пружины без изменения размеров сопрягаемых деталей на пружине на соприкасающихся диаметрах с другими деталями были выполнены фаски с величинами, равными радиусам галтелей.

Другим параметром пружины, определяющим требование к величине посадочного места, является ее максимально допустимое сжатие Дh_max на линейном участке динамометрической характеристики Р(Дh). Расчетная величина для пружин датчиков типа ЗЛК-16 из сплава БрБ2 составляла 2,25мм, для пружин из сплава 36НХТЮ 2,5мм.

Малая толщина пружин (0,6мм), определяемая посадочными диаметрами элементов полости резонатора и катода, и работа пружины в области упругой деформации определяют необходимость большого числа разрезных секций. В данной работе рассмотрены пружины, имеющие 10 секций. Несмотря на задание жестких допусков на высоту элементов секций относительная погрешность величины Дh_max составляет ~10%, что приводит к уменьшению конструктивного запаса по величине деформации сжатия пружины и величиной посадочного места.

Для определения зависимостей усилия сжатия Р от величины деформации Дh (динамометрические характеристики) Р(Дh) разрезных пружин, использовался образцовый динамометр сжатия ДОС-3-0,1И и индикатор часового типа модели ИЧП-01 с ценой деления 0,01мм.

На рис. 2 приведены эти зависимости для пружин из сплавов БрБ2 и 36НХТЮ с конструктивными параметрами обеспечивающими усилие сжатия 1,4 и 0,9 кгс соответственно. Пружины из сплава БрБ2 создавали указанное усилие при деформации (1,3+0,2) мм, пружины из сплава 36НХТЮ - при (1,1+0,2) мм. Видно что динамометрические характеристики разных пружин из сплава БрБ2, выполненных по одному чертежу, отличаются на (5-10)% при одной и той же величине деформации, и величины Дh_max соответствуют расчетным.

Поскольку пружины, используемые в датчиках ЛГ, имеют сложную форму и, в процессе деформации в них возникает сложное напряженно-деформированное состояние, для расчета характеристик пружин использовалась программа конечно-элементного анализа.

Рис.2 Динамометрические характеристики пружин из сплавов БрБ2 и 36НХТЮ

Метод конечных элементов - численный метод решения дифференциальных уравнений в частных производных. Суть метода заключается в разбиении области, на которой ищется решение дифференциальных уравнений, на конечное число элементов простой формы. В каждом элементе выбирается аппроксимирующая функция, равная нулю за пределами элемента. Тогда решением задачи будут значения функций на границах элементов. Коэффициенты функций находятся из условия равенства функций на границах элементов. Таким образом, решение системы дифференциальных уравнений сводится к решению системы алгебраических уравнений.

Программы, реализующие метод конечных элементов на ЭВМ, позволяют проводить сложные инженерные расчеты. Задавая максимальный и минимальный размер посадочных мест пружин, а также размеры и допуски самих пружин определялись минимальное и максимальное усилия, создаваемые пружинами и запас прочности пружин.

Первым этапом был анализ устанавливаемых в настоящее время разрезных пружин. Проведенный расчет показал, что катодные пружины, используемые в датчиках типа ЗЛК, обладают излишней жесткостью. Для того, чтобы не создавать излишней нагрузки на ножку резонатора, геометрические размеры перемычек пружин были изменены. Подбирались такие размеры и допуски на них, чтобы максимально ослабленная пружина, установленная в самое большое посадочное место, создавала достаточное усилие для сохранения механического контакта с лепестком при заданных внешних воздействиях. При этом пружина, выполненная в номинале (максимально жесткая) не должна передавать на ножку усилие более 2 кгс.

После разработки новой катодной пружины, удовлетворяющей этому требованию, в программе конечно-элементного расчета было проведено определение собственных частот упругого элемента, то есть частот, на которых возникают резонансные явления. При возникновении резонанса с высокой добротностью возможно нарушение контакта катода с лепестком, и, соответственно, прекращение работы датчика. В диапазоне частот, на которых может происходить вибрация прибора в процессе его эксплуатации, было найдено несколько собственных частот. Форма колебаний системы на этих частотах представлена на рис.3.

Для того чтобы проверить, происходит ли потеря контакта лепестка и катода, были проведены испытания на макете резонатора датчика ЛГ. Результаты представлены ниже.

Рис.3 Формы колебаний катодной пружины на различных модах

Тарельчатые пружины. В гироскопах разных типоразмеров использовались тарельчатые пружины двух конструкций: с торцами, перпендикулярными оси симметрии пружины и с торцами, перпендикулярными боковым граням пружины. Но поскольку данные пружины изготавливались точением, второй вариант конструкции создавал сложности в производстве и измерении пружин. Поэтому была разработана пружина с торцами, перпендикулярными оси симметрии, удовлетворяющая предъявляемым к ней требованиям.

Для определения устойчивости датчиков к воздействию внешних механических факторов были проведены испытания на ударо- и вибропрочность в трех взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых совпадало с осью чувствительности. В датчике типа ЗЛК-16 использовалась разрезная пружина с деформацией сжатия (1,3+0,2) мм при усилии сжатия 1,4 кгс, а в датчике типа ЗЛК-20 использовалась пружина либо с такой же характеристикой, либо пружина с деформацией (1+0,3) мм при усилии сжатия 0,45 кгс. Критерием служило нарушение электрического контакта в цепи между катодом и лепестком в проточке электродной пластины.

Для контроля электрического контакта под пружиной в полости корпуса размещался лепесток, такой же, как и на катоде. Между электродами со стороны катода и пружины подключалось регистрирующее устройство. При испытаниях на удароустойчивость подключалось регистрирующее устройство со светодиодной индикацией. При испытаниях на виброустойчивость в качестве регистрирующего устройства использовался запоминающий осциллограф. В первом случае при нарушении электрического контакта катод - лепесток загорался светодиод, во втором случае регистрировалась осциллограмма состояния электрического контакта при сканировании частоты синусоидальной вибрации в диапазоне (20-2000) Гц, частота вибрации f определялась по формуле:

,

где f_нач - начальная частота, Гц; t - время, с; п - скорость изменения частоты, октава/мин.

Для проведения испытаний датчики закреплялись на внутренней грани испытательного куба, который устанавливается либо на платформе ударного стенда, либо вибростенда. При испытании на виброустойчивость проводился контроль амплитуд ускорения платформы, испытательного куба, прижима и резонатора датчика с помощью тензодатчиков, установленных на них. Выявлено наличие собственных колебаний платформы, посадочного места испытательного куба, посадочного места датчика на кубе, при этом амплитуда ускорения вибрационных колебаний возрастала в несколько раз относительно заданной. Области вибрационных нагрузок с собственными частотами платформы и испытательного куба были исключены из рассмотрения диапазона виброустойчивости датчиков.

В результате испытаний на удароустойчивость было установлено, что в диапазоне амплитуд ускорений (10-80) g с длительностью (0,5-20) мс и 100 g с длительностью (1-5) мс все датчики устойчивы к ударам. Датчик ЗЛК-20Э устойчив к ударам с амплитудой ускорения не более 30 g.

При испытаниях на вибрацию устойчивость в диапазоне (20-2000) Гц с амплитудой ускорения (5-10) g и скоростью изменения частоты

(2,5-3) октава/мин электрический контакт сохраняется во всех датчиках. При скорости изменения частоты, равной 1 октава/мин в том же диапазоне частот и амплитуд ускорения, электрический контакт сохранялся в датчиках ЗЛК-16 и ЗЛК-20 и нарушался в датчике ЗЛК-20Э в диапазоне (600 - 2000) Гц при амплитуде ускорения более 4 g. Для получения данных по величине конструктивного запаса требуется доработка испытательного куба в части изменения конструкции посадочного места датчика с целью исключения появления резонансных частот в области (800-2000) Гц.

Заключение

На основании изложенного можно сделать следующие выводы:

- при расчете и конструировании упругих элементов для датчиков со вставным холодным катодом следует учитывать не только размеры деталей, определяющих величину посадочного места пружин, но и размер закруглений в местах соприкосновения деталей;

- датчики типа ЗЛК-16 и ЗЛК-20 ударо- и виброустойчивы в заданном диапазоне;

- выявлены различные типы колебаний разрезных пружин, что позволяет усовершенствовать конструкцию пружин.

Полученные результаты позволяют усовершенствовать конструкцию упругих элементов датчиков ЛГ и предотвратить нарушение их работы и выход из строя в условиях воздействия вибрационных и ударных нагрузок.

Список литературы

1. Азарова В.В., Голяев Ю.Д., Дмитриев В.Г. Кольцевые газовые лазеры с магнитооптическим управлением в лазерной гироскопии.// «Квантовая электроника», 2000 г., №2.

2. Бате К.Ю.; пер. с англ. Шидровского В.П.; под ред. Турчака Л.И. Методы конечных элементов // Москва: Физматлит, 2010 г. - 1022с.

3. Ануфриев В.И.; под ред. Жестковой И.Н. Справочник конструктора машиностроителя - Изд. 9-е, перераб.и доп. // Москва: Машиностроение, 2006 г.

Размещено на Allbest.ru