CC BY
67
УДК 531.133.3:629.78
Вестник СибГАУ Том 17, № 3. С. 722-728
МЕХАНИЗМ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОГО ВЫДВИЖЕНИЯ ЗВЕНЬЕВ СПИЦЫ РЕФЛЕКТОРА И ШТАНГ
Д. В. Скоков1, В. И. Халиманович2, А. Г. Верхогляд1, И. А. Накрохин1, Ю. В. Чугуй1*
1Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН Российская Федерация, 630058, г. Новосибирск, ул. Русская, 41 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: chugui@tdisie.nsc.ru
Для раскрытия спиц, являющихся несущими и формообразующими элементами крупногабаритного трансформируемого рефлектора диаметром 48 м, предназначенного для эксплуатации в условиях ГСО, необходим механизм телескопического выдвижения звеньев. Важнейшими требованиями к нему являются следующие: вес не более семи килограммов, энергопотребление (27+J0 3) В, передвижение вдоль продольной оси спицы на расстояние более восьми метров и осевое усилие не менее 2000 Н. Представлены результаты по разработке и созданию нового механизма телескопического выдвижения звеньев спиц для крупногабаритного трансформируемого рефлектора, приведены описание устройства механизма выдвижения, принцип его работы и результаты испытаний в промышленных условиях в АО «ИСС». Принцип действия механизма заключается в обкатке двух дисков по винтовой линии на внутренней поверхности неподвижного звена спицы. Зацепление обеспечивается сопряжением профилированных пальцев, закреплённых на дисках, со втулками, установленными на неподвижном звене спицы. КТИ НП по заказу АО «ИСС» разработан и изготовлен механизм телескопического выдвижения звеньев спиц рефлектора диаметром 48 м, который успешно прошел производственные испытания на этом предприятии. Технические характеристики и результаты проведённых испытаний механизма телескопического выдвижения спиц рефлектора и штанг в составе спиц демонстрируют, что разработанный механизм телескопического выдвижения звеньев спицы рефлектора и штанг полностью удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям. Разработанный оригинальный механизм телескопического выдвижения звеньев спицы рефлектора и штанг является высоконадёжным, имеет хорошие массогабаритные показатели (масса механизма меньше 7 кг). Механизм выдвижения реализует значительные усилия (при испытаниях фиксировались усилия 200 кгс) в осевом направлении без создания значительных усилий в радиальном направлении, он допускает многократно реверсивное движение звеньев без регулировок и настроек. В конструкции механизма выдвижения на всех этапах раскрытия спицы используется один электрический двигатель. Созданный механизм выдвижения может быть применён для любых телескопических систем. Он может использоваться как средство перемещения различных устройств в длинных (практически неограниченной длины) трубопроводах.
Ключевые слова: крупногабаритный трансформируемый рефлектор, телескопические трубчатые спицы, обкатка.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 3, P. 722-728
A MECHANISM FOR TELESCOPIC EXTENSION OF REFLECTOR'S TUBULAR SPOKES AND SHAFTS
D. V. Skokov1, V. I. Khalimanovich2, A. G. Verkhoglyad1, I. A. Nakrokhin1, Yu. V. Chugui1*
technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS
41, Russkaya Str., Novosibirsk, 630058, Russian Federation 2JSC "Information satellite system" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: chugui@tdisie.nsc.ru
A large-size antenna's reflector working at geostationary earth orbit has an approximate diameter of 48 meters while requires development of a special extension mechanism for its telescopic tubular spoke deployment. The most
important requirements are the following: weight less than seven kilograms, power consumption (27*0 3), movement
along the longitudinal axis of the spokes at a distance of more than eight meters and an axial force of at least 2000 N. The results on the development and creation of a new mechanism for link spokes telescopic extension for large-size transforming reflector are presented. The descriptions of extension mechanism as well as the principle of its operation and testing results under industrial conditions at JSC "ISS" are given. The working principle of the special extension mechanism is based on the movement of two disks along curved trajectory inside the tubular surface of stationary part of the spoke. Mechanical catching of moving parts is based matching the pins installed on disks against junctions located on the stationary part on the spoke. TDISIE SB RAS had developed and produced the mechanism for the link spokes telescopic extension of reflector with 48 m in diameter. Such mechanism has been successfully tested at JSC "ISS". Technical characteristics and the tests results of the mechanism for the link spokes telescopic extension of reflector and shafts in the composition of spokes demonstrate that the developed mechanism fully meets all requirements. The developed original mechanism for telescopic extension of reflector' link spokes and shafts is highly reliable, has a good mass-dimensional characteristics (mechanism mass is less than 7 kg). Extension mechanism implements significant efforts (the efforts of 200 kgf) in the axial direction without significant effort in the radial direction and it allows for repeatedly reversing the movement of the links without adjustments and settings. Only single electric motor is used in the design of extension mechanism at all stages of spokes disclosure. The created extension mechanism can be applied to any telescopic systems. It can be used as a means for various devices displacement in long (virtually unlimited length) pipelines.
Keywords: large-size transforming reflector, telescopic tubular spokes, run-in
Введение. Раскрытие крупногабаритных трансформируемых систем (КТС) требует разработки соответствующих высоконадёжных механизмов раскрытия [1-4]. Для раскрытия крупногабаритного трансформируемого рефлектора диаметром 48 м, состоящего из восьми спиц, являющихся несущими и формообразующими элементами, необходим механизм телескопического выдвижения звеньев (далее - механизм выдвижения) для эксплуатации в условиях ГСО. Важнейшими требованиями к механизму выдвижения являются следующие: вес не более семи килограммов, энергопотребление (3) В, передвижение вдоль
продольной оси спицы на расстояние более восьми метров и осевое усилие не менее 2000 Н. Существующие различные варианты механизмов телескопического выдвижения звеньев не удовлетворяют вышеперечисленным требованиям (распространенные механизмы линейного перемещения, такие как шестерня-рейка, передача с ходовым винтом или иные, неприменимы в данном случае ввиду большого веса [5; 6], температурных деформаций элементов передач со значительными линейными габаритами).
В настоящей работе представлены результаты по разработке и созданию нового механизма телескопического выдвижения звеньев спиц для крупногабаритного трансформируемого рефлектора, приведены описание устройства механизма выдвижения, принцип его работы и результаты испытаний в промышленных условиях в АО «ИСС».
Устройство механизма выдвижения. Рассмотрим подробно состав механизма телескопического выдвижения звеньев (рис. 1). Он располагается внутри промежуточного звена 1 и состоит из направляющих кареток 2, водила 3, электромеханического привода 4 и двух сателлитов 5, на каждом из которых имеется по пять профилированных пальцев 6, выполненных из высокопрочной нержавеющей стали [7]. Ответная часть механизма выдвижения представлена алюминиевыми втулками 7 с твердым покрытием, вклеенными в корневое звено 8. Ролики 9, установленные на каретке 2, движутся по направляющим промежуточного звена 1 и служат для формирования прямоли-
нейного движения механизма в плоскости ХУ и XX при его движении. Втулки 7 вклеены в корневое звено 8 вдоль винтовой линии с шагом 120 мм и угловым шагом 60°. Выполнение отверстий с определенным шагом на корпусе звена является более технологичным [8; 9] процессом, чем изготовление длинных ответных частей классических механизмов, таких как винт-гайка или шестерня-рейка.
В промежуточном звене 1 имеются отверстия Б (рис. 2), расположенные также вдоль винтовой линии с шагом 120 мм и угловым шагом 60°. В транспортном положении оси отверстий Б коллинеарны осям втулок 7, вклеенных в корневое звено 8. Кроме того, на промежуточном звене 1 имеется шесть пазов А, необходимых для выхода профилированных пальцев 6 при выдвижении промежуточного звена 1. Сателлиты 5 установлены на водилах 3 шарнирно (на подшипниках) [10; 11] и имеют свободное вращение относительно его осей. Оси водил 3 выполнены с равным эксцентриситетом относительно вала электромеханического привода 4 (оси ОХ спицы) под углом, совпадающим с углом подъема винтовой линии, определяющей положение втулок 7 на корневом звене 8. Одним из преимуществ конструкции является концентрация силовой части на водилах с сателлитами. Расчеты [12-15], в том числе и с применением методов конечных элементов [16], показали, что водила могут быть изготовлены из титановых сплавов [17; 18], а корпусные части не испытывают значительных нагрузок и могут быть выполнены из алюминиевых сплавов, что позволяет максимально снизить вес механизма.
Принцип работы механизма выдвижения. Рассмотрим работу данного механизма. При включении электромеханического привода 4, водило 3, установленное на его валу, начинает совершать вращательное движение, вращая при этом сателлиты 5 (рис. 1). Сателлиты 5, попадая пальцами 6 во втулки 7, совершают обкатку по винтовой линии относительно корневого звена 8, передавая механизму выдвижения прямолинейное движение вдоль оси ОХ спицы [15]. При этом пальцы 6 проходят сквозь отверстия Б на промежуточном звене 1. Взаимодействие механизма
выдвижения с элементами спицы показано на рис. 3. Таким образом, происходит выдвижение основания концевых звеньев спиц 10 из транспортного (рис. 4, а) в рабочее положение (рис. 4, б), где срабатывают механизмы фиксации. После этого механизм выдвижения совершает реверсивное движение до механического упора и механизма фиксации, расположенных в начале промежуточного звена 1, где происходит сцепка механизма выдвижения с промежуточным звеном 1. Далее механизм вновь движется в положительном направлении оси ОХ спицы. Движение происходит до фиксации промежуточного звена 1 в рабочем положении (рис. 4, б). Внешний вид механизма телескопического выдвижения звеньев спицы рефлектора и штанг показан на рис. 5.
Результаты производственных испытаний. Испытания проводились на территории АО «ИСС»
в вакуумной температурной камере ГВУ-600 с пониженным давлением 6-10 6 Па и температурой от -135 до +135 °С.
Нагрузки на механизм выдвижения создавались с помощью трособлочной системы, которая устанавливалась на полу выдвижной платформы камеры ГВУ-600.
Технические характеристики и результаты проведённых испытаний механизма телескопического выдвижения спиц рефлектора и штанг в составе спиц (рис. 6) указаны в таблице.
Приведенные в таблице значения характеристик демонстрируют, что разработанный механизм телескопического выдвижения звеньев спицы рефлектора и штанг полностью удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям.
Рис. 1. Механизм телескопического выдвижения звеньев спицы рефлектора и штанг: 1 - звено промежуточное; 2 - каретки; 3 - водило; 4 - привод; 5 - сателлит; 6 - палец; 7 - втулка; 8 - звено корневое; 9 - ролик; 10 - основание
Рис. 2. Общий вид промежуточного звена
Механизм Выдвижения
Рис. 3. Взаимодействие механизма выдвижения со звеньями телескопической спицы
гат
а
Рис. 4. Спица в транспортном (а) и рабочем (б) положениях: 1 - корневое звено; 2 - промежуточное звено; 3 - концевое звено А; 4 - концевое звено Б; 5 - шнур
Рис. 5. Внешний вид механизма телескопического выдвижения звеньев спицы рефлектора и штанг
Рис. 6. Внешний вид спицы телескопической
Технические характеристики и результаты проведённых испытаний механизма телескопического выдвижения спиц рефлектора и штанг
Характеристики Значения
Эксцентриситет водил 27 мм
Угол наклона сателлитов в плоскости эксцентриситета 7°4'
Угол смещения фаз сателлитов 150°
Масса 7 кг
Максимальное осевое усилие не менее 200 кг
Скорость перемещения от 0,1 до 0,3 мм/с
Максимальная потребляемая мощность не более 20 Вт
Шаг винтовой линии установки втулок 120 мм
Угловой шаг установки втулок 60°
Рабочая температура от -135 до + 135 °С
Давление окружающей среды от 10-10 4 до 6-10 -6 Па
Радиационное воздействие до дозы 6,0-10 рад
Вид излучения электроны
Средняя энергия 4 МэВ
Средняя плотность потока электронов 4,5-10 1/см-с
Заключение.
1. Разработанный оригинальный механизм телескопического выдвижения звеньев спицы рефлектора и штанг является высоконадёжным и имеет ряд особенностей и функциональных возможностей:
- хорошие массогабаритные показатели (измеренная масса изготовленного механизма составила менее 7 кг [19]);
- возможность реверсного движения конструкции механизма при выдвижении промежуточного звена;
- механизм выдвижения реализует значительные усилия (при испытаниях фиксировались усилия 200 кгс) в осевом направлении без создания значительных усилий в радиальном направлении, что снижает требования к корпусным деталям спицы;
- конструкция механизма выдвижения позволяет менять длины корневого, промежуточного и концевых звеньев практически в неограниченных пределах без изменения параметров (размеры, конструкция, вес) самого механизма выдвижения;
- разработанный механизм выдвижения допускает многократно реверсивное движение звеньев без регулировок и настроек;
- в конструкции механизма выдвижения на всех этапах раскрытия спицы используется один электрический двигатель.
2. Созданный механизм выдвижения может быть применён для любых телескопических систем.
3. Он может использоваться как средство перемещения различных устройств в длинных (практически неограниченной длины) трубопроводах.
4. При доработке конструкции механизма выдвижения имеется возможность увеличения количества звеньев телескопических устройств, выдвигаемых механизмом.
Механизм выдвижения был разработан, изготовлен в количестве 9 штук в КТИ НП СО РАН. В 2015 году
он успешно прошел испытания в составе рефлектора диаметром 48 м на территории АО «ИСС».
Библиографические ссылки
1. Возможный путь обеспечения надёжности приводных устройств крупногабаритных трансформируемых антенн космических аппаратов / В. В. Двир-ный [и др.] // Решетнёвские чтения : материалы XV Междунар. науч.-практ. конф. В 2 ч. Ч. 1 / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2011. С. 58-59.
2. Краевский П. А., Шевцов Е. А., Давлетбаев Э. А. Механизм раскрытия главного зеркала космической обсерватории «Миллиметрон» // Решетнёвские чтения : материалы XIV Междунар. науч.-практ. конф. В 2 ч. Ч. 1 / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2010. С. 63-64.
3. Черепанов Д. А., Порпылев В. Г. Проблемы обеспечения надёжности приводов раскрытия // Ре-шетнёвские чтения : материалы XIII Междунар. науч.-практ. конф. В 2 ч. Ч. 1 / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2009. С. 89-90.
4. Обоснование проектно-конструкторских решений планетарных передач для приводов раскрытия крупногабаритных устройств с большими инерционными массами / А. В. Леканов [и др.] // Решетнёвские чтения : материалы XIV Междунар. науч.-практ. конф. В 2 ч. Ч. 1 / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2010. С. 69-70.
5. Иванов М. Н. Детали машин. 3-е изд., доп. и пе-рераб. М. : Высш. шк., 1976. 399 с.
6. Орлов П. И. Основы конструирования. В 2 кн. Кн. 1. М. : Машиностроение, 1988. 544 с.
7. Сорокин В. Г. Стали и сплавы. Марочник. М. : Интермет Инжиниринг, 2011. 608 с.
8. Косилова А. Г. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т. 1. М. : Машиностроение, 1986. 656 с.
9. Косилова А. Г. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2. М. : Машиностроение, 1985. 496 с.
10. Зенкин А. С. Допуски и посадки в машиностроении. Справочник. К. : Техника, 1990. 210 с.
11. Черменский О. Н. Подшипники качения : справочник-каталог. М. : Машиностроение, 2003. 576 с.
12. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. Т. 1. М. : Машиностроение, 2001. 864 с.
13. Орлов П. И. Основы конструирования. В 2 кн. Кн. 2. М. : Машиностроение, 1988. 574 с.
14. Серенсен С. В. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М. : Машиностроение, 1975. 500 с.
15. Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики. М. : Государственное изд-во физ.-мат. лит., 1961. 400 с.
16. Фролов К. В. Машиностроение : энциклопедия. В 40 т. Т. I-3. Кн. 1. Динамика и прочность машин. Теория механизмов и машин. М. : Машиностроение, 1994. 534 с.
17. Ильин А. А. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства : справочник. М. : ВИЛС-МАТИ, 2009. 520 с.
18. Маленков М. И. Конструкционные и смазочные материалы космических механизмов / Министерство образования и науки Российской Федерации. СПб. : Балтийский государственный технический университет «Военмех», 2007. 54 с.
19. Фролов К. В. Машиностроение : энциклопедия. В 40 т. Т. III-7. Измерения, контроль, испытания и диагностика. М. : Машиностроение, 1996. 464 с.
References
1. Dvirnyi V. V., Boldina I. V., Dvirnyi G. V. ete. [A possible way for secure reliability of drive device large-size transformable construction antennas of spacecraft]. Materialy XV Mezhd. nauchno-prakt. Konferentsii "Reshetnevskie chteniya" [Proc. of XV International scientific and practical conference "Reshetnev readings"]. In 2 parts. Krasnoyarsk, SibSAU, 2011, Part 1, P. 58-59 (In Russ.).
2. Kraevsky P. A., Shevtsov E. A., Davletbaev E. A. [Precision deployable mechanism of the main mirror of "Millimetron" space observatory]. Materialy XIV Mezhd. nauchno-prakt. Konferentsii "Reshetnevskie chteniya". [Proc. of XIV International scientific and practical conference "Reshetnev readings"]. In 2 parts. Krasnoyarsk, SibSAU, 2010, Part 1, P. 63-64 (In Russ.).
3. Cherepanov D. A., Porpilev V. G. [Issue of actuator reliability assurance deployment]. Materialy XIII Mezhd. nauchno-prakt. Konferentsii "Reshetnevskie chteniya" [Proc. of XIV International scientific and practical conference "Reshetnev readings"]. In 2 parts. Krasnoyarsk, SibSAU, 2009, Part 1, P. 89-90 (In Russ.).
4. Lekanov A. V., Porpilev V. G., Cherepanov D. A. etc. [Substation of design decisions of planetary drivers of disclosing of large-sized devices with the big inertial
weights]. Materialy XIV Mezhd. nauchno-prakt. Konferentsii "Reshetnevskie chteniya" [Proc. of XIV International scientific and practical conference "Reshetnev readings"]. In 2 parts. Krasnoyarsk, SibSAU,
2010, Part 1, P. 69-70 (In Russ.).
5. Ivanov M. N. Detali mashin [Articles of mechanisms]. 3-rd edition, Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1976, 399 p. (In Russ.).
6. Orlov P. I. Osnovy konstruirovania [Principles of engineering]. Vol. 1. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1988, 544 p.
7. Sorokin V. G. Stali i splavy. Marochnik [Steels and alloys. Handbook]. Moscow, Intermet Ingeniring Publ.,
2011, 608 p.
8. Kosilova A. G. Spravochnik tekhnologa-mashino-stroitelya [Handbook of technologist-mechanician]. Vol. 1. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1986, 656 p.
9. Kosilova A. G. Spravochnik tekhnologa-mashino-stroitelya [Handbook of technologist-mechanician]. Vol. 2. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1985, 496 p.
10. Zenkin A. S. Dopyski i posadki v mashinostroenii, Spravochnik [Adjustments and allowances in mechanical engineering. Handbook]. Kiev, Tehnika Publ., 1990, 210 p.
11. Chermenskiy O. N. Podshipniki kacheniya. Spravochnik-katalog [Rolling bearings. Handbook]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2003, 576 p.
12. Anuriev V. I. Spravochnik konstruktora-mashino-stroitelya [Handbook of mechanical engineering]. Vol. 1. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2001, 864 p.
13. Orlov P. I. Osnovy konstruirovania [Principles of engineering]. Vol. 2. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1988, 574 p.
14. Serensen S. V. Nesyshaya sposobnost' i raschet detaley mashin na prochnost' [Bearing ability and calculation of durability of machines articles]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1975, 500 p.
15. Targ S. M. Kratkiy kyrs teoriticheskoy mekhaniki [Brief course of theoretical mechanics]. Moscow, Gosydarstvennoe izdatel'stvo fiziko-matematicheskoy literatyri Publ., 1961, 400 p.
16. Frolov K. V. Mashinostroenie. Enciklopediya v 40 t. Dinamika i prochnost' mashin. Teoriya mekhanizmov i mashin [Mechanical engineering. Encyclopedia in 40 vol. Dynamics and durability of machines. Theory of mechanisms and machines]. Vol. 1. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1994, 534 p.
17. Il'in A. A. Titanovye splavy. Sostav, stryktyra, svoystva. Spravochnik [Titanic alloys. Composition, structure, properties. Handbook]. Moscow, VILS-MATI Publ., 2009, 520 p.
18. Malenkov M. I. Konstrukcionnye i smazochnye materialy kosmicheskih mekhanizmov: ychebnoe posobie [Constructional and lubricant materials of space mechanisms]. St. Peterburg, Voenmeh Publ., 2007, 54 p.
19. Frolov K. V. Mashinostroenie. Enciklopediya v 40 t. T. III-7. Izmereniya, kontrol', ispytaniya, i diagnostika [Mechanical engineering. Encyclopedia in 40 vol. Measurements, inspection, testing and diagnostics]. Vol. III-7, Moscow, Mashinostroenie Publ., 1996, 464 p.
© Скоков Д. В., Халиманович В. И., Верхогляд А. Г., Накрохин И. А., Чугуй Ю. В., 2016
