CC BY
11
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, Kozlovskiy-76@mail.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Vasin Sergey Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, vasin_sa53@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Antonova Natalya Alekseevna, applicant for the degree of candidate of technical sciences, Kozlovskiy-76@mail.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University
УДК 621.787
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-262-269
МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ СБОРКИ ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫХ ОПОР ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ
Е.Л. Лебедев, А.О. Репин, Л.Е. Богатов
Уменьшение массогабаритных характеристик космических аппаратов (КА), существенно снижает эффективность существующих средств и способов, контроля качества сборки шарикоподшипниковых узлов, используемых в качестве опор ротора высокооборотистых силовых гироскопов, работающих в условиях высокого и сверхвысокого вакуума. В связи с этим возникает необходимость поиска способов и подходов позволяющий с высокой точностью осуществлять регулировку и контроль стабильности устанавливаемых величин на протяжении всего технологического процесса сборки. В данной статье рассмотрен способ трибомониторинга регулировки осевого и радиального зазоров шарикоподшипниковых ШП опор, применяемых в приборах космической промышленности, с помощью совместного использования акустиско эмиссионного (АЭ) и резонансного методов.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, шарикоподшипник, ресурс, сборка, силовой гироскоп.
Космические системы, создаваемые на технологиях МКА, зачастую имеют более высокие тактико-технические характеристики и оказываются существенно дешевле и проще в эксплуатации, нежели крупногабаритные космические аппараты.
Многообразие задач, решаемых МКА существенно зависит от их маневренности, достигаемой за счет выбора инерциальных исполнительных органов систем ориентации и стабилизации движения.
Наиболее эффективным и надежным решением, позволяющим оперативно изменять траекторию полета МКА является использование в качестве двигательной установкой высоко оборотистых силовых гироскопических комплексов (гиродинов) (СГК), представляющих собой электромеханические устройства с быстро вращающимися на шарикоподшипниковых опорах роторами (> 30000 об/мин), работающих в условиях высокого и сверхвысокого вакуума [1,2,3]. Особенностью конструкции высоко оборотистых СГК, является то, что ротор электродвигателя данных двигателей совмещен с инерционным маховиком.
Несмотря на преимущества данных двигательных установок по сравнению с двигателями маховиками и стабилизаторами на реактивной тяге, данные двигатели обладают некоторыми существенными недостатками. Основной причиной недостатков является вакуумная среда внутри корпуса гиродина, создаваемая с целью уменьшения сопротивления воздуха, вращающемуся под действием электродвигательной установки ротора. В условиях вакуума процесс восстановления окисных пленок, разрушенных и удаленных с поверхности трущихся деталей в результате фрикционного взаимодействия, затруднен из-за низкого окислительного потенциала разряженной среды, в связи с этим повышается адгезия веществ и между поверхностями трения могут возникать явления заедания и даже «холодная» сварка деталей в точках контакта. Этому способствует также повышение температуры в зоне контакта из-за ухудшения условий охлаждения.
Повышение температуры, а также перепад температур приводит к изменению зазоров в кинематических звеньях, и изменению состояния смазки в подшипниковых узлах, что отрицательно влияет на работоспособность и точность гиродина [4,5]. Немаловажным является то, что для сохранения высокого кинетического момента при заданных габаритах необходимо существенно увеличить скорость вращения ротора, что существенно снижает ресурс данных инерционных двигателей [6].
В связи с этим к механическим узлам высокооборотистых гиродинов, работающих в условиях высокого и сверхвысокого вакуума, предъявляют жесткие требования по выбору конструкционных материалов, ювенильности обработки поверхностей сопрягаемых деталей, а также прецизионной точности сборки и регулировки, что в значительной степени определяет уровень вибрации, величину и стабильность моментов трения, точность, надежность, долговечность и эффективность двигательной установки.
Теоретическая часть. Из всех деталей гиродинов наиболее нагруженными и требовательными к регулировке являются шарикоподшипники (ШП), используемые в опорах вращающегося ротора. Связано это с тем, что детали шарикоподшипника воспринимают на себе радиальные и осевые нагрузки от вращающегося ротора, а также из-за воздействия негативных факторов вакуумной среды и увеличенного износа из-за повышенных скоростей вращения сопрягаемых поверхностей трения качения.
Для приборов, эксплуатирующих в космическом пространстве точность регулировки подшипниковых зазоров существенна, так как по сравнению с изделиями, эксплуатируемыми на земле, ошибки и неточности для второй категории возможно устранить во время эксплуатации, в то время как регулировка зазоров первой категории происходит единожды и должна сохраняться на всем протяжении срока активного существования изделия, независимо от негативного воздействия внешних факторов.
Уменьшение зазоров между парами трения качения приводит к увеличению момента трения подшипников и быстрому их износу, так как в результате защемления шариков возможен разрыв смазывающей пленки, а в результате одноосного вращения шариков — неравномерный и быстрый износ по кольцу.
Увеличение зазоров сверх оптимальной величины также повышает момент трения и увеличивает износ, так как уменьшается число одновременно работающих шариков и соответственно увеличивается нагрузка на каждый из них и, кроме того, возможно нарушение соосности деталей и возникновение неопределенности относительного положения деталей в осевом направлении, что создает трудности при динамической балансировке деталей [7,6,8].
Кроме того, следует учитывать, что оптимально подобранные зазоры необходимы для устранения верчения шариков, из-за возникающего в результате вращения гироскопического момента, связанного с изменением направления оси вращения шариков в пространстве, возникновение которого негативно сказывается на ресурсе подшипника [9].
Регулировка зазоров производится за счет относительного смещения наружного и внутреннего колец подшипников в осевом направлении (осевой зазор), и подбора шайб (прокладок) между подшипниковым щитом и наружным кольцом шарикоподшипника. Тем самым достигается допустимая величина осевой нагрузки и оптимальный выбор радиального зазора. Так как между радиальным и осевым зазором существует прямая зависимость, за счет изменения осевого зазора регулируется и радиальный:
Д8=2Л/(2г-ёш)е, (2)
где Д8 — осевой зазор, мм; г — радиус желоба, мм; — диаметр шарика, мм; е — радиальный зазор, мм.
Критерием, позволяющим оценить оптимальность выбора осевого и радиального зазора ШП является величина мертвого хода, статического момента, радиального или бокового смещения, а также изменение выбега ротора гиромотора при проведении испытаний. Снижение мас-согабаритных характеристик МКА, значительно снижает точность данных критериев. Оценка регулировки подшипникового узла основана на применении средств измерений геометрических величин, а с уменьшением форм-фактора доступ к измеряемых поверхностям и деталям затрудняется, тем самым делая данные способы менее эффективными. Кроме того, уменьшение мас-согабаритных характеристик деталей, существенно снижает для восприятия человеческими органами чувств проявление контролируемых диагностических признаков, таких как вибрация, шум, ударные импульсы и.т.д. [10,11,12].
Анализ современных способов и методов контроля в области диагностики и мониторинга подшипников качения показал, что наибольшей достоверностью мониторинга трибологи-ческих процессов обладает метод акустической эмиссии АЭ. [13,14,15,16,17,18,19,20,21] Однако применение данного метода для диагностики и мониторинга изделий при динамическом режиме ограниченно, по причине интерференции звуковых волн от различных физических процессов вращающихся деталей. Каждая из деталей гиродина является источником дополнительного шума, что значительно уменьшает эффективность данного метода т.к. распознавание сигналов от вращающегося подшипника в общей массе сигналов затруднительно. (Рис. 1) В связи с этим возникает необходимость поиска способов и методов, позволяющих с высокой вероятностью проводить АЭ контроль пар трения качения подшипников, не зависимо от посторонних источников звуковых сигналов.
юс- ---- -4
»О--——.—:::-:—......■ ;.....-у -;-[• -г- ^ .. ---
----;----1 .. ; .:. . ;.. .Ц ■■ - —!-----¡- 1" .
.-'- •..-- •-----
45 50 55 Г. кГц п Г, сек
Лрм
90 95 100
ОЫ СоупГ 11734
Рис. 1. Измерение акустико эмиссионных сигналов при включенном электродвигателе
(вращающении ротора) СГК
Альтернативными источником возбуждения акустических сигналов для проведения АЭ контроля может послужить ультразвуковой возбуждающий импульс от внешнего источника, энергетические параметры которого способны сгенерировать соударение шариков о контактирующие поверхности внутреннего и наружного кольца шарикоподшипника.
Согласно закону сохранения энергии сумма прошедшей Епрош и отраженной Еотр энергии равна энергии падающей звуковой волны Епад (энергия от внешнего источника ультразвуковых волн). Следовательно если подать на вал гиродина мощный ультразвуковой импульс, при котором Епрош, после порождения границы раздела двух сред, будет способна изменить собственные колебания. Из чего следует, что шарики подшипника в зависимости от величины радиального зазора, или перекосе колец, будут ударяться о кольца с различной мощностью. Следовательно, параметры АЭ сигналов, возникающих в результате удара в материале подшипникового щита после прохождения границы раздела двух сред наружное кольцо шарикоподшипника-под-шипниковый щит, будут отличаться.
Экспериментальная часть. С целью проверки теоретических предположений был проведен эксперимент по возможности определения с помощью метода АЭ перекос колец подшипника и оптимальности выбора радиального зазора между ШП. С этой целью, была изготовлена модель шарикоподшипниковой опоры гиродина. (Рис.2) В корпусе модели установлен шариковый радиальный подшипник 201 (6201), из стали ШХ15, с размерами 12*32*10 мм. Крепление подшипникового щита к корпусу ШП осуществлялось с помощью болтовых соединений М6х1,25, с моментом затяжки 7.1 Нм. [22] По наружной поверхности модели ШП узла были установлены пьезоэлектрические преобразователи АЭ сигналов ДР 15И (ПАЭ) от АЭ системы
264
«Малахит АС- 12А». При проведении эксперимента на вал модели ШП узла гиродина, с помощью груза массой тх = 3.....5 кг прикладывали осевую нагрузку, тем самым происходит изменение величины осевого и радиального зазора между сопряженными деталями шарикоподшипника. С другой стороны вала, через отверстие в щитке подшипникового узла, посредством генератора ультразвуковых волн подавались импульсы, с частотой Е = 2,5МГц, В связи с тем, что между моментом затяжки болтовых соединений подшипникового щитка и давлением, создаваемым на поверхности наружного кольца шарикоподшипника, существует прямая зависимость, то коррекцию распределения осевой нагрузки осуществляли с помощью изменения момента затяжки болтовых соединений (3):
р=-М- (3)
ёрезк
где М — Момент затяжки болтовых соединений, Нм; ёрез — Наружный диаметр резьбы, мм; —
- Коэффициент трения в зависимости от смазки (от 0,13 до 0,37) мм.
В процессе эксперимента системой «Малахит 12А» производилась непрерывная запись изменения энергии акустических сигналов, от четырех ПАЭ в зависимости от величины прикладываемой нагрузки на вал модели ШП узла. В результате чего были получены числовые данные, зависимости энергии импульса акустического сигнала от времени, обработанные АЭ системой и представленные в графическом виде. (Рис.3.)
Рис. 2. Экспериментальной установка: 1 - преобразователь АЭ сигнала ДР15И; 2 - концентратор ультразвуковых возбуждающих колебаний; 3 - макет подшипникового узла, с устройством регулирования осевых и радиальных усилий подшипника;
4 - гиря массой т=3.....5 кг
Signals
16000-
Э 14000'
(о 12000-§
iS 100003
40 50 60 70 ео 90 100 110
Время регистрации сигнала (сек) длсоилзм»
Рис. 3. Изменение АЭ сигналов при выключенном электродвигателе и различных значениях осевого усилия. 265
На графике (Рис.3.) видно, что значение энергии импульса, увеличивается при увеличении нагрузки, вместе с тем график разделяется на три независимые значительно отличающихся друг от друга зависимости, а при уменьшении нагрузки показания выравниваются, и появляется четвертая зависимость. Из теоретического предположения следует, что при прохождении шариком одинакового расстояния величина акустического импульса на четырех ПАЭ должна быть одинаковой т.е. графическое отображение показаний актов АЭ на экране монитора от четырех ПАЭ должна совпадать или иметь небольшое отличие. Разделение сигнала на три составляющих может свидетельствовать о том, что шарики подшипника проходят различное расстояние между кольцами подшипника, тем самым создают удар различной мощности, что может происходить в случае перекоса колец подшипника.
Рис. 4. Измерение базирования колец шарикоподшипника голографическим
дальномером «ДГ-30»
При повторении измерений и попытке корректировки распределения нагрузки с помощью изменения момента затяжки болтовых соединений были получены аналогичные результаты.
После чего на модели ШП узла удалили подшипниковый щит и с помощью голографи-ческого длинномера ДГ-30, с точность измерений 0,1 мкм произвели измерение положения наружного кольца шарикоподшипника в посадочном отверстии. (Рис.4) Согласно проведенных измерений было установлено, что наружное кольцо подшипника установлено с перекосом, который составляет относительно кромки посадки подшипникового щита от 0,14 до 0,31 мкм.
После уменьшения перекоса до величины 0.14 мкм по всей длине окружности наружного кольца шарикоподшипника, установили подшипниковый щиток и эксперимент провели повторно. Результаты эксперимента представлены на (Рис .5).
На графике (Рис .3) видно, что после выравнивания наружного кольца шарикоподшипника в посадочном отверстии корпуса, значения параметров энергетического импульса АЭ сигналов на четырех ПАЭ значительно снизилась. Не зависимо от создаваемой нагрузки график представляет собой четыре независимых функциональных зависимости, что позволяет судить о том, что до устранения перекоса колец подшипника шарики, расположенные в непосредственной близости от ПАЭ №4 находились в неподвижном состоянии т.е. были зажаты между колец подшипника и не соударялись о стенки колец. Результаты последнего измерения повторились при проведении семи измерений.
г
Безус тия р=з4 Р=5*г Без ус илия
■
■ ■ -3 я":
" К £ 'г
- • * *
■
Ю 3 3 1 40 50 № 7 80 90 1 0 1
склся*г
Время регистрации сигнале (сек)
Рис. 5. Изменение АЭ сигналов при выключенном электродвигателе и различных значениях осевого усилия, после изменения положения подшипника в модели корпуса ШП опоры
гиродина
266
Стоит отметить, что свободный выбег ротора модели ШП опоры гиродина, при её раскручивании, не изменился до и после устранения перекоса, что свидетельствует о низкой достоверности используемых способов проверки качества сборки ШП опор СГ.
Заключение. Результаты проведенного эксперимента позволяет сделать вывод, что контроль сборки ШП опор с использованием внешнего источника ультразвуковых колебаний в качестве возмущающего воздействия на детали подшипника, позволяет существенно увеличить достоверность АЭ метода контроля и повысить качество сборки инерционных двигательных установок.
Список литературы
1. Малые космические аппараты: научно-практический журнал // Известия высших учебных заведений. Приборостроение; Издатель государственное образовательное учреждение высшего профессионального «Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики». Санкт -Петербург, 2009.Т. 52. №4.
2. Платонов В.Н., Сумароков А.В. Обеспечение точностных характеристик стабилизации перспективного космического аппарата для дистанционного зондирования земли // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. Москва: Российская Академия Наук 2018. №4. С. 177 - 188.
3. Яковец О.Б., Акашев Д.И. Перспективный силовой гироскопический комплекс для высокоманевренных космических аппаратов // Ракетно-космическая техника. 2013. Т. 1. № 1(2). С. 16.
4. Ашейчик А.А. Трение и изнашивание в вакууме. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2017. 210 с.
5. Нусинов Н.Д. Влияние космического вакуума на материалы и устройства научной аппаратуры // Машиностроение. М., 1987. 48 с.
6. Соломянский Г.А., Агапов А.В., Родионов Е.М., Румянцев С.И., Тимофеева А.Д. Детали и узлы гироскопических приборов. М.: Машиностроение, 1975. 364 с.
7. Нахатакян Ф.Г. Влияние зазора в роликовых подшипниках на силовой контакт между его элементами // Труды МАИ. 2020. № 115. С. 4.
8. ГОСТ 24810 - 2013 Подшипники качения. Внутренние зазоры: издание официальное: Утвержден приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 8 октября 2013 г. №1132-ст.: взамен ГОСТ 24840-81: дата введения 2015-01-01 / подготовлен обществом с ограниченной ответственностью «Инжиниринговый центр ЕПК» (ооо «ИЦ ЕПК»). Москва: Стандартинформ, 2014. 20 с.
9. Гаркунов Д.Н., Корник П.И. Виды трения и износа эксплуатационные повреждения деталей машин // МСХА. М, 2003. С. 344.
10. Источники колебаний в подшипнике // Все о транспорте газа. [Электронный ре-сурсс] URL: https://www.turbinist.ru/34263-istochniki-vibracii-pri-rabote-v-podshipnike.html (дата обращения: 10.05.2022).
11. Шепелев Н.И. Сборка, регулировка и испытание гироскопических приборов. М.: Машиностроение, 1977. 192 с.
12.ГОСТ 18855 - 2013. Подшипники качения. Динамическая грузоподъемность и номинальный ресурс = Rolling bearings. dynamic load rating and rating life: издание официальное: Утвержден приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 8 ноября 2013 г. №1382-ст.: взамен ГОСТ 18855-94: дата введения 2015-01-01 / подготовлен обществом с ограниченной ответственностью «Инжиниринговый центр ЕПК» (ооо «ИЦ ЕПК»). М.: Стандартинформ, 2015. 56 с.
13. Батищева О.М., Папшев В.А., Родимов Г.А. Технологическое обеспечение надежности и качества сборки машин // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». 2015. Т. 1. С. 28-29.
14. Мазнев А.С., Федоров Д.В. Тенденции развития систем акустико-эмиссионной диагностики подшипниковых узлов локомотивов // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2007. № 1(10). С. 69-78.
15. Маленко П.И. Исследование методом акустической эмиссии поверхностей трения в условиях смазывания // Конденсированные среды и межфазные границы. 2011. Т. 13. № 2. С. 164-171.
16. Методы акустического контроля металлов / Н.П. Алешин, В.Е. Белый, А.Х. Вопил-кин и др. М.: Машиностроение, 1989. 456 с.
17. Родимов Г.А., Батищева О.М., Папшев В.А. Повышение качества сборки агрегатов машин на подшипниках качения // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Самара. 2015. Т. 17, №2 (4). С. 886-889.
18. Шемякин В.В. Применение метода акустической эмиссии для диагностики промышленного оборудования // Экспозиция Нефть Газ - Набережные Челны: Общество с ограниченной ответственностью «Экспозиция Нефть Газ», 2008. №2. С. 62 - 64.
19. Filip Hort, Pavel Mazal, Frantisek Vlasic. Monitoring of Acoustic Emission Signal of Loaded Axial Bearings // Journal of Materials Science and Engineering. 2011. P. 717 - 724.
20. Morhain A., Mba D. Bearing defect diagnosis and acoustic emission // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J, Journal of Engineering Tribology. Vol. 217. No. 4. P. 275272.
21. Vital Rao V., Ratnam Ch., Meher T., Krishna B.S.N Murthy Study of fault in outer race of Roller Bearings using Acoustic emission and Vibration analysis // International Journal of Engineering Science Invention. P. 62 - 66.
22. РД 37.001.131-89. Затяжка резьбовых соединений нормы затяжки и технические требования = Tightening of threaded connections tightening standards and technical requirements: национальный стандарт Российской Федерации: издание официальное: утвержден и введен в действие начальником научно-технического отдела Минавтосельхозмаша 12 декабря 1989 г. / Конструкторско-технологическим институтом холодновысадочного и пружинного производства (КТИавтометиз). Бор 1989, 23.
Лебедев Евгений Леонидович, д-р техн. наук, профессор, начальник кафедры, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Репин Алексей Олегович, адъюнкт, vka-kaf11-_8@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Богатов Леонид Евгеньевич, курсант, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
METHODS OF ASSEMBLY CONTROL OF BALL BEARING SUPPORTS OF INERTIAL PROPULSION SYSTEMS OF SMALL SPACECRAFT
E.L. Lebedev, A.O. Repin, L.E. Bogatov
Reducing the mass and dimensional characteristics of spacecraft (spacecraft) significantly reduces the effectiveness of existing means and methods for quality control of assembly of ball bearing assemblies used as rotor supports of high-speed power gyroscopes operating in high and ultra-high vacuum conditions. In this regard, there is a need to search for methods and approaches that allow for high accuracy adjustment and control of the stability of the set values throughout the entire assembly process. This article discusses a method for tribomonitoring the adjustment of axial and radial clearances of ball bearing ball bearings used in space industry devices using the combined use of acoustic emission (AE) and resonance methods.
Key words: Acoustic emission, ball bearing, resource, assembly, power gyroscope.
Lebedev Evgeny Leonidovich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Repin Aleksey Olegovich, adjunct, vka-kaf11-_8@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Bogatov Leonid Evgenievich, military student, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
