CC BY
10
УДК 681.515+62-83
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ ИНЕРЦИИ НА РАБОТУ СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩИХ СИСТЕМ
© 2013 г. Г.Я. Пятибратов, А.М. Киво, О.А. Кравченко, С.В. Папирняк
Пятибратов Георгий Яковлевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электропривод и автоматика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 55-2-10.
Киво Александр Михайлович - ассистент, кафедра «Электропривод и автоматика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 55-2-10.
Кравченко Олег Александрович - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Электропривод и автоматика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 55-2-10.
Pyatibratov Georgiy Yakovlevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Electric Drive and Automatic Equipment», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 55-2-10.
Kivo Aleksandr Mihaylovich - assistant, department «Electric Drive and Automatic Equipment», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 55-2-10.
Kravchenko Oleg Aleksandrovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, head of department «Electric Drive and Automatic Equipment», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 55-2-10.
Папирняк Станислав Валерьевич - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 55-6-29.
Papirnyak Stanislav Valeryevich - аспирант, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 55-6-29.
Выполнены исследования влияния центробежных сил инерции на работу тренажёров для подготовки космонавтов при выполнении ими операций шлюзования, задач внекарабельной деятельности и работ на планетах с пониженной гравитацией. Определены основные факторы, влияющие на максимальные значения центробежных сил инерции, действующих на тележку системы горизонтальных перемещений, выполненной с разделением сложного движения в полярной системе координат.
Ключевые слова: космонавт; тренажёр; полярная система координат; центробежная сила инерции.
The studies of the influence of the centrifugal forces of inertia on the simulators' work for training of astronauts by their accomplishment of sluicing operations, the problems of outside spaceship activity and works on planets with reduced gravitation. The main factors are determined which influence on the peak value of centrifugal force of inertia acting on the trolley system of horizontal movements ofperformed with the division of the complex motion in the polar coordinate system.
Keywords: astronaut; simulator; polar coordinate system; the centrifugal force of inertia.
В различных отраслях техники в последние время стали применять силокомпенсирующие системы (СКС), которые осуществляют управление усилиями механизмов. В процессе функционирования СКС параметры движения исполнительных устройств определяются прикладываемыми к обезвешиваемым объектам внешними силовыми воздействиями. Для этого СКС должны с высокой точностью компенсировать силу тяжести обез-вешиваемых объектов, силы трения в механических передачах, силы инерции движущихся с ускорением элементов приводных устройств и дополнительно присоединённых к объекту масс [1].
С использованием СКС могут создаваться: сбалансированные манипуляторы, применяемые для автоматизации ручного труда при перемещении грузов значительной массы [2]; специальные стенды, предназначенные для отработки в земных условиях изделий космической техники [3]; медицинские тренажёры, используемые для ускорения реабилитации пациентов и восстановления нарушенных функций
опорно-двигательного аппарата при ходьбе [4]; тренажёры для подготовки космонавтов к деятельности в условиях невесомости или пониженной гравитации
[5].
При этом наиболее сложные задачи приходится решать при реализации многокоординатных СКС тренажёров, на которых осуществляется имитация движений космонавтов при выполнении работ на космических станциях или на других планетах.
При выполнении космонавтами перемещений в рабочем пространстве тренажёра их движения необходимо разделять на составляющие, наиболее энергозатратными из которых являются движения в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Системы вертикальных перемещений (СВП) космонавтов реализуются в виде канатных передач, шкивов, противовесов или электроприводов. Системы горизонтальных перемещений (СГП) космонавтов рассматриваемых тренажёров выполняют с применением мостов и тележек. При этом мост может повора-
чиваться вокруг центральной оси или перемещаться поступательно. При совместной работе СВП и СГП тренажёров обеспечивают имитацию перемещений космонавта в безопорном пространстве в условиях, максимально приближенных к невесомости.
В настоящее время при реализации СГП тренажёров и стендов наиболее часто применяют разделение движений объектов обезвешивания в полярной системе координат. С поворачивающимися мостами выполнены СГП тренажёра «Выход-2» в ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина» (Звёздный городок, Московская обл.) и стенда «Селен» в РКК «Энергия» (г. Королёв, Московская обл.) [3]. Достоинством СГП, реализованных в полярной системе координат, является простота подвода шлангов, силовых и информационных кабелей на вращающийся мост; более простая компоновка приводных электродвигателей СВП, позволяющая уменьшить вес мостов и тележек [3]. Однако при возрастании требуемой скорости перемещения космонавтов увеличиваются действующие на них центробежные силы инерции.
В зависимости от решаемых задач и требований, предъявляемых к тренажёрам, параметры движения космонавтов могут быть реализованы с применением пассивных или активных способов обезвешивания. При реализации пассивных способов СГП выполняют с применением пневмоопор на воздушной подушке, как на тренажёре «Выход 2», или колесных приводов тележек и мостов, как на тренажёре «Дон-ЕЛ4» [1]. Важным преимуществом тренажёров, реализованных с применением пассивного способа обезвешивания, является простота их конструкции и обслуживания, а основной недостаток - значительные силы трения.
При применении активных способов обезвешива-ния СГП реализуются с использованием электроприводов и систем управления усилиями, способными обеспечить компенсацию с требуемой точностью силы, препятствующих движению космонавта в рабочем пространстве тренажёра. Активными выполнены СГП стенда «Селен» и комплекса «Сармат», имитирующего деятельность космонавта в космосе [1]. При использовании активных СКС тренажёров удаётся получить более высокое качество имитации перемещений космонавтов в невесомости.
Эксплуатируемые в настоящее время тренажёры с СКС предназначены для отработки циклограммы шлюзования при подготовке космонавтов к выходу в открытый космос. Максимальные скорости перемещения космонавтов при выполнении этих работ составляют 0,2 м/с при ускорениях 0,2 м/с2.
Опыт эксплуатации показал возможность применения тренажёров с СКС для отработки космонавтами некоторых задач внекорабельной деятельности (ВКД). Предельные значения скоростей в этом случае могут достигать 0,6 м/с, а ускорения до 0,75 м/с2.
Развитие пилотируемой космонавтики предполагает освоение Луны и Марса, что потребует совершенствования тренажёрной базы для подготовки космонавтов. Решение перспективных задач освоения космического пространства связано с дальнейшим разви-
тием специализации подготовки космонавтов и повышения их квалификации.
При осуществлении лунной и марсианской программ большое значение будет иметь качество подготовки космонавтов к деятельности в условиях пониженной гравитации этих планет. Анализ деятельности космонавтов в условиях гравитационных сил этих планет позволил определить максимальные скорости их перемещений в горизонтальной плоскости до 2,1 м/с и возможные максимальные ускорения до 7,4 м/с2 [4].
В связи с наметившейся тенденцией к увеличению скоростей перемещения космонавтов необходимо исследовать влияние центробежных сил на работу СГП, реализованных с помощью вращающихся относительно центральной оси мостов и перемещающихся по ним тележек (рис. 1).
Рис. 1. Характеристики движения в полярной системе координат: а - угол поворота моста относительно оси; гт - радиус вращения тележки
Для этого необходимо определить максимальные значения центробежных сил и оценить их влияние на работу тренажёрных комплексов при имитации перемещений космонавтов в невесомости или в условиях пониженной гравитации.
В общем случае движение космонавта в рабочем пространстве тренажёра зависит от прикладываемых им усилий Fв. При этом вектор скорости космонавта У0 может изменяться по величине и по направлению. В полярной системе координат скорость космонавта У0 в каждый момент времени может быть разложена на составляющие - скорость перемещения тележки ¥т = и угловую скорость поворота моста =
= (^ша)/гт, как это показано на рис. 1.
Центробежная сила инерции Fц равна дополнительному ускорению ап, умноженному на массу тела т0, на которое оно действует, и может быть определена по выражению Fц = т0Ом2гт.
Центробежная сила инерции всегда направлена вдоль моста от оси его вращения, поэтому в зависимости от направления движения тележки по мосту она будет либо препятствовать перемещению тележки при её движении к оси вращения моста, либо сообщать ей дополнительное ускорение при её движении в противоположном направлении.
Исследование влияния центробежных сил инерции на качество имитации движения космонавта выполним на примере тренажёра «Выход-2». В настоящее время на тренажёре «Выход-2», общий вид которого показан на рис. 2, два космонавта в скафандрах «Орлан-МТ» могут отрабатывать операции выхода в открытый космос и некоторые задачи ВКД.
Рис. 2. Внешний вид тренажера «Выход-2»
Для тренажёра «Выход-2» максимальный и минимальный радиусы, определяющие его рабочее пространство при горизонтальных перемещениях космонавтов, равны R = 8 м и rmin = 2 м, масса космонавта в скафандре mK = 200 кг, а масса тележки тт = 25 кг, максимальная скорость перемещения космонавта V0 = = 0,2 м/с, а ускорение а0 = 0,2 м/с . При нахождении космонавта в нижнем положении наибольшая длина его подвеса на канате передачи СВП составляет LIl = = 4,35 м. В соответствии с требованиями силы, препятствующие движению космонавта в рабочем пространстве тренажёра, не должны превышать Fд0п < 40 Н [3].
Исследование влияния центробежных сил инерции на работу СГП выполним при движении космонавта по окружности или поступательно вдоль хорды наибольшей длины.
При приложении космонавтом усилий F„, направленных перпендикулярно мосту, он и тележка будут перемещаться по окружности. В этом случае движение космонавта и тележки в радиальном направлении может происходить только под действием центробежных сил инерции.
Наибольшее значение центробежная сила инерции F; max будет иметь при движении космонавта по окружности минимального радиуса rmin:
F; max mоVо /rmin. (!)
Если сила трения покоя тележки F^n не превышает значение центробежной силы инерции, приложенной к космонавту Fm и тележке F;x, то движение тележки отсутствует, а на космонавта будет действовать центробежная сила инерции
F;K = mкVo2/(rmm+х), (2)
где х = Ljtg9 - отклонение космонавта от вертикали при его нахождении на подвесе длиной L^ Усилия, действующие в этом случае на космонавта и тележку, показаны на рис. 3.
космонавта от вертикали
При отклонении космонавта от вертикали сила Fцк уравновешивается горизонтальной составляющей усилия натяжения каната механизма СВП Fуг = Fуsinф. Вертикальная составляющая натяжения каната Fув = = Fуcosф равна весу космонавта Pк = mкg, где g = = 9,81м/с - ускорение свободного падения тел на Земле. При выполнении условия Fцк = Fуг значение угла отклонения каната составит
ф = аг^(((г2Шп+4 Го2 4П)/(44П g))1/2- (г^ВД). (3)
Исследования показали, что выражение (3) можно упростить, и в инженерных расчётах с ошибкой не более 5 % в сторону увеличения определять угол ф по формуле фу = агс^( Го2/(гШп?)).
При скорости У0 = 0,2 м/с наибольшее значение центробежная сила, приложенная к тележке, составит Fцт = ттГ02/гт1П = 25-0,22/2 = 0,5 Н. Значение центробежной силы инерции, приложенной к космонавту, вычисленное по выражению (2), будет равно Fцк = 3,98 Н.
Определённое экспериментально на тренажёре «Выход-2» реальное значение силы трения покоя тележки равно Fтр.п = 27 Н. Поэтому при скорости У0 = = 0,2 м/с движение тележки при действии центробежной силы инерции происходить не будет, а космонавт, находясь в нижнем положении, сместится от вертикали на х = 0,087 м.
Выполненные расчёты показали возможность реализации СГП тренажера «Выход-2» при скорости У0 = 0,2 м/с с применением опор на воздушной подушке и разделением движений космонавта на составляющие в полярной системе координат.
При движении космонавта по окружности радиуса гт1П со скоростью Г0 = 0,6 м/с ускорение ап = Ом2г = = Г02/гт1П = 0,62/2 = 0,18 м/с2. При этом на космонавта и тележку в соответствии с выражением (1) будет действовать центробежная сила инерции Fц тах = 41,4 Н, превышающая силу трения покоя тележки. В этом случае тележка начнет перемещаться по мосту от центральной оси вращения под действием усилия
тах - Fтр. д), где Fтр. д - сила трения при движении тележки со скоростью Гт. При этом на космонавта в соответствии с выражением (3) будет действовать усилие Fцк тах = 34,6 Н, которое отклонит его от вертикали на угол ф = 10,5 о.
При выполнении космонавтом задач ВКД на тренажёре «Выход-2» и движении со скоростью 0,6 м/с центростремительное ускорение становится соизмеримым с предельно допустимым ускорением космонавтов при движении в невесомости, а центробежная сила инерции составит 23 % от максимального значения усилий Fe = 150 Н, которые может прилагать космонавт для перемещения. Центробежные силы инерции могут существенно ухудшить качество имитации движений космонавтов в невесомости при выполнении работ ВКД. Поэтому в настоящее время тренажёр «Выход-2» можно применять только для отработки ограниченного круга задач ВКД. Для повышения качества обучения космонавтов выполнению задач ВКД на тренажерах с СГП, реализованных в полярной системе координат, необходимо осуществлять компенсацию центробежных сил инерции.
При движении космонавта по окружности минимального радиуса rmin со скоростью V0 = 2,1 м/с составляющая нормального ускорения будет равна ап = 2,2 м/с2. К космонавту в соответствии с выражением (2) будет приложена центробежная сила инерции Fu max = 437 Н, которая будет существенно влиять на его движение. Для компенсации усилия Fn max, которое в десятки раз превышает значение силы трения, потребуется существенно увеличивать мощность электропривода тележки. Поэтому при создании тренажёров для подготовки космонавтов к деятельности на других планетах применять СГП с разделением движений в полярной системе координат нецелесообразно.
Рассмотрим влияние центробежных сил на работу СГП при поступательном перемещении космонавтов по прямолинейной траектории из положения L0 в положение LH вдоль хорды наибольшей длины Lx max = = 2(R2 - rmin2)12. Схема такого перемещения космонавта приведена на рис. 1.
При поступательном перемещении космонавта с помощью СГП, реализованной в полярной системе координат, скорость космонавта V0 может быть разложена на скорость тележки V = V0cosa и вращательную составляющую скорости моста = VJr-I = = (Vosina)/^. При повороте моста на тележку будет действовать центробежная сила инерции, которая будет определяться его угловой скоростью.
Движение тележки в этом случае будет зависеть от силы трения F^ = f^m^m^g и центробежной силы инерции тележки F^ = тт( Vosina]2/^.
Анализ показал, что наибольшее значение центробежная сила инерции будет в случае, когда траектория движения космонавта будет касаться окружности радиуса rmln, ограничивающей в рабочем пространстве тренажёра запретную зону около оси вращения моста.
В этом случае a = 90о , Ут = 0, = V,/rmm, и максимальное значение центробежная сила инерции, приложенная к тележке, будет иметь значение Fn max = = 0,5 Н.
Полученное значение усилия Fn max составляет 1,2 % от допустимой силы, препятствующей движению космонавта на тренажёре «Выход-2». При гт = rmin
наибольшее значение центростремительное ускорение тележки ап тах = = Vo2/rmin = 0,22/2 = 0,02 м/с2
составит 10 % от максимально допустимого ускорения при перемещении космонавта в рабочем поле тренажёра при выполнении операций шлюзования.
Выполненный анализ показал, что при наибольшей скорости движения космонавта V0 = 0,2 м/с центробежные силы инерции не будут оказывать существенного влияния на работу тренажёра «Выход-2». Поэтому при проектировании СГП было принято правильное техническое решение по применению более дешёвых в реализации пассивных способов уменьшения сил трения в механизме перемещения тележки СГП с применением опор на воздушной плёнке [3].
Рассмотрим возможность использования СГП, реализованных с применением полярной системы координат для обучения космонавтов ВКД на тренажёре «Выход-2». В этом случае при движении космонавта со скоростью до 0,6 м/с по хорде наибольшей длины Lx max = 15,5 м значение центростремительного ускорения космонавта возрастёт до 0,18 м/с2, а максимальное значение центробежной силы инерции, приложенной к тележке, будет иметь значение Fu max = = 4,5 Н, что не превысит допустимые значения силы сопротивления движению. Однако при размещении двигателей электроприводов вертикальных и горизонтальных перемещений космонавтов на тележке её масса может возрасти до 100 кг. В этом случае Fn max = = 18 Н, что составит 45 % от допустимого значения силы, препятствующей движению космонавта.
При движении космонавта по хорде от периферии к центру угол a будет изменяться в пределах от a = arcsin(rmin/R) при гт = R до a = 90° при гт = rmin. При этом составляющая угловой скорости моста = (Vosina)/^ = (V0sin2a)/rmin будет увеличиваться до значения max = (V0sin2a)/rmin, а скорость тележки V = V0cosa при гт = rmin уменьшаться до нуля.
Анализ показал, что влияние центробежной силы инерции на движение тележки будет увеличиваться по мере возрастания угла a. Причём центробежная сила инерции при движении тележки к оси вращения моста будет совпадать по направлению с силой трения, а при движении тележки от оси вращения эти силы будут направлены встречно и частично могут компенсировать друг друга. Это будет вносить дополнительную нестабильность в работу СГП.
Рассмотрим возможность применения СГП, реализованных с использованием полярной системы координат, для обучения космонавтов деятельности в условиях пониженной гравитации других планет. В этом случае максимальные скорости перемещения космонавта могут возрасти до 2,1 м/с [6]. При этом значение центростремительного ускорения космонавта достигнет 2,2 м/с2, что составит 30 % от допустимого максимального значения ускорения 7,4 м/с2 [6]. В этом случае при обучении космонавтов на тренажёре «Выход-2» максимальное значение центробежной силы, приложенной к тележке, будет иметь значение Fu max = 167,5 Н, что во много раз превышает допусти-
мые значения сил сопротивления движению космонавта в рабочем пространстве тренажёра. Поэтому при создании СГП перспективных тренажёров, предназначенных для обучения космонавтов действиям в условиях других планет, не рекомендуется применять полярную систему координат для разделения их движений.
Исследования показали, что при перемещении космонавта в рабочем пространстве тренажера с разделением его движения в полярной системе координат составляющие силовых воздействий изменяются по сложным законам. В общем случае для определения их результирующего влияния на движения космонавта и тележки необходимо в общем случае учитывать изменения внешних прикладываемых усилий, различных сил трения, сил инерции от нормальных, тангенциальных и кориолисовых составляющих ускорений.
Выполненные исследования влияния центробежных сил инерции на работу СГП тренажерных комплексов, предназначенных для подготовки космонавтов к деятельности в условиях невесомости и пониженной гравитации, позволяют сделать следующие выводы.
1. Для отработки космонавтами на тренажёрах операций шлюзования реализацию системы горизонтальных перемещений целесообразно выполнять с использованием полярной системы координат, применяя пассивные способы уменьшения влияния сил трения, реализованные с применением опор на воздушной плёнке.
2. При создании тренажёров для отработки космонавтами задач внекорабельной деятельности СГП можно выполнять с использованием полярной системы координат, но при этом ц осуществлять компенсацию центробежных сил инерции с помощью электропривода тележки.
3. При создании перспективных тренажёров для обучения космонавтов деятельности в условиях пони-
Поступила в редакцию
женной гравитации других планет не рекомендуется применять СГП, реализованные в полярной системе координат.
Исследования выполнены при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.В37.21.1826.
Литература
1. Кравченко О.А., Пятибратов Г.Я. Создание и опыт эксплуатации силокомпенсирующих систем, обеспечивающих многофункциональную подготовку космонавтов к работе в невесомости // Изв. вузов. Электромеханика. 2008. № 2. С. 42 - 47.
2. Сухенко Н.А., Пятибратов Г.Я. Совершенствование систем управления сбалансированных манипуляторов // Изв. вузов. Электромеханика. 2010. № 5. С. 77 - 81.
3. Пятибратов Г.Я., Папирняк В.П., Полежаев В.Г., Суп-чев А.И. Состояние, проблемы и пути совершенствования систем имитации невесомости для наземной отработки изделий космической техники // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1995. № 3 - 4. С. 39 - 49.
4. Кравченко О.А., Демченко Н.А. Устройство реабилитации пациентов с нарушением опорно-двигательного аппарата. Патент RU № 106104. МКИ А6Ш 3/00; Заявл. 16.07.10; опубл.Б.И. 2011. № 19.
5. Пятибратов Г.Я., Кравченко О.А., Папирняк В.П. Способы реализации и направления совершенствования тренажёров для подготовки космонавтов к работе в невесомости / Изв. вузов. Электромеханика. 2010. № 5. С. 70 - 76.
6. Киво А.М., Кравченко О.А. Определение параметров движения и силовых характеристик электромеханических стендов с частичным обезвешиванием космонавтов / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2010. 18 с. Библиогр.: 5 назв. Рус.- Деп. в ВИНИТИ 24.01.2011, №17 В2011.
30 мая 2013 г.
