CC BY
289
УДК 531.383
Вестник СибГАУ Том 17, № 3. С. 684-690
ДВИГАТЕЛЬ-МАХОВИК ДЛЯ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Д. В. Ермаков, А. А. Денисова, Н. А. Колеватова, Ю. Г. Гладышев
АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Кирова, 56в E-mail: polus@online.tomsk.net
При разработке малоразмерного двигателя-маховика одной из ключевых проблем является выбор подшипниковых опор, поскольку жесткие ограничения по габаритам и массе прибора позволяют применять только шарикоподшипники сверхлегких серий. На этапе предварительной проработки конструкции выполнялись расчеты коэффициентов запаса по нагрузкам при механических испытаниях и по изгибной прочности оси с определением критических сечений. Роторная система состоит из маховика, закрепленного на наружных кольцах шарикоподшипников, индукторов, магнитов и ротора датчика углового положения. Наиболее опасен момент остаточной неуравновешенности роторной системы, так как динамические нагрузки напрямую связаны с уровнем контактных напряжений между шариками и дорожками качения. При достижении значительных напряжений возможно усталостное выкрашивание дорожек и тел качения. Кроме того, давление из-за дисбаланса вала маховика неизбежно вызывает силы трения и, следовательно, выделение тепла, что приводит к росту момента сопротивления вращению ротора, а также ускоряет процесс старения смазки. В соответствии с общими требованиями к роторной системе она подвергалась динамической балансировке, поскольку только так устраняются все виды неуравновешенности с необходимой точностью. Для проведения этой технологической операции в роторной системе предусмотрены две плоскости коррекции, расположенные на ободе маховика в местах наибольшего удаления от оси вращения. Балансировка проводилась путем удаления материала в зонах кольцевых проточек плоскостей коррекции. Сравнение характеристик разработанного малоразмерного двигателя-маховика и зарубежных аналогов показывает, что их параметры соответствуют друг другу.
Ключевые слова: двигатель-маховик, подшипниковые опоры, механические испытания, остаточная неуравновешенность, дисбаланс, балансировка, коэффициент запаса, динамическая нагрузка.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 3, P. 684-690
REACTION FLYWHEEL FOR THE SMALL SPACECRAFTS
D. V. Ermakov, А. А. Denisova, N. A. Kolevatova, Y. G. Gladyshev
JSC "Scientific and Industrial centre "Polyus" 56в, Kirova Av., Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail: polus@online.tomsk.net
One of the main issues in the design of low-sized reaction flywheel was the selection of bearings, because there are strict limits on the size and weight of the device that allows using only ultra-light series of ball bearings. At the preliminary stage of design calculations verification of safety factors for loads in mechanical tests and of flexural strength of axis for mechanical testing identifying by critical sections was carried out. Rotor system of low-sized reaction flywheel consists of a flywheel mounted on the outer rings of ball bearings, inductors, and the rotor's magnet of the rotor position sensor. The most dangerous moment is the unbalance of the rotor system as there is a direct link between the dynamic loads and the level of contact pressure between the bearing balls and raceways. Upon reaching significant values of these stresses flaking on the tracks and rolling elements is possible. Furthermore, the pressure unbalance inevitably causes the flywheel shaft of the friction force and hence heat, which leads to an increase in drag torque of the rotor, and also accelerates the aging process lubricant. In accordance with the general requirements imposed on the rotor system of low-sized reaction flywheel it was subjected to dynamic balancing, because only this type of balancing ensures the elimination of all types of unbalances with the required accuracy. To carry out this process step the rotor system has two correction planes located on the rim of the flywheel in the areas of maximum distance from the axis of rotation. Balancing is carried out by removing material in the areas of the annular grooves of
the correction planes. Comparing the characteristics of low-sized reaction flywheel and foreign analogues shows that the parameters correspond to foreign models.
Keywords: reaction flywheel, bearing assembly, mechanical test, unbalance, unbalance, balancing, safety factor, dynamic load.
Введение. Одним из перспективных направлений развития современной космической техники является создание малых космических аппаратов (табл. 1).
Таблица 1
Классификация малых космических аппаратов
Тип Масса, кг
Пикоспутники 0,1-1,0
Наноспутники 1-10
Микроспутники 10-100
Мини-спутники 100-500
Их бортовое оборудование должно иметь минимальные массогабаритные характеристики и энергопотребление при сохранении целевых функций и стойкости к механическому нагружению, соответствующих аппаратуре средних и больших спутников [1].
В АО «НПЦ «Полюс» разработан малоразмерный двигатель-маховик (МДМ), предназначенный для применения в составе малых космических аппаратов.
Описание конструкции. Конструктивно МДМ представляет собой моноблок, в котором двигатель-маховик и модуль служебной электроники смонтированы в одном корпусе (рис. 1) [2; 3].
Модуль служебной электроники
Двигатель-маховик
^..............,
Рис. 1. Общий вид МДМ
Двигатель-маховик выполнен по классической симметричной схеме расположения опор вращения с индуктивным дифференциальным датчиком углового положения ротора (рис. 2).
Корпус МДМ выполнен в виде квадратного основания. Его посадочная поверхность технологически подготовлена под установку на космический аппарат и имеет четыре отверстия под крепеж, расположение которых исключает неоднозначность установки МДМ.
На диске маховика закреплены активные части двигателя-маховика, которые состоят из двух индукторов - внешнего и внутреннего. На внешнем припаяны магниты из сплава «самарий-кобальт». Перед
пайкой магниты подбираются по значению магнитного потока. Обмотка статора расположена на диэлектрическом каркасе.
Вал ротора-маховика установлен на наружных кольцах прецизионных радиально-упорных шарикоподшипников, зажатых в осевом направлении фланцами. Внутренние кольца подшипников закреплены непосредственно на центральной оси ротора с натягом и зафиксированы гайкой [4-6].
Проектирование конструкции. Одна из ключевых задач при проектировании - выбор шарикоподшипников, поскольку жесткие требования к габаритным размерам и массе прибора позволяют использовать только шарикоподшипники сверхлегких серий [7; 8]. Шарикоподшипники, оптимально подходящие для МДМ, выбирались из выпускаемых в РФ с учетом габаритных ограничений и нагрузочной способности (табл. 2).
На этапе предварительной проработки конструкции взяты шарикоподшипники 4-1006094Е. Для подтверждения правильности их выбора выполнены расчеты коэффициентов запаса при механических воздействиях (табл. 3):
- по нагрузкам;
- изгибной прочности путем выявления наиболее нагруженных сечений (рис. 3) [9; 10];
- грузоподъемности (долговечности).
По результатам расчета выявлены достаточные запасы конструкции двигателя-маховика и реализованы следующие технические решения:
- доработана конструкция оси с целью снижения напряжений в критических сечениях и обеспечения посадки шарикоподшипников на ось с гарантированным натягом;
- применены шарикоподшипники 4-106095 ЮТ;
- использован материал оси 40Х13 (оод = 735 МПа).
Роторная система МДМ состоит из маховика 1,
индукторов 2, магнитов 3, ротора датчика углового положения 4 и оси ротора 5, на которой установлены внутренние кольца шарикоподшипников (рис. 4).
При вращении роторной системы возникают вибрации, которые через посадочную плоскость МДМ передаются на космический аппарат, что может негативно сказаться на работе его бортовых систем. Полностью устранить вибрации не представляется возможным, однако конструкторско-технологическими методами значение вибраций возможно снизить до приемлемого уровня.
Источниками возмущений в МДМ являются шарикоподшипниковые опоры по причине неидеальности геометрии тел вращения и дорожек качения, а также роторная система в целом из-за ее неуравновешенности вследствие неустранимых технологических погрешностей при изготовлении ее деталей и сборке.
Модуль
Двигатель-маховик служебной электроники
Ротор-маховик
Активные части двигателя-маховика
Посадочная поверхность МДМ
Датчик углового положения ротора
1Шрикоподптииники
Ось
Рис. 2. Меридиональное сечение МДМ
Таблица 2
Параметры шарикоподшипников
Наименование параметра Значение параметра шарикоподшипника
2076084ЮТ 4-1006094Е 4-1006095ЮТ
Габаритные размеры, мм 0 4/9/3 0 4/11/4 0 5/13/4
Масса, г 1,7 2 2,5
Статическая грузоподъемность, Н 180 280 380
Динамическая грузоподъемность, Н 400 660 800
Рис. 3. Критические сечения оси
Таблица 3
Результаты расчета коэффициентов запаса
Характеристика Коэффициент запаса для шарикоподшипника
4-1006094Е 4-1006095ЮТ
Нагрузка на шарикоподшипник № 1/№ 2 5,1/7,6 6,9/10,3
Изгибная прочность оси по сечению ИМПЛУ 7,2/9/9/13,1 10,3/17,7/18/22,7
Грузоподъемность в статическом режиме: - в начале наземной эксплуатации; - в конце наземной эксплуатации; - в невесомости в начале эксплуатации; - в невесомости в конце эксплуатации 6,52 4,93 20,98 14,00 16,30 12,32 52,42 34,94
Окончание табл. 3
Характеристика Коэффициент запаса для шарикоподшипника
4-1006094Е 4-1006095ЮТ
Грузоподъемность в динамическом режиме: - в начале наземной эксплуатации; - в конце наземной эксплуатации; - в невесомости в начале эксплуатации; - в невесомости в конце эксплуатации 67,98 53,69 173,16 126,34 120,86 95,59 308,21 224,70
Рис. 4. Кинематическая схема роторной системы МДМ
Плоскости коррекции
Маховик
Рис. 5. Плоскости коррекции
Неуравновешенность характеризуется таким распределением масс, которое во время вращения роторной системы вызывает переменные нагрузки в опорах и приводит к ее изгибу [11]. К тому же при переменных нагрузках в опорах увеличивается трение в шарикоподшипниках, ускоряя тем самым процесс деградации смазки [12]. Поэтому неуравновешенность необходимо ограничить до приемлемого уровня путем балансировки, для чего необходимо определить значения углов дисбаланса и уменьшить их корректировкой массы.
Наиболее эффективна динамическая балансировка роторной системы в собственных опорах [13], а для перераспределения масс целесообразно удалять, а не добавлять корректировочную массу, поскольку в этом случае удается избежать дискретности значения балансировки и повысить ее качество. Точность балансировки технологическими винтами ограничивается их минимально возможными габаритными размерами.
В МДМ реализованы эти технические решения: балансировка выполняется в динамическом режиме путем удаления корректировочных масс в зонах кольцевых проточек 1, 2, совпадающих с плоскостями коррекции, которые максимально разнесены от оси вращения маховика (рис. 5).
МДМ должен выдерживать воздействие внешних вибраций, сохраняя при этом работоспособность. Для выявления наиболее нагруженных его узлов и деталей на этапе проектирования конструкция проверена методом конечных элементов.
Исследование с его помощью включает в себя следующие этапы:
- создание 3Б-модели;
- введение в модель свойств материалов каждой детали;
- определение способов закрепления и видов нагрузок;
- модальный анализ конструкции;
- анализ результатов моделирования при синусоидальных, случайных и ударных нагрузках.
Особое внимание необходимо уделять созданию 3Б-модели, которая должна отражать все особенности конструкции. Каждая деталь модели создается на основе конструкторской документации с учетом допусков, варьируя которые возможно подобрать необходимые значения резонансной частоты или прочности.
Результаты механического анализа. На аналитической модели разработанного МДМ проводились исследования на стойкость к различным механическим воздействиям: синусоидальным, случайным, ударным. Результаты анализа показали, что требования, предъявляемые к конструкции МДМ, при этих воздействиях выполняются, а собственная резонансная частота составляет более 150 Гц (рис. 6-8).
Рис. 8. Перемещение при ударных нагрузках вдоль оси вращения
Сравнение двигателей-маховиков
Таблица 4
Характеристика RW90 RSI02-33/30А МДМ
Производитель Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH [14] Teldix Rockwell Collins [15] АО «НПЦ «Полюс»
Внешний вид й) 1» gj § gk Вfetal
Кинетический момент, Нмс ±(0,00-0,25) ±(0,00-0,20) ±(0,00-0,25)
Управляющий момент, Нм ±(0,00-0,01) ±(0,00-0,03) ±(0,000-0,008)
Потребляемая мощность, Вт 6 10 5
Конструктивное исполнение Моноблок Моноблок Моноблок
Масса, кг 0,9 1,7 1,3±0,1
Габаритные размеры, мм 103x101x90 135x120x92 96x96x96
Срок службы, лет 5 5 5
Условия эксплуатации Негерметичный отсек Негерметичный отсек Негерметичный отсек
Заключение. Сравнение разработанного в АО «НПЦ «Полюс» МДМ с зарубежными аналогами показывает, что их параметры соответствуют друг другу (табл. 4). На базе внедренных технических решений в настоящее время разрабатывается параметрический типоряд двигателей-маховиков для малых космических аппаратов.
Библиографические ссылки
1. Унифицированные космические платформы для малых космических аппаратов : справ. пособие.
В 3 кн. Кн. 3. Мини-спутники / В. Н. Блинов [и др.]. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. 348 с.
2. Меркин Д. Р. Гироскопические системы. М. : Физматгиз : Наука, 1974. 356 с.
3. Ишлинский А. Ю. Механика гироскопических систем. М. : Изд-во АН СССР, 1963. 327 с.
4. Тищенко О. Ф. Элементы приборных устройств. М. : Высш. шк., 1978. 384 с.
5. Первицкий Ю. Д. Расчет и конструирование точных механизмов. М. : Высш. шк., 1976. 456 с.
6. Проектирование механизмов и приборов / К. П. Заблонский [и др]. Киев : Вища шк., 1971. 520 с.
7. Самсаев Ю. А. Вибрации приборов с опорами качения. М. : Машиностроение, 1984. 128 с.
8. Журавлев В. Ф., Бальмонт В. Б. Механика шарикоподшипников гироскопов / под ред. Д. М. Климова. М. : Машиностроение, 1985. 272 с.
9. Приборные шариковые подшипники : справочник / К. Н. Явленский [и др]. М. : Машиностроение, 1981. 351 с.
10. Ковалев М. П. Опоры и подвесы гироскопических устройств. М. : Машиностроение, 1970. 286 с.
11. Биргер И. А., Шорр Б. А., Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин : справочник. 3-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1979. 702 с.
12. Исакович М. М., Клейман Л. И., Перчанок Б. Х. Устранение вибрации электрических машин. Л. : Энергия, Ленингр. отд-ние, 1979. 200 с.
13. Шубов И. Г. Шум и вибрация электрических машин. Л. : Энергия, 1973. 259 с.
14. Astro- und Feinwerktechnik Adlershof. URL: http//www.astrofein.com/ (accessed: 27.07.2014).
15. Teldix. URL: http//www.rockwellcollins.com/ (accessed: 24.07.2014).
References
1. Blinov V. N. et al. Unifitsirovannye kosmicheskie platformy dlya malykh kosmicheskikh apparatov. [The unified space platforms for small spacecrafts: grant manual]. Omsk, OmGTU Publ., 2010, 348 p.
2. Merkin D. R. Giroskopicheskie sistemy [Gyroscopic systems]. Мoscow, Fizmatgiz, Nauka Publ., 1974, 356 p.
3. Ishlinskiy A. Yu. Mekhanika giroskopicheskikh sistem [Mechanics of gyroscopic systems]. Мoscow, AN SSSR Publ., 1963, 327 p.
4. Tishchenko O. F. Elementy pribornykh ustroystv [Element of instrument devices]. Мoscow, Vysshaya shkola Publ., 1978, 384 p.
5. Pervitskiy Yu. D. Raschet i konstruirovanie tochnykh mekhanizmov [Calculation and design exact machinery]. Мoscow, Vysshaya shkola Publ., 1976, 456 p.
6. Zablonskiy K. P. etc. Proektirovanie mekhanizmov i priborov [Design of machinery and devices], Kiev, Vysshaya shkola Publ., 1971, 520 p.
7. Samsaev Yu. A. Vibratsii priborov s oporami kacheniya [Vibrations of a devices with rolling-contact bearings]. Мoscow, Mashinostroenie Publ., 1984, 128 p.
8. Zhuravlev V. F., Bal'mont V. B. Mekhanika sharikopodshipnikov giroskopov [Mechanics of ballbearings of gyroscopes]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1985, 272 p.
9. Yavlenskiy K. N. ect. Pribornye sharikovye podshipniki [Instrument ball bearings]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1981, 351 p.
10. Kovalev M. P. Opory i podvesy giroskopicheskikh ustroystv [Bearing and gimbal of gyroscopic equipment]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1970, 286 p.
11. Birger I. A., Shorr B. A., Iosilevich G. B. Raschet na prochnost' detaley mashin [Calculations details of machines on durability]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1979, 702 p.
12. Isakovich M. M., Kleyman L. I., Perchanok B. Kh. Ustranenie vibratsii elektricheskikh mashin [Elimination of vibration in electric machines]. Leningrad, Energiya Publ., 1979, 200 p.
13. Shubov I. G. Shum i vibratsiya elektricheskikh mashin. [Din and vibration of electrical machines]. Leningrag, Energiya Publ., 1973, 259 p.
14. Astro- und Feinwerktechnik Adlershof. Available at: http//www.astrofein.com/ (accessed 27.07.2014).
15. Teldix. Available at: http//www.rockwellcollins. com/ (accessed 24.07.2014).
© Ермаков Д. В., Денисова А. А., Колеватова Н. А., Гладышев Ю. Г., 2016
