К вопросу оценки коэффициентов демпфирования стенда контроля осевой нагрузки СКОН

УДК 621.8:534.17

К вопросу оценки коэффициентов демпфирования стенда контроля осевой нагрузки СКОН

To the problem of estimating the damping coefficients of the SKON axial load control bench

При выводе космического аппарата (КА) на расчётные орбиты все его устройства КА испытывают существенные вибрационные воздействия, поэтому вибрационные испытания обязательны для всех устройств КА.

Определение собственных частот гироскопических приборов навигации и стабилизации является одним из обязательных требований к этим устройствам.

Стенд контроля осевой нагрузки СКОН [1, 2] предназначен для контроля осевой нагрузки шарикоподшипниковых опор роторов силовых гироскопов и двигателей-маховиков методом определения собственной частоты колебаний ротора.

При этом определить собственную частоту колебаний ротора гироприбора в составе оборудования иногда затруднительно, поскольку сам стенд СКОН является многомассовой колебательной системой и при проведении вибрационных испытаний возникает спектр частот, относящихся как непосредственно к исследуемому гироприбору, так и к конструкции оборудования.

Объектом исследования статьи является стенд контроля осевой нагрузки СКОН с установленным двигателем-маховиком ДМ-001-01 (рис. 1).

Рис. 1. Стенд контроля осевой нагрузки СКОН с двигателем-маховиком ДМ-001-01

Рассматриваемый стенд СКОН при возбуждении его колебательной силой в осевом направлении представляется в виде трехмассовой колебательной системы (рис. 2) [3–5] и может быть описан системой дифференциальных уравнений.

Рис. 2. Расчетная схема механической колебательной системы с тремя степенями свободы: m₁, m₂, m₃, – массы камеры установки, подвеса и ротора двигателя-маховика; k_i, x_i, – жесткости и перемещения камеры установки, подвеса и ротора двигателя-маховика; h_i – коэффициент демпфирования камеры стенда, подвеса стенда и ротора двигателя-маховика

Расчетная схема упрощенной модели стенда СКОН с двигателем-маховиком описывается системой дифференциальных уравнений (1):

где  – координата перемещения i-ой массы; m₁, m₂, m₃ – массы вакуумной камеры стенда, подвеса стенда, масса ротора двигателя-маховика соответственно; k₁, k₂ ,k₃ – коэффициенты осевой жесткости гибких ножек стенда, упругих сильфонов на оси вибровозбудителя, осевая жесткость шарикоподшипников соответственно; h₁, h₂ , h₃ – коэффициенты демпфирования соответствующих колебательных контуров; F(t)=F₀ sin wt – амплитуда внешнего возмущения.

Для решения математической модели (1) необходимо знать значения реальных инерционных, упругих и диссипативных характеристик стенда СКОН и двигателя-маховика ДМ-001-01. Инерционные и упругие характеристики определены при проектировании и изготовлении стенда СКОН и двигателя-маховика (известны значения масс, жесткостей камеры и подвеса стенда, известна масса ротора двигателя-маховика и жесткость его подшипников). Фактические значения диссипативных характеристик – коэффициентов демпфирования камеры, подвеса стенда СКОН и ротора двигателя-маховика, могут быть получены только опытным путем.

В статье рассматриваются исследования по определению характеристик демпфирования стенда СКОН с двигателем-маховиком ДМ-001-01 методом свободных затухающих колебаний [6]. Метод относится к методам вибродиагностики – методики вычисления функции частотного отклика при импульсном воздействии силы [2], и предусматривает получение осциллограмм свободных затухающих колебаний механической системы.

По темпу убывания амплитуды колебаний определяют относительное рассеяние энергии:

где Х_i и X_i+1 – две последующие амплитуды соответственно в начале и конце i-го периода колебаний.

где δ – логарифмический декремент; x_i – амплитуды любых двух последовательных пиков; n – приведенный коэффициент демпфирования; Т – длительность одного колебательного цикла.

Определены приведенные коэффициенты демпфирования вакуумной камеры стенда, подвеса стенда и ротора двигателя-маховика.

Для каждого испытания проведено по три эксперимента при одних и тех же условиях.

Измерения характеристик свободных затухающих колебаний проводились одноосным лазерным виброметром PDV-100, предназначенным для бесконтактного измерения параметров вибрации объектов методом лазерной доплеровской виброметрии.

Проведение измерений характеристик свободных затухающих колебаний для определения демпфирования камеры стенда выполнялось в соответствии с блок-схемой, приведенной на рис. 3. Подвес с установленным двигателем-маховиком фиксировались, и оператор оказывал ударное воздействие на стенку камеры стенда СКОН. Лазерный виброметр PDV-100 измерял и регистрировал результаты колебаний на ноутбук со специальным программным обеспечением VibSoft-20. Один из полученных графиков затухающих колебаний механической системы при фиксации подвеса стенда представлен на рис. 4.

Рис. 3. Блок-схема испытаний для определения демпфирования камеры стенда

Рис. 4. График затухающих колебаний механической системы при фиксации подвеса стенда СКОН

Результаты измерений параметров затухающих колебаний и расчета приведенного коэффициента демпфирования камеры стенда СКОН приведены в табл.1.

Таблица 1. Определение демпфирования камеры (подвес зафиксирован)

Проведение измерений характеристик свободных затухающих колебаний для определения демпфирования подвеса стенда выполнялось в соответствии с блок-схемой (рис. 5). Камера фиксировалась, вибровоздействие подавалось оператором через генератор сигналов, усилитель мощности и магнитоэлектрический обратный преобразователь. Аналогично лазерный виброметр PDV-100 измерял и регистрировал результаты колебаний на ноутбук со специальным программным обеспечением VibSoft-20. Один из полученных графиков затухающих колебаний механической системы при фиксации камеры стенда СКОН представлен на рис. 6.

Рис. 5. Блок-схема испытаний для определения демпфирования подвеса стенда (при фиксации камеры стенда)

Рис. 6. График затухающих колебаний механической системы при фиксации камеры стенда

Результаты измерений параметров затухающих колебаний и расчета приведенного коэффициента демпфирования подвеса стенда СКОН приведены в табл. 2.

Таблица 2. Определение демпфирования подвеса (камера зафиксирована)

Проведение измерений характеристик свободных затухающих колебаний для определения демпфирования двигателя-маховика ДМ-001-01 выполнялось в соответствии с блок-схемой (рис. 7). На двигатель-маховик с приспособлением оператором подавалось вибровоздействие через генератор сигналов и вибростенд со встроенным усилителем мощности. Один из полученных графиков затухающих колебаний двигателя-маховика ДМ-001-01 представлен на рис. 8.

Рис. 7. Блок-схема испытаний для определения демпфирования двигателя-маховика ДМ-001-01

Рис. 8. График затухающих колебаний двигателя-маховика ДМ-001-01

Результаты измерений параметров затухающих колебаний и расчета приведенного коэффициента демпфирования двигателя-маховика ДМ-001-01 приведены в табл. 3.

Таблица 3. Определение демпфирования ДМ-001-01 (измерение колебания ротора)

Таким образом, опытным путем определены значения диссипативных характеристик элементов стенда СКОН с двигателем-маховиком ДМ-001-01, что позволит выделять из спектра частот при измерениях на стенде СКОН собственные частоты стенда и собственную частоту исследуемого двигателя-маховика. Результаты математического моделирования системы дифференциальных уравнений (1) с полученными коэффициентами демпфирования будут представлены в следующих работах.

Библиографический список

1. Патент на изобретение № 2608719 РФ, МПК G01M 13/00 (2006.01) Стенд контроля осевой нагрузки узла шарикоподшипниковых опор роторов силовых гироскопов и двигателей-маховиков / Камалдинов А.М., Хруцкая М.В., Сурженко М.С. и др. (Россия); заявитель и патентообладатель ФГУП «НПО «Техномаш» № 2015 141 581; от 01.10.2015; опубл. 23.01.2017. Бюл № 3.
2. Технология контроля предварительной осевой нагрузки шарикоподшипниковых опор роторов гироприборов систем ориентации и навигации изделий РКТ / Хруцкая М.В., Камалдинов А.М. // Вестник «НПО «Техномаш». – Москва. – 2020. № 3. – С.40–47.
3. К вопросу увеличения ресурса силовых гироскопов и двигателей-маховиков / Хруцкая М.В., Камалдинов А.М. // Вестник СГАУ. – Самара. – 2014. №4 (42). – С. 270–278.
4. Колебания в инженерном деле / Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. – М.: Машиностроение, 1985. – 472 с.
5. Вибродиагностика в прецизионном приборостроении / Кораблев С.С., Шапин В.И., Филатов Ю.Е.; под ред. К.М. Рагульскиса. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. – 84 С.
6. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Ред. совет: Челомей В.Н. (пред.). – М.: Машиностроение, 1981. – Т.6. Защита от вибраций и ударов / Под ред. К.В. Фролова. 1981. 456 с.

Хруцкая Мария Владимировна – начальник отдела технологии производства приборов точной механики ФГУП «НПО «Техномаш» им. С.А. Афанасьева. Тел.: 8 (926) 520-46-90. E-mail: maria.khrutskaya@gmail.com  / Khrutskaya Maria Vladimirovna - Department Head for manufacturing technology of precision mechanics instruments of FSUE «NPO «Technomac» named after S.A. Afanasyev. Tel.: 8 (926) 520-46-90. E-mail: maria.khrutskaya@gmail.com

Камалдинов Альберт Мубаракович – канд. техн. наук, начальник отделения технологии производства гироскопов и приборов точной механики ФГУП «НПО «Техномаш». Teл.: +7 (495) 689-95-67. E-mail: 260@tmnpo.ru / Kamaldinov Albert Mubarakovich - Ph.D. in Engineering sciences, Head of the Gyroscope Manufacturing Technology and Precision Mechanics Instruments Division of FSUE «NPO «Technomac» named after S.A. Afanasyev. Tel.: +7 (495) 689-95-67. E-mail: 260@tmnpo.ru