Методика повышения точности моделирования двигателя-маховика Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Решетнеескцие чтения. 2015

УДК 629.7.054.847

МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА

А. А. Васильцов

АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Кирова, 56в. E-mail: [email protected]

Предлагается способ уточнения результатов модального анализа электродвигателя-маховика путем введения дополнительных условий (дисбаланса, зазоров в шарикоподшипниках) и учета допусков при изготовлении.

Ключевые слова: двигатель-маховик, вибрация, дисбаланс, космический аппарат.

METHOD TO INCREASE EXACTNESS OF MODELLING THE ENGINE-FLYWHEEL

A. A. Vasiltsov

8С "Scientific&Industrial СеШте "Polyus" 56v, Kirov Av., Tomsk, 634041, Russian Federation. E-mail: [email protected]

This article suggests the technique to specify the engine-flywheel modal analysis by introducing additional conditions such as: disbalance, backlashes in ball-bearings and the account of admissions in manufacturing.

Keywords: the engine-flywheel, vibration, disbalance, a spacecraft.

Вследствие постоянного ужесточения требований, предъявляемых к комплексу эксплуатационных характеристик исполнительных органов систем ориентации космических аппаратов, одновременно предъявляются противоречивые требования к исполнительному органу на базе управляемого по скорости двигателя маховика (см. рисунок): с одной стороны, его масса должна быть минимальной, а с другой - конструкция должна обладать высокими жесткостными и прочностными характеристиками [1].

1 2

Электродвигатель-маховик: 1 - подшипниковая опора; 2 - ротор-маховик; 3 - корпус; 4 - электродвигатель

Борьба за лишние граммы за счет уменьшения сечения силовых элементов, добавления дополнительных облегчающих отверстий сказывается на жесткости конструкции, а следовательно, на значении собственной частоты и, соответственно, критической скорости прибора, сдвигая её в рабочий диапазон. Поэтому на стадии проектирования возникает задача определения этих параметров с целью обеспечения их в требуемых пределах при минимальных массогаба-ритных характеристиках двигателя-маховика [2-4].

Существующие программные продукты (МА8ТЯАМ, АШУ8, Т-ББХ Анализ, SolidWorks,

КАТуа) для механического анализа конструкций приборов различного типа, использующие метод конечных элементов, позволяют проводить расчет реальной конфигурации деталей и узлов конструкций с очень высокой точностью. Но на практике при расчете двигателя-маховика расхождение расчетных и экспериментальных результатов может достигать десятков процентов. В частности, значение собственной частоты двигателя-маховика экспериментально ниже расчетного.

Предлагается повысить точность результатов моделирования двигателя-маховика методом конечного элементного анализа в системе трехмерного моделирования SolidWorks, при этом следует учитывать ряд дополнительных условий: дисбаланс, зазоры в шарикоподшипниках, разброс допусков при изготовлении деталей, а также особенности конструкции самой шарикоподшипниковой опоры [5].

Влияние этих параметров показано на примере расчета 3Б-модели маховика с закреплением на подшипниках. Проведен модальный анализ идеализированной модели и усовершенствованной с учетом дисбаланса, наихудшего сочетания допусков, уточненной модели подшипника.

Расчет показал (см. таблицу), что усовершенствованная модель обладает меньшей первой резонансной частотой, что соответствует возможному худшему варианту вибрационных характеристик реального маховика, закрепленного на подшипниках.

Проведение конечно-элементного анализа с предложенными дополнениями позволяет более точно приблизиться к наихудшему значению резонансных частот модели ДМ и, проведя на её основе механический анализ при синусоидальной, случайной и ударной нагрузках, определить критические значения запаса прочности.

Малые космические аппараты: производство, эксплуатация и управление

Результаты модального анализа

Модель Частота, Гц, по модам

1 2 3 4

Идеализированная 96,83 96,857 164,89 411,66

С учетом дисбаланса 92,58 93,012 165,54 413,35

С учетом зазоров в шарикоподшипниках 93,84 92,85 164,94 412,68

С учетом допусков конструкции 91,45 90,37 168,45 418,27

С учетом всех параметров 84,38 87,74 170,21 425,55

Такой подход позволяет выявить самые слабые места конструкции и доработать ее еще на этапе разработки.

Тем самым гарантируется, что прибор выдержит все механические нагрузки при эксплуатации.

Библиографические ссылки

1. Гладышев Г. Н., Дмитриев В. С., Копытов В. И. Системы управления космическими аппаратами (Исполнительные органы: назначение, принцип действия, схемы, конструкция) : учеб. пособие. Томск : Изд-во ТПУ, 2000. 207 с.

2. Влияние жесткости силовых элементов конструкции на величину критической скорости исполнительного органа на базе управляемого по скорости двигателя-маховика (УДМ) / Ю. А. Бритова [и др.] // Контроль. Диагностика. 2012. № 11. С. 24-27.

3. Журавлев В. Ф., Бальмонт В. Б. Механика шарикоподшипников гироскопов / под ред. Д. М. Климова. М. : Машиностроение, 1985. 272 с.

4. Приборные шариковые подшипники : справочник под ред. К. Н. Явленского и др. М. : Машиностроение, 1981. 351 с.

5. Васильцов А. А., Костарев И. С. Повышение точности результатов моделирования электродвигателя-маховика методом конечно-элементного анализа // Электронные и электромеханические системы и устройства : тез. докл. XIX науч.-техн. конф. (Томск, 16-17 апр. 2010 г.) / АО «НПЦ «Полюс». Томск, 2015. С. 194-197.

References

1. Gladyshev G. N., Dmitriev V. S., Kopytov V. I. Sistemy upravlenija kosmicheskimi apparatami (Ispolnitel'nye organy: naznachenie, princip dejstvija, shemy, konstrukcija) [Control systems of spacecrafts (Executive powers: appointment, a principle of operation, the schemes, a construction)] : Uchebnoe posobie. Tomsk: Izd. TPU. 2000. 207 p.

2. Britova Ju. A., etc. Vlijanie zhestkosti silovyh elementov konstrukcii na velichinu kriticheskoj skorosti ispolnitel'nogo organa na baze upravljaemogo po skorosti dvigatelja-mahovika (UDM) [Influence rigidity of power elements of construction on size of critical speed of an executive powers on the base of the engine-flywheel operated on speed]. Kontrol'. Diagnostika. 2012.

3. Zhuravlev V. F., Bal'mont V. B. Mehanika sharikopodshipnikov giroskopov [Mechanics of ballbearings of gyroscopes]. Pod red. Klimova D. M. M. : Mashinostroenie, 1985. 272 p.

4. Pribornye sharikovye podshipniki [Instrument ball bearings]. Spravochnik pod red. Javlenskogo K. N. i dr. Moskow, Mashinostroenie, 1981, 351 p.

5. Vasiltsov A. A., Kostarev I. C. Povishenie tochnosti rezultatov modelirovania dvigatelej-machovikov metodom konechno-elementnogo analiza. [Increase of accuracy of results of modelling of the electric motor-flywheel by a method of the is final-element analysis] Electronnie i electromechanicheskie sistemy I ustroystva. Tez. dokl. XIX nauch.-technich. Konf (Tomsk, 16-17 apr. 2015). JSC "NPC "Polus". Tomsk, 2015, p. 194-197.

© Bacnm^B A. A., 2015

УДК 531.383

ДВИГАТЕЛЬ-МАХОВИК ДЛЯ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Д. В. Ермаков, А. А. Денисова, Н. А. Колеватова, Ю. Г. Гладышев, В. П. Лянзбург

АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Кирова, 56в. E-mail: [email protected]

В НПЦ «Полюс» разработан малоразмерный двигатель-маховик, пригодный для применения в составе малых космических аппаратов. На этапе предварительной проработки конструкции выполнены поверочные расчеты коэффициента запаса по нагрузкам при механических испытаниях и по изгибной прочности оси при механических испытаниях путем выявления критических сечений.

Ключевые слова: двигатель-маховик, подшипниковые опоры, механические испытания, остаточная неуравновешенность, дисбаланс, балансировка, динамическая нагрузка.