МОДЕРНИЗАЦИЯ ТИПОВОГО ПРИВОДА ОРИЕНТАЦИИ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КА. ЧАСТЬ 1. МЕХАНИЗМ ОРИЕНТАЦИИ ПО КРЕНУ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МОДЕРНИЗАЦИЯ ТИПОВОГО ПРИВОДА ОРИЕНТАЦИИ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КА. ЧАСТЬ 1. МЕХАНИЗМ ОРИЕНТАЦИИ ПО КРЕНУ

1 2 3 4 ©

Кириловский В.В. , Лизунов А.А. , Ильин Д.В. , Тютюнник Н.Н.

1К.т.н., доцент, кафедра «Основы конструирования машин», Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана; 2к.т.н., доцент, начальник отдела, АО «ВПК «НПО машиностроения», Московская обл., г. Реутов; 3,4студент, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана.

Аннотация

Типовой привод предназначен для ориентации солнечных батарей относительно двух взаимно перпендикулярных осей - по крену и тангажу и, соответственно, состоит из двух независимых механизмов. Механизм ориентации по крену характеризуется следующими недостатками. В планетарном мотор-редукторе конструкция водил предполагает консольное расположение сателлитов. Подшипниковые опоры приводного вала по крену не гарантируют их работоспособность при больших колебаниях рабочей температуры, а кроме того, не фиксируют в осевом направлении и сам вал, и установленные на нем солнечные батареи. В механизме ориентации по крену модернизации подверглись мотор-редуктор и опоры приводного вала. Целью модернизации явилось устранение недостатков, имеющихся в типовом приводе.

Ключевые слова: привод ориентации солнечных батарей, ориентация по крену, ориентация по тангажу, подшипниковые опоры.

Keywords: the drive for orientation of the solar panels, orientation roll, orientation pitch, bearing supports.

Типовой привод ориентации солнечных батарей [1] состоит из двух независимых механизмов (рис 1) и, соответственно, предназначен для позиционирования солнечных батарей относительно двух взаимно перпендикулярных осей - по крену и тангажу.

Привод по крену включает в себя мотор-редуктор 1, передающий вращение через муфту 2 приводному валу по крену 3.

Приводной вал 3 установлен в подшипниковых опорах, которые располагаются в двух индивидуальных корпусах на внешней поверхности космического аппарата (КА).

В состав привода по тангажу входит мотор-редуктор 8, соединенный через муфту 6 с приводным валом по тангажу 5, который образует с приводным валом по крену единую Т-образную конструкцию. На мотор-редукторе 8 закреплена гильза 4, внутри которой расположены подшипниковые опоры приводного вала по тангажу 5. На гильзе 4 смонтирована рама 9 с панелями солнечных батарей 10.

На рис. 1 панели солнечных батарей показаны только со стороны одного из бортов КА и изображены опущенными вертикально вниз.

Ориентация по крену осуществляется при подаче питания на мотор-редуктор 1. При этом приводной вал 3, поворачиваясь вокруг своей оси, поднимает солнечные батареи до рабочего положения. Возможные колебания панелей в рабочем положении устраняет фрикционный тормоз 7.

Для выявления недостатков механизма ориентации по крену рассмотрим конструкцию мотор-редуктора 1 и приводного вала 3.

© Кириловский В.В., Лизунов А.А., Ильин Д.В., Тютюнник Н.Н., 2017 г.

Рис.1. Типовой привод ориентации солнечных батарей:

1 - мотор-редуктор; 2 - муфта; 3 - приводной вал ориентации по крену; 4 - гильза; 5 -приводной вал ориентации по тангажу; 6 - муфта; 7 - фрик-ционный тормоз; 8 - мотор-редуктор; 9 - рама; 10 - панели солнечных батарей

Мотор-редуктор представляет собой двухступенчатый планетарный редуктор, выполненный в общем корпусе 1 (рис. 2, а) с шаговым электродвигателем 2. На водилах 3 (рис. 2, б) обеих ступеней (и первой 4, и второй 5) оси 6 сателлитов 7 установлены консольно. Под действием сил в зацеплении возможны относительно большие упругие деформации консольно установленных осей 6. Это в сочетании с малым модулем зацепления, т=0,4 мм, может привести к неблагоприятным условиям работы зубьев и, даже, к их поломке или выходу из зацепления с возможным «прощелкиванием».

Рис. 2. Мотор-редуктор механизма ориентации по крену:

а) блок схема конструкции мотор-редуктора;

б) - существующая конструкция водил;

в) - предлагаемая конструкция водил

Указанные недостатки устранены в предлагаемой конструкции водил 8 (рис. 2, в), в которых применена двухопорная установка осей 9 сателлитов 10.

А теперь рассмотрим недостатки приводного вала по крену, обращая внимание, главным образом, на конструкцию подшипниковых опор и, в частности, на то, выполняют ли опоры две основные функции, для которых они, собственно, и спроектированы, - осевую фиксацию вала и обеспечение вращение колец подшипников на всем диапазоне заданных условий эксплуатации.

К недостаткам механизма ориентации по крену следует отнести следующее.

1. В существующем механизме применены шариковые радиальные однорядные подшипники, расположенные в двух независимых корпусах (рис. 3, а). Обязательным условием нормальной работы таких подшипников является высокая соосность посадочных гнезд. Однако при расположении подшипников в разных корпусах добиться требуемой соосности невозможно, поэтому велика вероятность заклинивания подшипников из-за перекоса их колец [2].

Даже, если корпуса подшипников будут иметь идеальную и абсолютно идентичную форму и геометрические размеры, несоосносность посадочных гнезд все равно будет иметь место. Ее могут вызвать две причины:

а) отклонение от номинального положения отверстий для крепления корпусов подшипников к опорной поверхности;

б) отклонение от плоскостности опорных поверхностей под корпусами подшипников.

Несоосность может быть выражена в радиальном смещении осей подшипниковых

гнезд, а также в их угловом перекосе. Причем и радиальное смещение, и угловой перекос могут иметь любое направление.

Для нормальной работы подшипников допустимая несоосность подшипниковых гнезд должна сохранять внутренний радиальный зазор Ог подшипника в пределах значений, указанных в каталоге для соответствующего типа подшипников. Так, в шариковых радиальных однорядных подшипниках, относящихся к нормальной группе по радиальному зазору, его величина должна находиться приблизительно в пределах 5...20 мкм, а перекос колец не должен превышать 15 угловых минут. В то же время в реальной конструкции несоосность подшипниковых гнезд, вызванная отклонением от плоскостности опорной поверхности, может превышать допустимое значение в десятки раз и даже достигать нескольких миллиметров, а перекос колец - нескольких угловых градусов.

2. При расположении подшипников в разных корпусах следует применять шариковые радиальные двухрядные сферические подшипники.

3. Применена схема установки подшипников, называемая «обе опоры плавающие» (рис. 3, а) (вал, установленный на две плавающие опоры, называется «плавающий вал»). Такая схема, обычно, применяется в зубчатых шевронных передачах для обеспечения осевой самоустановки одного из валов, чтобы компенсировать неизбежную угловую погрешность расположения зубьев полушевронов относительно друг друга [3], [4], [5]. В типовом механизме ориентации по крену внешние кольца 1 подшипников зафиксированы в корпусах с двух сторон для исключения их осевого перемещения, а внутренние кольца 2 не зафиксированы и установлены на валу с зазором.

Применение схемы «обе опоры плавающие» совершенно не оправдано, так как такая схема вообще не фиксирует вал 3 (рис. 1) в осевом направлении и позволяет ему вместе с рамой 9 и панелями солнечных батарей 10 свободно перемещаться до тех пор, пока одна из установленных на валу деталей не упрется в преграду.

Существует сомнение в том, будут ли вообще внутренние кольца подшипников вращаться, так как значительные тепловые деформации деталей механизма в орбитальных условиях, а также несоосность подшипниковых гнезд при расположении их в разных корпусах делают заклинивание подшипников весьма вероятным. Тогда подъем рамы будет происходить только за счет проскальзывания вала во внутренних кольцах подшипников.

Рис. 3. Подшипниковые опоры приводного вала по крену:

а) - существующая конструкция;

б) - предлагаемая конструкция

В результате анализа конструкции подшипниковых опор разработан ряд рекомендаций по их совершенствованию. Рекомендации призваны, в первую очередь, устранить отмеченные недостатки типовой конструкции, что, в целом, повысит надежность работы всего КА.

Первое предложение. Подшипники приводного вала по крену следует расположить в едином жестком цельном корпусе (рис. 3, б), в котором подшипниковые гнезда будут обработаны напроход за одну установку на станке. Такой технологический прием обработки позволяет получить подшипниковые гнезда с минимально достижимым допуском их соосности.

Второе предложение. В такой конструкции целесообразно применить шариковые радиальные однорядные подшипники, это является оправданным и безопасным.

Третье предложение. Целесообразно подшипники установить по схеме «одна опора фиксирующая, другая плавающая» (рис. 3, б). Фиксирующим может быть выполнен любой из двух подшипников. Например, в конструкции по рис. 3, б таким подшипником является левый подшипник 3. Его кольца и на валу, и в корпусе фиксируют от осевых перемещений с двух сторон - слева, и справа. Правый 4, плавающий, фиксируют, обычно, только на валу, в корпусе не фиксируют. Большую опасность для обычных подшипниковых узлов, работающих в орбитальных условиях, представляют возможные существенные относительные температурные удлинения или укорочения вала и корпуса, которые могут возникнуть при определенной ориентации КА относительно солнца. Может возникнуть ситуация, когда вал нагрет или охлажден в большей степени, чем корпус. Тогда изменение линейных размеров вала и корпуса и, соответственно, аналогичные перемещения колец подшипников, связанных с ними (внутренних - с валом, внешних - с корпусом), может привести к заклиниванию подшипников. Подшипниковые узлы в условиях орбитального полета должны сохранять работоспособность при любых возможных колебаниях температуры. При схеме «одна опора фиксирующая, другая плавающая» компенсация перепадов температуры будет осуществляться за счет осевых перемещений правого подшипника в корпусе в соответствии с температурными деформациями вала и корпуса. Поскольку внешнее кольцо правого подшипника может осуществлять линейные перемещения в корпусе, необходимо предусмотреть повышенную износостойкость подшипникового гнезда и отсутствие любых конструктивных элементов слева и справа от данного подшипника, которые препятствовали бы таким перемещениям при максимально возможных температурных деформациях деталей. Внешнее кольцо правого подшипника должно быть установлено в корпус по посадке с зазором. Данная схема, в принципе, работоспособна при любых температурных удлинениях или укорочениях вала и корпуса.

Литература

1. Лизунов А.А., Прокопчук В.Н., Трушков В.Н., Рузина Р.Н., Авербух В.Я., Аранзон А.Н. Приводное устройство для поворота в двух взаимно перпендикулярных плоскостях // «Машиноведение и детали машин». Труды всероссийской начно-технической конференции, проводимой с участием зарубежных представителей (Москва. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 10 - 12 октября 2008 г.). 100-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники д.т.н., проф. Д.Н. Решетова (1908 - 2000) посвящается. С. 241- 243.

2. Леликов О.П. Валы и опоры с подшипниками качения. Конструирование и расчет. М.: Машиностроение, 2006. 640 с.

3. Орлов П.И. Основы конструирования. В 2-х кн. Кн.1/под ред. П.Н.Учаева.3-е изд. испр. М.: Машиностроение, 1988. 560с.

4. Орлов П.И. Основы конструирования. В 2-х кн. Кн.2/под ред. П.Н.Учаева.3-е изд. испр. М.: Машиностроение, 1988. 544с.

5. П.Ф. Дунаев, О.П. Леликов. Конструирование узлов и деталей машин. М.: Академия, 2009. 496 с.