CC BY
71
УДК 621.828
А.В. Ключников
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина»
ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УНИФИЛЯРНОГО СТЕНДА ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЦИХ ДЕТАЛЕЙ И ПУТИ ИХ
РЕШЕНИЯ
Аннотация: Предложена методика оценки метрологических
характеристик унифилярного стенда, предназначенного для контроля массоцентровочных и массо-инерционных характеристик деталей роторного типа, по результатам контроля эталонных параметров массо-инерционной асимметрии, моделируемых с применением эталонного ротора и набора калиброванных контрольных грузов.
Ключевые слова: унифилярный балансировочный испытательный стенд; массо-центровочные и массо-инерционные характеристики; измерение; объект контроля; ротор; эталон.
При компоновке скоростных транспортных средств (сухопутных, морских, воздушных), силовая установка которых представляет собой сложный «длинный» осесимметричный ротор цилиндрической или конической формы, как правило, возникает необходимость точно знать массо-центровочные и -инерционные характеристики (МЦИХ) ротора т.е. его массу, положение центра масс и моменты инерции, в том числе, параметры массо-инерционной асимметрии (МИА), к которым относятся величина поперечного смещения центра масс и угол отклонения продольной главной центральной оси инерции (ГЦОИ) от оси симметрии ротора.
В силу того, что масса, положение центра масс и моменты инерции ротора подвержены технологическому разбросу в определённых пределах, расчётным путём получить искомые значения МЦИХ с требуемой точностью практически невозможно. На практике для экспериментального определения действительных значений МЦИХ применяется специальное контрольно-измерительное
оборудование, учитывающее особенности роторов (конструкцию,
эксплуатационные характеристики и т.п.). В частности, для определения координат центра масс используют центровочные стенды, реализующие, например, весовой метод. Моменты инерции (МИ) роторных деталей определяют на стендах, реализующих способы крутильных колебаний, или вычисляют по периоду колебаний физического маятника [1-5]. При этом массу деталей, как правило, определяют взвешиванием на стандартных весах требуемого диапазона и точности измерений.
Для контроля МИ, а также других МЦИХ роторов, обладающих значительными массой и габаритными размерами, на практике предпочтение отдаётся испытательным стендам, выполненным в виде платформы с
опрокинутым унифилярным подвесом, на которой устанавливается
контролируемый ротор, и реализующим метод крутильных колебаний [5-8]. Определение искомых массо-центровочных характеристик производится расчётным путём по результатам нескольких циклов измерений периодов малых крутильных колебаний механической системы, образованной платформой с размещённой на ней технологической оснасткой - различного рода манипуляторами, кантователями, позиционерами и т.п., - а затем периодов аналогичных колебаний механической системы, образованной платформой, технологической оснасткой и контролируемым ротором. Для проведения каждого цикла измерений периодов колебаний механических систем оснастка или оснастка с установленным в ней контролируемым ротором фиксируются в одном из заданных пространственно-угловых положений на измерительном столе стенда, представляющем собой верхнюю плоскость платформы. По результатам определения МЦИХ рассчитывают параметры МИА. В [8] предложен способ комплексного определения МЦИХ ротора при одной установке изделия на платформе стенда, сконструированного по схеме опрокинутого торсионного маятника (унифиляра), принцип действия которого основан на методе измерения крутильных колебаний.
Критерием оценки правильности функционирования оборудования, применяемого для определения МЦИХ сложных деталей роторного типа на различных этапах их разработки, производства и испытаний, в том числе унифилярных стендов, как правило, является соответствие его характеристик точности заданным нормативам в требуемых диапазонах измерений параметров. Поскольку задача разработки комплексного способа проверки (контроля) качества функционирования таких стендов не нашла отражения в технической литературе [1, 2] и других источниках, это делает её решение актуальным для конструкторов-разработчиков, исследователей, испытателей и технологов и требует разработки простых, надёжных и информативных способов и средств для оценки технического состояния стендов через контроль их метрологических характеристик в заданных диапазонах измерений.
Как правило, для контроля метрологических характеристик контрольноизмерительные стенды укомплектовываются эталонными роторами (образцовыми мерами МИ), представляющими собой габаритно-массовые макеты контролируемых на стенде объектов [3]. Номинальные МЦИХ эталонных роторов, известные с высокой точностью, и их базовые посадочные поверхности соответствуют аналогичным характеристикам и базовым поверхностям контролируемых объектов. В процессе контроля характеристик точности стенда - по результатам измерений периодов колебаний двух механических систем, одна из которых помимо платформы и технологической оснастки, включает также в свой состав образцовую меру МИ, - по специальной методике, аналогичной методике контроля МЦИХ роторов, определяют МЦИХ этой меры МИ, устанавливаемой на платформе в заданных пространственноугловых положениях, в том числе, рассчитывают параметры МИА, и сравнивают их с известными номинальными значениями МЦИХ и МИА образцовой меры МИ. По результатам сравнения судят о качестве функционирования стенда. При этом погрешности стенда, экспериментально
определённые таким способом с помощью меры МИ, распространяют на весь диапазон измерений контролируемого параметра. Однако, поскольку каждая образцовая мера МИ предназначается для имитации МЦИХ роторов одного конкретного типа и обладает единственным набором собственных МЦИХ, это не позволяет исследовать метрологические характеристики и достоверно (на основании экспериментальных данных) подтверждать качество
функционирования стенда в заданных диапазонах измерений МЦИХ и МИА роторов. В то же время, изготовление набора различных мер МИ для каждого типа контролируемых на стенде роторов, обладающих заданными значениями МЦИХ и базовыми посадочными поверхностями, - является сложной технической задачей, и при этом (учитывая необходимость метрологической аттестации, хранения, периодической поверки и т.д.) - весьма дорогостоящей.
Оптимальным решением представляется применение метода имитационного моделирования. Моделирование значений МЦИХ и, в частности, параметров МИА в заданных диапазонах измерений может быть выполнено с использованием имеющейся (единственной для каждого типа роторов) образцовой меры МИ, а также набора калиброванных контрольных грузов (т.е. грузов, масса которых известна с высокой точностью), прикрепляемых к ней на известных расстояниях от центра масс х1 и х2 и оси симметрии меры МИ r1 и r2. Для этого целесообразно вблизи торцов или в соответствии с рисунком 1, собственно, на торцах меры МИ изготовить места крепления грузов, угловые положения которых также известны с высокой точностью, например, резьбовые отверстия, расположенные равномерно по окружности с центром на оси симметрии меры МИ. В этом случае контрольные грузы, соответственно, следует выполнить в форме резьбовых втулок.
Рисунок 1 - Конструкция образцовой меры МИ
Следует отметить, что прикрепление контрольных грузов в различных угловых положениях к торцам образцовой меры МИ позволяет моделировать не только значения, но и направления вектора eCTM поперечного смещения центра масс в соответствии с рисунком 2, а также, соответственно, направления угла-вектора aXM перекоса (отклонения) продольной ГЦОИ относительно оси симметрии Х образцовой меры МИ в системе координат, связанной с мерой МИ.
Рисунок 2 - Смещение центра масс образцовой меры МИ
Массы контрольных грузов m1 и m2, прикрепляемых соответственно вблизи торцов или к торцам 1 и 2 образцовой меры МИ для моделирования (задания) требуемых значений контролируемых параметров рассчитывают в соответствии с законами статики по формулам
Х1М = Х1
m1 • x1 М O + m1
m • X2 .
МО + m2 ’
(1)
X2M
= L-
x
1M 5
Ум =
mi • r + m2 • r2 М О + m1 + m2
• cos jM;
(2)
(3)
m1 • r + m2 • r2
zM = 1—• SinjM;
МО + m1 + m2
ахм = 2arcsin
2(m2 • Г2 • X2M - mi • Г1 • X1M )
1
(4)
(5)
где МО - масса образцовой меры МИ;
хМ и x2M - расстояния от центра масс образцовой меры МИ до плоскостей установки контрольных грузов m1 и m2 после прикрепления к ней одного или обоих контрольных грузов одновременно;
L - расстояние между плоскостями установки контрольных грузов;
1аО и 1эО - значения соответственно аксиального и экваториального моментов инерции образцовой меры моментов инерции;
уМ - координата по оси Y центра масс образцовой меры МИ, смещённого в результате прикрепления к ней контрольного груза (грузов);
zM - координата по оси Z центра масс образцовой меры МИ, смещённого в результате прикрепления к ней контрольного груза (грузов) при моделировании массо-центровочных характеристик;
jM - угол между осью ОУ и вектором поперечного смещения центра масс образцовой меры МИ eCTM, смоделированного прикреплением к ней контрольных грузов (груза).
В процессе контроля, помимо номинальных значений параметров МИА, также измеряют значения параметров МИА в 3-5 точках, равномерно расположенных по каждому контролируемому диапазону измерений,
смоделированные путём прикрепления контрольных грузов к образцовой мере МИ. В каждой точке выполняют до пяти измерений, что вполне достаточно для обеспечения уверенности в повторяемости результатов измерений в пределах допуска на контролируемый параметр асимметрии. По результатам сравнения измеренных значений с соответствующими номинальными и смоделированными значениями (на предмет соответствия заданным нормативам точности) судят о качестве функционирования стенда в контролируемых диапазонах измерений параметров.
Предложенный способ информативен и надёжен, позволяет объективно оценивать метрологические характеристики стенда, предназначенного для определения МЦИХ деталей роторного типа в заданных диапазонах измерений, т.е. качество его функционирования в этих диапазонах измерений.
Предложенный способ экспериментально опробован на унифилярном стенде, предназначенном для контроля МЦИХ роторов методом крутильного маятника, измерительный стол которого сконструирован по схеме опрокинутого торсионного маятника по [5, 7, 8] и дополнительно оборудован перемещаемой в плоскости колебаний однокоординатной кареткой с закреплённым на ней позиционером, обеспечивающим установку контролируемого ротора или образцовой меры МИ и перевода его в заданные пространственно-угловые положения, а платформа взвешена на аэростатических подшипниках. Подтверждена высокая точность и эффективность способа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Левит М.Е., Рыженков В.М. Балансировка деталей и узлов. - М.: Машиностроение, 1986. - 248 с.
2. Основы балансировочной техники. Т.1. Уравновешивание жестких роторов и механизмов / Под ред. В. А. Щепетильникова. - М.: Машиностроение, 1975. - 527 с.
3. Матвеев Е.В., Крылов В.В., Кочкин Е.В. Оборудование для определения характеристик геометрии масс и массы космических летательных аппаратов // Научно-технические достижения: Межотраслевой научно-технический сборник, 1992. №5. С. 40-44.
4. Мещеряков В.А., Прудников А.П. Способ определения момента инерции изделия методом физического маятника // А.с. СССР №1293503. 1987. Бюл. №8.
5. Воболис И.П., Рагульскис К.М. Способ определения момента инерции изделия, установленного на платформе унифилярного подвеса // А.с. СССР №1104366. 1984. Бюл. №27.
6. Подсядло И.Б. Способ определения координат центра масс тела // А.с. СССР №1186979. 1985. Бюл. №39.
7. Копейкин А.И., Галас В.П. Способ определения момента инерции изделий // Патент РФ №2057307. 1996. Бюл. №9.
8. Смирнов Г.Г. Способ определения центрального момента инерции и координат центра масс в заданной плоскости и массы тела // А.с. СССР №1046633. 1983. Бюл. №37.
