CC BY
21<Тешетневс^ие чтения. 2016
УДК 629.76
ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОЛИНЕЙНОГО ПЬЕЗОПРИВОДА
А. В. Азин*, С. В. Пономарев, С. В. Рикконен, А. М. Храмцов
Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики Томского государственного университета Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 36 *E-mail: antonazin@niipmm.tsu.ru
Микроэлектромеханичекие системы в настоящее время находят все более широкое применение в технике. Приборостроение и космическая отрасль нуждаются в линейных пьезоприводах, применение которых существенно снижает массогабаритные показатели электромеханических приводов.
Ключевые слова: микролинейный пьезопривод, космический аппарат, колебательная система.
RESEARCHING MICRO LINEAR PIEZODRIVE
A. V. Azin*, S. V. Ponomarev, S. V. Rikkonen, A. M. Khramtsov
Research institute of Applied Mathematics and Mechanics of Tomsk State University 36, Lenina Av., Tomsk, 634050, Russian Federation *E-mail: antonazin@niipmm.tsu.ru
Microelectromechanical systems are currently becoming more and more widely used in the technology. Instrumentation and space industry increasingly require linear drives, the use of which significantly reduces the weight and size parameters of the electromechanical actuators.
Keywords: microlinear piezodrive, spacecraft, vibrating system.
В космической отрасли наиболее остро стоит вопрос уменьшения массогабаритных характеристик систем космического аппарата (КА). Одним из решений является замена электромеханических приводов различных устройств КА на пьезоприводы, при этом массогабаритные показатели соответствующих устройств уменьшается в разы [1—2]. Устройство натяжения периферийного шнура (УНПШ) системы регулирования формы отражающей поверхности крупногабаритных трансформируемых антенных рефлекторов КА служит для предварительного натяжения поверхности рефлектора КА. Сила натяжения периферийного шнура составляет Fнат - 300 Н, масса устройства -250 г, масса спицы рефлектора - 40 кг, перемещение толкателя с шагом Хнат - 12 мкм. Проектирование микролинейного пьезопривода (МЛП) и испытательного стенда проводилось с ориентацией на параметры УНПШ. Колебательная система испытательного стенда рассчитывалась на трехмерных и одномерных математических моделях [3-5]. Испытательный стенд предназначен для исследования динамических режимов работы МЛП (рис. 1). Режимы работы МЛП зависят от следующих параметров колебательной системы (КС): типа и мощности пьезопакета; массы пригруза (нагрузки); силы предварительного поджатия пакета пьезоэлементов; напряжения на пьезопакете; тока пьезопакета; частоты воздействия [3-5].
В процессе испытаний МЛП снимаются параметры режима работы в виде электрических сигналов (рис. 2): напряжение на пьезопакете; ток на пьезопа-кете; сигнал силы с датчика силы пьезопакета; виброускорение пригруза (нагрузки). В процессе подго-
товки испытаний определяется еще один параметр -сила предварительного поджатия.
Рис. 1. Испытательный стенд, работа МЛП на инерционную нагрузку:
1 - инерционная масса нагрузки (пригруз); 2 - толкатель; 3 - опоры; 4 - регулировочный винт; 5 - станина; 6 - пьезопа-кет апм-2-7; 7 - датчик силы; 8 - упругость; 9 - акселерометр марки АР 1019
В результате испытаний МЛП получены следующие данные: частотные характеристики ускорения пригруза (груза); частотные характеристики вибросмещения пригруза; частотные характеристики силы на нагрузке.
В результате анализа этих частотных характеристик определены рабочие резонансные частоты КС и амплитуды вибросмещения.
"Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических, аппаратов
1
Рис. 2. Расположение сигналов с датчиков колебательной системы на экране электронного осциллографа: а - частота 10 кГц; 6 - частота 1 кГц; 1 - величина ускорения; 2 - ток пьезопакета; 3 - сила пьезопакета;
4 - напряжение пьезопакета
Л', т Fh, Н
Рис. 3. Экспериментальная частотная характеристика вибросмещения нагрузки и силы на нагрузке при работе МЛП, I = 0,5 А, Gпр = 3 кг. Предварительное поджатие Fo = 240 Н: 1 - частотная зависимость вибросмещения; 2 - частотная зависимость силы на нагрузке
Экспериментальные исследования показали, что испытательный стенд спроектирован как КС с чисто инерционной нагрузкой, но режимы работы КС качественно схожи с режимами смешанной нагрузки. Резонансные частоты КС уменьшаются с увеличением инерционной массы (характерно для инерционной нагрузки), а увеличение амплитуды вибросмещения с увеличением инерционной нагрузки показывает, что в КС присутствует упругая составляющая - упругость предварительного поджатия, упругость опор стенда, упругость пьезопакета, что характерно для смешанной нагрузки.
Для КС с параметрами нагрузки УНПШ основным диапазоном рабочих частот МЛП будет 50-100 Гц, при этом силы возбуждения на нагрузке будут превышать 550 Н, шаговое вибросмещение будет выше 12 мкм (рис. 3).
Экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами численных экспериментов на трехмерных и одномерных математических моделях, а так как КС даже с инерционной нагрузкой является резонансной системой, то по результатам расчетов можно подобрать конструкцию МЛП с желательным диапазоном резонансных рабочих частот.
Библиографические ссылки
1. Park S. Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor // Theses and dissertations. Toronto, 2011. 136 p.
2. Active shape adjustment of cable net structures with PZT actuators / Z. Wang, T. Li, Y. Cao // Aerospace Science and Technology. 2013. P. 160-168.
3. Анализ работы пьезопривода по частотным характеристикам механоакустической колебательной системы / С. В. Пономарев, С. В. Рикконен, А. В. Азин // Изв. вузов. Физика. 2014. Т. 57, № 8/2. С. 196-202.
4. The applicability of acoustic emission method to modeling the endurance of metallic construction elements / S. V. Ponomarev, S. Rikkonen, A. Azin, A. Karavatskiy et al. / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2015. 71. DOI: 10.1088/1757-899X/71/1/012056.
5. Моделирование колебательных процессов пьезоэлектрического преобразователя / С. В. Пономарев, С. В. Рикконен, А. В. Азин // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика, 2015. № 2(34). С. 86-95.
References
1. Park S. Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor // Theses and dissertations. Toronto, 2011. 136 p.
2. Wang Z., Li T., Cao Y. Active shape adjustment of cable net structures with PZT actuators Aerospace Science and Technology. 2013. P. 160-168.
3. Ponomarev S. V., Rikkonen S. V., Azin A. V. [Analiz raboty p'ezoprivoda po chastotnym kharakteristikam mekhanoakusticheskoy kolebatel'noy
Решетневские чтения. 2016
sistemy] // Proceedings of the universities. Physics. 2014. Vol. 57, № 8/2. P. 196-202 (in Russ.).
4. Ponomarev S. V., Rikkonen S., Azin A., Karavatskiy A., Maritskiy N., Ponomarev S. A. The applicability of acoustic emission method to modeling the endurance of metallic construction elements // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015, 71, DOI: 10.1088/1757- 899X/71/1/012056.
5. Ponomarev S. V., Rikkonen S. V, Azin A. V. [Modelirovanie kolebatel'nykh protsessov
p'ezoelektricheskogo preobrazovatelya] // Reporter of TSU. A series of mathematics and mechanics. 2015. № 2(34). P. 86-95 (in Russ.).
© Азин А. В., Пономарев С. В., Рикконен С. В., Храмцов А. М., 2016
УДК 621.59.04
ЭЛЕКТРОИСКРОВАЯ ТИТАНОВАЯ ОЧИСТКА КСЕНОНА И ЕГО СМЕСЕЙ
В. В. Ананьев1, В. В. Дмитренко2, К. Ф. Власик2, С. Е. Улин2, 3. М. Утешев2
'ООО НПП «Медгаз» Российская Федерация, 121471, г. Москва, Можайское шоссе, 29 E-mail: vvanord@yandex.ru ^Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Российская Федерация, 115409, г. Москва, ул. Каширское шоссе, 31 E-mail: vvdmitrenko@gmail.com
Дано описание электроискровой очистки ксенона рабочего тела гамма-спектрометра до содержания электроотрицательных примесей не более 10-10-10-10 молярных долей. Для достижения необходимой чистоты газообразной или жидкой фазы использовалась лабораторная система генерации мелкодисперсной титановой пыли в объеме прибора. Чистота газа контролируется по времени жизни электронов в контрольной ионизационной камере.
Ключевые слова: жидкий и газообразный ксенон, детектор, титан, геттер, электроискровая очистка.
SPARK TITANIUM CLEANING OF XENON AND ITS MIXTURES V. V. Ananiev1, V. V. Dmitrenko2, K. F. Vlasik2, S. E. Ulin2, Z. M. Uteshev2
!LLC SPE «Medgas» 29, Mozhaiskoye shosse, Moscow, 121471, Russian Federation E-mail: vvanord@yandex.ru
2National Research Nuclear University «MEPhI»
31, Kashirskoe shosse, Moscow, 115409, Russian Federation
E-mail: vvdmitrenko@gmail.com
The research describes the application of cleaning of Xenon gamma detectors where electronegative impurities
content is not more than 10-10-10~10 mole fractions. In order to achieve the desired purity of gas or liquid phase the
researchers use the laboratory system to generate fine titanium dust in the volume of electric cleaning Xenon. Gas
purity is controlled by the electron lifetime in a control ionization chamber.
Keywords: liquid and gas xenon, detector, titan, getter, spark cleaning.
Ксенон находит все более широкое применение в различных областях науки и техники: космическая техника, медицина, автомобильная промышленность и др. Во многих случаях к чистоте ксенона предъявляются высокие требования. Наиболее распространенным способом очистки ксенона является использование промышленно выпускаемых геттеров. Одним из их недостатков является ограниченный ресурс работы, особенно в случае очистки сильно загрязненных газов. В 70-е годы в МИФИ [1] был разработан оригинальный способ очистки благородных газов, основанный на генерации мелкодисперсной титановой пыли в объеме, заполненном благородным газом, на-
ходящимся в газообразной или жидкой фазе. Титановая пыль, которая является эффективным поглотителем электроотрицательных примесей, создается в результате электроэрозии титановых электродов, к которым прикладывается высокое напряжение. Преимуществами этого метода очистки является высокая эффективность очистки, простота изготовления установки, длительный срок службы и ремонтнопригод-ность. Электроискровые установки нашли применение в крупных международных экспериментах, направленных на поиск частиц темной материи, в которых используется ксенон в количестве более десяти тонн.
