CC BY
18Малые космические аппараты: производство, эксплуатация и управление
УДК 621.822.6
КРИТЕРИИ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ПОДШИПНИКОВЫХ ОПОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ-МАХОВИКОВ
Ю. Г. Гладышев, Г. Н. Гладышев, В. П. Лянзбург
ОАО «Научно-производственный центр «Полюс» Россия, 634050, г. Томск, просп. Кирова, 56, в. E-mail: POLUS@ONLINE.TOMSK.NET
Рассматриваются критерии выбора параметров подшипниковых опор исходя из ограничений, предъявляемых требованиями технического задания к электродвигателю-маховику в целом.
Ключевые слова: электродвигатель-маховик, шарикоподшипниковые опоры, виброхарактеристики.
CRITERIA FOR SELECTION OF PARAMETERS SUPPORTS BALL-BEARINGS SUPPORTS REACTION WHEEL
Yu. G. Gladyshev, G. N. Gladyshev, V. P. Lyanzburg
Joint-stock company "Research and production center "Polyus" 56v, Kirov prosp., Tomsk, 634050, Russia. E-mail: POLUS@ONLINE.TOMSK.NET
Discusses criteria for selecting the parameters of ball-bearings supports on limitations imposed complex feature specification of reaction wheel.
Keywords: reaction wheel, ball-bearing supports, vibration characteristics.
В преобладающем большинстве электродвигателей-маховиков (ЭДМ) отечественного и зарубежного производства роторы-маховики вращаются в двух шарикоподшипниковых опорах. Эти опоры, не являясь дублированными элементами ЭДМ, должны с требуемой надежностью обеспечивать заданные техническим заданием следующие характеристики:
- жесткое взаимное расположение вращающегося ротора-маховика относительно корпуса;
- вибро- и ударопрочность подшипникового узла;
- минимальное отклонение углового положения вектора кинетического момента Н от номинального положения посадочной плоскости;
- минимальные моменты трогания и сопротивления вращению ротора-маховика;
- минимальную виброактивность конструкции ЭДМ;
- длительный ресурс работы (не менее 105 ч) при минимальных массогабаритных показателях.
Приведенные характеристики ЭДМ одновременно являются критериями выбора параметров шарикоподшипниковых опор, определяющими выбор и увязку параметров этих опор на стадии разработки конструкции ЭДМ.
Удовлетворение указанным критериям - результат итерационного процесса, выполняемого по следующей схеме: электромагнитный расчет электродвигателя с определением угловой скорости; ю - предварительное конструирование ротора-маховика и шарикоподшипниковых опор - определение нагрузок на шарикоподшипниковые опоры F1; F2 - выбор типоразмера шарикоподшипников - определение положения вектора Н - определение собственных частот ротора-маховика - расчет ресурса опор.
К параметрам шарикоподшипниковых опор относят: типоразмер шарикоподшипника и его класс точ-
ности, предельно допустимую частоту вращения, грузоподъемность, расстояние между шарикоподшипниками, материал вала и подшипникового стакана, предварительный натяг и жесткость опор, виброактивность.
Типоразмеры шарикоподшипников при заданном значении кинетического момента Н выбираются по максимальной расчетной нагрузке на одну из опор (1 или 2), в соответствии с рисунком, и допустимой по техническим условиям грузоподъемности шарикоподшипника. Нагрузки определяются для наземных условий, поскольку в условиях невесомости они снижаются вследствие исчезновения сил тяготения.
F,
Fi
L
А
Опора 2
Центр масс ротора-маховика
А,
Опора 1
F=mg
Схема действия сил в шарикоподшипниковой опоре
Рассмотрим вариант, когда F1 > F2 при l > (Ь - Г). Значение F1 является суммой статических и динамических сил:
= ^ + ^ + ^ , (1)
где F1в, F1д, F1с - нагрузка от веса ротора-маховика, его статической неуравновешенности, динамической неуравновешенности соответственно.
Значения нагрузок F1в, F1с, F1д определяются по выражениям
l
Решетневскуе чтения. 2013
FlB =
Flc =
Fia =
Hgl
r 2oL Нш1
T2L'
Haelc
7TLr
(2)
(3)
(4)
где g - ускорение свободного падения; I - расстояние от опоры до центра тяжести ротора-маховика; Ь -расстояние между опорами, которое обусловлено осевыми габаритами активных частей электродвигателя и датчика положения ротора-маховика и уточняется исходя из двух ограничений: допустимого по техническому заданию отклонения вектора Н от его номинального положения и допустимого по нормативным документам подшипниковой промышленности перекоса внутреннего кольца шарикоподшипника по отношению к наружному (в обоих случаях Ь связано с суммарными зазорами в опорах тангенциальной зависимостью); е - удельный остаточный дисбаланс ротора-маховика (определяется по ГОСТ 12327-79 исходя из принятого класса точности его балансировки и массы); с - расстояние между плоскостями балансировки, которое выбирается из конструктивных соображений (при конструировании ЭДМ должно быть обеспечено максимально возможное по технологическим и конструктивным ограничениям расстояние); г - расстояние от оси вращения ротора-маховика до сосредоточенных масс его узлов (например, для обода г = 0,5(Лн + Л2), где Лн и Лв - наружный и внутренний радиусы обода соответственно); ю - угловая скорость ротора-маховика.
Подставив выражения (2), (3), (4) в выражение (1), получим
= Н (£ + юе (1 + -
1 г Ь {ю I Ь
Запас допустимой грузоподъемности шарикоподшипников по отношению к ^ должен быть не менее 2,0.
Отечественная подшипниковая промышленность выпускает приборные шарикоподшипники в основном класса точности 4 и реже - более высокого класса точности 2. Поскольку качество шарикоподшипника влияет на его виброхарактеристики, то их отбор проводится по уровню виброскорости на специализированном вибродиагностическом стенде, например М0в-11-МС500. Тем самым обеспечивается установка в ЭДМ только шарикоподшипников с гарантированным качеством.
Для выполнения требований технического задания по моментам трогания и сопротивления вращению ротора-маховика выполняется прикатка шарикоподшипников в составе ЭДМ.
Для распределения нагрузки на все тела качения, их надежного контакта с дорожками качения выполняется предварительный натяг, который влияет на виброактивность всей конструкции ЭДМ, поскольку увеличивает осевую жесткость шарикоподшипниковой опоры. Осевая жесткость Со связана с собственной резонансной частотой /с ЭДМ соотношением
/с =
М
где М - приведенная масса ротора-маховика ЭДМ.
В конструкции одного из ЭДМ, в шарикоподшипниковых опорах ротора-маховика были применены радиально-упорные шарикоподшипники 4-76702ЮТ с предварительным натягом F = 50 Н, на частоте вращения n = 5 800 об/мин возник резонанс. При увеличении предварительного натяга до F = 70 Н удалось (при сохранении заданного техническим заданием момента трогания):
- уменьшить амплитуду колебаний в среднем в 2,4 раза;
- снизить в среднем в 2 раза общий уровень виброхарактеристики во всем диапазоне частот;
- вывести резонансный пик из рабочей зоны (±6 000 об/мин).
Однако подходить к увеличению значения предварительного натяга в шарикоподшипниках с целью улучшения виброхарактеристик ЭДМ необходимо осторожно, поскольку увеличению предварительного натяга препятствуют жесткие ограничения на моменты трогания, сопротивления вращению и энергопотребление.
Расчет ресурса шарикоподшипников проводится по статическим и динамическим нагрузкам согласно ГОСТ 12387-79, ГОСТ 18854-94 и ГОСТ 18855-94 для наземных условий и условий невесомости.
При выявлении несоответствия по одному или нескольким критериям проводится уточнение конструкции и принимается компромиссное решение с осуществлением следующего шага итерации.
Применение рассмотренных критериев выбора параметров шарикоподшипниковых опор позволяет разрабатывать конструкции ЭДМ, надежно работающие при штатной эксплуатации.
© Гладышев Ю. Г., Гладышев Г. Н., Лянзбург В. П., 2013
