автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование вибрационных характеристик электродвигателей-маховиков систем ориентации космических аппаратов

На правах рукописи

0050541)24

Бритова Юлия Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ-МАХОВИКОВ СИСТЕМ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Специальность 05.11.13 -«Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 5 ОКТ 2012

Томск 2012

005054021

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» и в открытом акционерном обществе «Научно-производственный центр «Полюс»

Научный руководитель: Дмитриев Виктор Степанович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Гольдштейн Александр Ефремович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Информационно-измерительной техники Института не-разрушающего контроля Национального исследовательского Томского политехнического университета

Герасимов Сергей Иванович доктор технических наук, профессор кафедры «Строительная механика» Сибирского государственного университета путей сообщения

Ведущая организация: Национальный исследовательский Южно-

Уральский государственный университет, г. Челябинск

Защита состоится «20» ноября 2012 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.269.09 при Национальном исследовательском Томском политехническом университете по адресу: 634028, г. Томск, ул. Савиных, 7, ауд. 215 (актовый зал).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Национального исследовательского Томского политехнического университета по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, 55.

Автореферат разослан « /Г » октября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.269.09, кандидат технических наук, доцент Б.Б. Винокуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные изделия космической техники являются сложными и дорогостоящими техническими устройствами. Поэтому естественным является стремление заказчиков космической техники к снижению стоимости разработки и изготовления как отдельных технических систем, так и космических аппаратов в целом. Одним из путей снижения стоимости, в определенной степени, является не только разработка элементов систем космических аппаратов (КА) с широким применением унифицированных базовых конструкций (космических платформ), доступной и элементной базой, но и максимально качественная конструкторская отработка опытных образцов, включая различные виды испытаний.

Сегодня КА - стратегическое направление развития космической деятельности всех стран. Это диктуется следующими обстоятельствами:

- массовым спросом на услуги, представляемые ракетно-космической отраслью (интернет-технологии, связь, навигация, метеорология, дистанционное зондирование Земли и акватории океанов, научные исследования);

- достигнутыми результатами в области создания прочных и легких конструкционных материалов, микропроцессоров с высокой производительностью, миниатюрных фотокамер, микромеханизмов, микросенсоров и т.д.;

- высокой конкуренцией со стороны ведущих космических корпораций;

- стремлением снижения затрат на разработку и эксплуатацию космической техники при одновременном увеличении качества и эффективности использования орбитальных группировок космических аппаратов (КА).

Большое внимание созданию малых космических аппаратов уделяют многие ведущие государства в мире, среди них: США, Россия, Япония, Италия, Германия и другие.

Пространственная ориентация и стабилизация положения КА осуществляется посредством исполнительных органов (ИО) различных типов, которые предназначены для формирования управляющих моментов относительно центра масс КА.

ИО на базе электродвигателей-маховиков (ДМ) в настоящее время благодаря своим функциональным возможностям, простоте конструкции и высокой надежности нашли широкое использование в системе ориентации космических аппаратов.

В связи с вышеизложенным особую актуальность приобретает улучшение эксплуатационных характеристик ДМ и, в частности, снижение его массы и габаритов при одновременном обеспечении требуемых частотных характеристик элементов конструкции.

Поэтому на современном этапе развития космической техники одной из актуальных задач на этапе проектирования ДМ является обеспечение требуемых параметров частотного спектра элементов конструкции в рабочем режиме.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методик контроля частотных характеристик элементов конструкции ДМ с использованием современных методов вибродиагностики и методов статистической обработки ре-

зультатов испытаний как на этапе квалификационных испытаний, так и на этапе серийного производства.

Для достижения поставленной цели определенны следующие направления исследований:

1. Проведение анализа параметров частотного спектра конечно-элементных моделей основных элементов конструкции ДМ с использованием современных методов диагностики;

2. Разработка методики анализа результатов испытаний вибрационных характеристик ДМ в рабочем режиме, включающей:

- статистическую обработку результатов испытаний;

- формирование нормированной вибрационной характеристики;

- выявление частотных диапазонов резонансов элементов конструкции и численное определение значений резонансных частот;

- обработка результатов комплексных испытаний в численном виде;

- сравнение экспериментально выявленных частот с расчетными значениями собственных частот шарикоподшипникового узла;

3. Разработка методики анализа результатов испытаний для выявления резонансных частот элементов конструкции ДМ, включающей:

- статистическую обработку результатов испытаний;

- определение частотных диапазонов основных резонансов герметичной конструкции ДМ;

4. Проведение экспериментального модального анализа элементов конструкции ДМ;

5. Формирование интегрированной вибрационной картины конструкции

ДМ.

Методы решения задач. Для решения поставленных задач использовались методы вибродиагностики, теория математической статистики, пакеты прикладных программ Excel, Pulse Lab Shop, ME'scopeVES, Shaker Control Software, T-Flex CAD.

Экспериментальные исследования проводились на испытательной базе аэрокосмического предприятия ОАО «НПЦ «Полюс», г. Томск.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается использованием специализированного аттестованного оборудования для вибрационных испытаний, а также сопоставлением результатов аналитического моделирования с результатами экспериментальных исследований. Расхождение расчетных и экспериментальных результатов составляет не более 10%.

Научная новизна диссертационной работы заключается:

1) в уточнении математической модели ДМ, позволяющей на стадии проектирования аналитически определять значения собственных частот элементов конструкции;

2) создании параметрической конечно-элементной модели конструкции маховика, позволяющей при изменении его конструктивных параметров «отслеживать» изменение вибрационного режима узлов и деталей ДМ в рабочем режиме;

3) разработке методики статистической обработки параметров вибрационных характеристик в рабочем режиме ДМ;

4) разработке методики формирования нормированной вибрационной характеристики по общему уровню виброскорости в рабочем диапазоне угловых скоростей ДМ с выделением основных резонансных областей и определением амплитуд резонансов в конструкции по их вибрационной характеристики;

5) разработке программного модуля анализа виброактивного спектра ДМ для определения резонансных частот и идентификации собственных частот шарикоподшипникового узла.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Полученные нормированные характеристики позволяют на этапе квалификационных испытаний контролировать на более качественном уровне проектируемые ДМ (соответствие или несоответствие технической документации).

2. Предложенная параметрическая модель маховика ДМ позволяет на этапе проектирования находить оптимальный вариант его элементов конструкции, гарантирующий смещение собственной частоты за диапазон рабочей угловой скорости ДМ.

3. Использование в процессе испытаний модернизированного программного модуля для анализа виброактивного спектра ДМ при выявлении механического резонанса в рабочем диапазоне угловых скоростей.

4. Внедрение в производственный процесс ОАО «НПЦ «Полюс» разработанных методик интегрированного подхода к улучшению частотных характеристик конструкции ДМ в части определения и анализа вибрационных характеристик (ВХ) при выявлении механического резонанса элементов конструкции ДМ.

5. Внедрение в производственный процесс ОАО «НПЦ «Полюс» базы данных при проведении вибрационных испытаний штатных ДМ.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований и разработанные методики внедрены в технологический процесс механических испытаний ДМ, изготавливаемых ОАО «НПЦ «Полюс», г. Томск для ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева, г. Железногорск.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Уточненная математическая модель ДМ, включающая расчет собственных частот элементов его конструкции, позволяет учитывать уровень параметров их колебаний.

2. Разработка интегрированного подхода к улучшению частотных характеристик конструкции ДМ на этапе разработки, заключающегося в комплексном анализе результатов вибродиагностики (методики определения резонансных частот конструкции ДМ и экспериментального модального анализа) для определения собственных частот элементов конструкции и уточнения их моделей.

3. Автоматизированный метод анализа виброактивного спектра вибрации элементов конструкции ДМ, позволяет оперативно выявлять резонансные частоты и собственные частоты элементов конструкции.

4. Разработанная методика статистической обработки результатов механических испытаний ДМ на основе формирования нормированной характеристики вибрационного спектра позволяет осуществлять контроль качества конструкции ДМ на этапе квалификационных испытаний.

Апробация работы. Основные результаты проведённых исследований докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (Томск, 4-8 мая 2009 г. и 12-16 апреля 2010 г.), научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» (Железногорск, 2011 г.), научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, ОАО «НПЦ «Полюс» 22-23 апреля 2010 г.), на II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность» (Томск, 28 мая - 1 июня 2012 г.), XVI Международной научной конференции «Решетневские чтения-2012» (Красноярск, 08-10 ноября 2012 г.).

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 13 печатных работах, в том числе в трех статьях периодической печати из перечня ВАК, двух статьях центральной печати и восьми публикаций в сборниках научно-технических конференций международного и всероссийского уровней.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы 194 страницы, в т. ч. рисунков - 72, таблиц - 29, библиография содержит 77 наименований, приложений - 3.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулирована цель диссертационной работы, поставлены основные задачи исследований, раскрыта научная новизна и практическая значимость исследований, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации представлен объект исследования - ДМ, являющийся ИО активной системы ориентации КА. Управляющий момент ДМ создается изменением угловой скорости маховика, установленного по соответствующей оси КА.

В общем виде ДМ (рис. 1) состоит из массивного ротора с явно выраженным ободом 1, установленного в опорах 2 и приводимого во вращение электродвигателем 3, ротор которого закреплен на маховике, а статор - на основании 4.

Для снижения момента сопротивления вращению маховика и, следовательно, снижения энергопотребления, вся конструкция помещена в герметичную камеру, образованную кожухом 5 и основанием 4.

Рассмотрены тенденции совершенствования технических характеристик ДМ и представлено сравнение ВХ исследуемого ДМ № 1, изготавливаемого

ОАО «НПЦ «Полюс», с идеализированной (рис. 2), подтверждающее актуальность проводимых исследований.

Рассмотрены основные источники вибрации элементов конструкции ДМ -электромагнитные силы (магнитострикци-онный эффект, переменные магнитные тя-жения в зазоре между статором и ротором), механические силы (неуравновешенность вращающихся элементов ДМ, качество шарикоподшипникового узла). Указаны возможные производственные и эксплуатационные причины возникновения вибрации.

Представлена уточненная математическая модель ДМ, учитывающая колебания элементов его конструкции (1.1-1.21).

Рис. 1 Конструкция ИО на базе ДМ

мм/с 4 ■

3,5

3 ■

^ 2.5 ■

5

I 2 | 13

І 1 се

0,5 О

?>

I-1 * 2

■ \

1 1 \ \

І \

I 4 I V і

/ч *ГГ -pt- -s. .Я

5, ■у" і

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 рад/с угловая скорость вращения ДМ Рис. 2 Вибрационная характеристика ДМ

Я^лтШоДі + А-4);

ф,

Р = \,ШМС0\0>Т}-,

мс={му- мшп- ма

1 - идеализированная; 2 -исследуемого ДМ № 1 кинетический момент масса маховика ресурс

потребляемая мощность момент сопротивления

управляющий момент маховика

(1.1) (1.2)

(1.3)

(1.4)

(1.5)

(1.6)

время разгона (1.7)

'■> момент трения шарикоподшипников (1.8)

Ма=2лрСщтр?Гф; момент аэродинамического сопротивления (1.9)

Сл = 0,53/?е~°'5; аэродинамические коэффициенты для ла- (1.10)

ст =0,0287а1"°:!; минарного и турбулентного течения (1.11)

і

?()(> • аЬ сич. п--

т/о,5(тсг -JгP) + л]0,25 (та- J 2Д)2 + тУ2 (ар -£2)~

Ь2 ; 2ЕІ, '

—' р =-

З ЕІ, ЪЕ1, З ЕІ,

£/, 3£/, (Gl-Jra2)(Gl-Jxn2)-(Jzíï2)2 (Gl-JYQ.2)(GI-Jxa.2)-(Jzti2)2

со„ = ±1

си х3 у

критическая угловая скорость вращения ДМ

вынужденные колебания, возникающие по двум ортогональным осям ДМ

резонансная угловая скорость маховика

/=0,5 /.=0,5

/.=0,5

1 +

2 </,„

£> + </

сое ^

СОв^г

£2;

СОЭ?

гп;

_с/- Р

4 ¿1

■сое д

V

(1.12)

(1.13)

(1.14)

(1.15)

(1.16) (1.17)

(1.18)

(1.19)

(1.20) (1.21)

частота вибрации, вызванная неуравновешенностью сепаратора шарикоподшипника частота вибрации, вызванная собственной частотой внутреннего кольца шарикоподшипника

частота вибрации, вызванная собственной частотой наружного кольца шарикоподшипника

частота вибрации, вызванная собственной частотой тела качения шарикоподшипника частота вибрации, вызванная шероховатостью или овальностью тел качения шарикоподшипника

частота вибрации, вызванная зазором в шарикоподшипнике

где К - наружный радиус маховика; г - внутренний радиус маховика; к=К/г; т - масса ДМ; у -

удельная масса материала маховика; А - высота обода; Д„ - диаметр маховика; А - угловая скорость вращения; С - коэффициент работоспособности подшипников; <2Р - нагрузка; ; - коэффициент полезного действия; Т„ - постоянная времени; Кл - коэффициент трения качения; Д, - внутренний диаметр наружного кольца шарикоподшипника; р - плотность среды; окружающей маховик; Яе - число Рейнольдса; О0 - диаметр по центрам тел качения шарикоподшипника; 2 - число тел качения (шариков); с!ш - диаметр тела качения (шарика); а, /}, £ - коэффициенты влияния, определяющиеся конструкцией маховика с валом; а - расстояние от левой опоры до маховика; Ь - расстояние между опорами вала; й - вес маховика; £7, и Е12 - жесткости сечения вала на изгиб; Jx, Уу, Jz - моменты инерции ДМ относительно соответствующих осей; ./э - экваториальный момент инерции ДМ; I - смещение центра тяжести ДМ относительно точки его подвеса; £ - угол отклонения между осью главного момента инерции маховика и осью вращения; ц - коэффициент соотношения осевого и экваториальных моментов инерции маховика; й - диаметр наружного кольца шарикоподшипника; <1 - диаметр внутреннего кольца шарикоподшипника; 2 - количество тел качения (шариков); с1ш - диаметр тела качения (шарика); д — угол контакта тел качения.

Уточненная математическая модель ДМ, включающая значение критической угловой скорости маховика (1.12), описание вынужденных колебаний элементов конструкции с учетом технологических погрешностей (1.13—1.15), а также вибрации шарикоподшипниковой опоры (1.16-1.21) отвечает современным требованиям в русле тенденций совершенствования ИО системы ориентации КА.

Приведен обзор методов устранения возмущающих воздействий, генерируемых ДМ. Показана высокая эффективность использования аналитического расчета и экспериментального модального анализа для получения информации о собственных частотах, формах колебаний и возможностях демпфирования элементов конструкции ДМ на этапе создания элементов систем управления КА.

Приведена структура интегрированного подхода к улучшению частотных характеристик ДМ на этапе разработки, в которой отражена взаимосвязь экспериментальных исследований, аналитического моделирования и анализа результатов методик неразрушающего контроля ДМ (рис. 3). При экспериментальной отработке конструкции ДМ используются следующие виды испытаний: определение вибрационной характеристики ДМ в рабочем режиме, определение резонансных частот ДМ на вибростенде, экспериментальный модальный анализ элементов конструкции.

Анализ результатов экспериментальных исследований осуществляется посредством дополнительно разработанного программного модуля. Использование интегрированного подхода на этапе квалификационных испытаний позволяет уточнить модели элементов конструкции ДМ с целью получения требуемых частотных характеристик.

Во второй главе представлены разработанные методики испытаний (блок-схемы, оборудование, методики обработки результатов) вибрационных характеристик исследуемого ДМ, который проходил этап квалификационных испытаний. В основе этих методик лежат современные методы неразрушающего контроля.

Методика определения спектра вибрации конструкции ДМ в рабочем режиме основана на определении уровня вибрации элементов конструкции при разгоне и выбеге маховика в рабочем диапазоне угловых скоростей посредством прецизионных виброизмерительных преобразователей (ВИП).

Блок-схема испытаний для определения ВХ ДМ представлена на рис. 4.

Исходные данные: - типоразмер ДМ; -типоразмер шарикоподшипника

_ * _

Предъявляемые требования к частотным характеристикам конструкции ДМ:

-значения собственных частот элементов конструкции ДМ при проведении испытаний на вибростенде должны быть более 150 Гц; - значение собственной частоты маховика конструкции должно быть больше значения максимальной угловой скорости вращения ДМ.

Прототип конструкции ДМ

Прототип шарикоподшипникового узла

Создание параметрической ЗБ-модели маховика

Создание ЗБ-модели основания

Создание ЗБ- Создание ЗБ-модели сборки

модели кожуха кожуха и основания

Аналитическое определение собственных частот шарикоподшипника

Поиск оптимальных ЗБ-моделей по массогабаритным характеристикам и значениям собственных частот три изменении конструкционных параметров и вариации материала

Рис. 3 Структура интегрированного подхода к улучшению частотных характеристик ДМ

дм вип

малошумные кабели

Модульная многоканальная система анализа сигналов PULSE

Пульт разгона

дм

Амперметр

Рис. 4 Блок-схема испытаний для определения ВХ ДМ

ВИП - виброизмерительный преобразователь; ПК - персональный компьютер

В основе методики выявления резонансных частот конструкции ДМ в нерабочем режиме лежит определение частотного отклика конструкции на нормированное воздействие, генерируемое вибрационной системой. Блок-схема испытаний для определения резонансных частот элементов конструкции ДМ приведена на рис. 5

В методике определения модальных параметров (собственной частоты, коэффициента демпфирования) (блок-схема представлена на рис. 6) конструкции ДМ и его элементов методом экспериментального модального анализа лежит методика вычисления функции частотного отклика при точечном воздействии силы посредством модального молотка.

В представленных методиках вибродиагностики применены современные программно-технические средства и прецизионные входные устройства измерения вибрации, что позволяет проводить анализ сигналов вибрации, как во временной, так и частотной областях динамических характеристик ДМ.

Результаты испытаний исследуемого ДМ в рабочем режиме представлены в виде графиков зависимости общего уровня виброскорости от угловой скорости вращения. Пример графика приведен на рис. 7.

Рис. 5 Блок-схема испытаний для определения резонансных частот элементов конструкции ДМ

ударный молоток -

ДМ

(элемент его конструкции)

Модульная многоканальная система для анализа сигналов PULSE

—-{юшщ-

Рис. 6 Блок-схема испытаний для определения модальных параметров

мм/с 3.5

•«sv

0 30 60 90 120 150 ISO 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 РаД/° угловая скорость вращения ДМ Рис. 7 Вибрационная характеристика исследуемого ДМ № 1

В процессе квалификационных испытаний с использованием разработанных методик в области рабочих угловых скоростей вращения негерметичной конструкции исследуемого ДМ № 1 выявлено появление двух резонансов: резонансный пик при угловой скорости вращения 160 рад/с (обусловлен собственной частотой шарикоподшипникового узла), и резонансный пик при угловой скорости вращения 490 рад/с (собственной частотой колебания маховика).

Результаты испытаний исследуемого ДМ № 1 в нерабочем режиме (на вибростенде) представлены в виде графиков зависимости общего уровня виброускорения от частоты возмущающего воздействия, создаваемого вибрационной системой (имитация внешнего возмущающего воздействия).

Пример графика представлен на рис. 8.

мм/с'

5 3.:

■и

I

а £ о а. о а со

0,! о.:

Г X Y 1 322,5 2,56 2 549,7 4.95 3 1161,4 0.63 4 1 458.5 1,09 5 1766,5 1.4 8

-1

ч

—jM - -.......—0 —-А №..........

У 3-1- А»— —? —Н 4P —f

А, У -j V

10 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000 ГЧ частота спектра

Рис. 8 АЧХ герметичной конструкции ДМ № 1

Результатом проведенных исследований явилось введение в технологию квалификационных испытаний экспериментального модального анализа (ЭМА). В процессе проведения ЭМА определяются реальные динамические характеристики элементов конструкции проектируемого ДМ: значения модаль-

ных (собственных) частот, уровень демпфирования в каждой точке конструкции и общее демпфирование на выделенных модальных частотах.

Посредством программного обеспечения ЭМА МеБсоре'Уез определяется коэффициент демпфирования в процентах от критического, т.е. от значения коэффициента демпфирования при котором система перестает быть колебательной. По величине коэффициента демпфирования на выделенной модальной частоте оценивается скорость затухания колебаний элементов конструкции ДМ.

В табл. 1 представлен пример результатов определения степени демпфирования герметичной конструкции исследуемого ДМ № 1 на модальных частотах. Результаты получены обработкой экспериментальных данных в программном обеспечении МеБсоре'Уез в соответствии с методикой экспериментального модального анализа.

№ моды частота, Гц демпфирование^

1 380 2,6

2 640 1,8

3 1400 1,3

Таблица 1 В работе показано, что ЭМА в

настоящее время является наиболее совершенным и технически объективным методом определения динамических характеристик, как отдельных элементов механических устройств, так и механических систем в целом.

В табл. 2 и 3 представлены результаты ЭМА основания и негерметичной термокамеры ДМ соответственно, а в табл. 4 - результаты исследования частотных характеристик (модальные параметры) кожуха, являющегося составной частью ДМ.

Таблица 2

№ моды частота, Гц демпфирование, % № моды частота, Гц демпфирование, %

1 342 1,74 1 592 7,45

2 367 1,09 2 879 2,26

3 403 1,41 3 1 004 2,95

4 437 0,743 4 1 025 2,24

5 525 1,41 5 1 039 1,88

6 531 1,65 6 1 052 1,8

Таблица 3

Таблица 4

№ моды частота, Гц демпфирование, %

1 553 4,94

2 712 0,556

3 855 2,1

4 875 1,56

5 979 1,65

6 1 030 2,08

7 1 290 2,29

В третьей главе рассматривается разработанная методика проведения статистической обработки результатов испытаний определения ВХ в рабочем режиме и резонансных частот герметичной конструкции исследуемого типа ДМ в нерабочем режиме.

На рис. 9 представлены нормированные характеристики общего уровня виброскорости по трем ортогональным осям (X, У, Т) конструкции исследуемого типа ДМ при расположении ВИП в районе шарикоподшипникового узла

(негерметичной - рис. 9 а, герметичной - рис. 9 б) и герметичной конструкции ДМ при расположении ВИП на кожухе (рис. 9 в).

По результатам проведения статистической обработки данных в виде нормированных характеристик в режиме разгона и выбега, показано, что у всех исследуемых негерметичных ДМ в рабочей области вращения маховика присутствуют два резонансных пика в диапазонах от 150 до 240 рад/с и от 400 до 600 рад/с (рис. 7 а, б).

Дальнейшие исследования показали, что причина их возникновения связана с вращающимися элементами конструкции: шарикоподшипниковым узлом и маховиком.

-»ecooL^^-

/

"V-

/ /

1 \ У

\1 1 //

0 30 60 90 120 150 ISO 210 24« 270 300 330 360 390 420 4S0 480 510 540 570 600 угловая скорость вращения ДМ

/

/ /

/ /

1- — j /

t і- 1

а)

"X _

/

мое

/ /

_ — -- 1 / _/ /

\ 1 /

'і V- і V

-- --

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 угловая скорость вращения ДМ

В)

Рис. 9 Нормированные характеристики герметичного / негерметичного варианта конструкции исследуемого типа ДМ

30 60 90 320 150 180 210 240 270 ЗОН 330 360 390 420 4S0 480 510 540 570 600 угловая скорость вращения ДМ

б)

В случае герметичной конструкции ДМ на ВХ присутствуют более двух резонансных пиков, что обусловлено собственной частотой кожуха.

По данным статистической обработки результатов испытаний определения резонансных частот конструкции исследуемого ДМ построена гистограмма распределения резонансных частот по диапазонам механических воздействий за пределами рабочей угловой скорости исследуемого ДМ (рис. 10). Точки 1 и 2. указанные на гистограмме, это

точки установки ВИП № 1 и № 2 в районе шарикоподшипникового узла ДМ.

Гистограмма распределения позволяет наглядно увидеть спектр распределения резонансных частот в элементах конструкции во всем диапазоне механического воздействия на ДМ.

¡50 П50-1850 1900-1950

Рис. 10 Гистограмма распределения резонансных частот элементов конструкции ДМ

15

Согласно предъявляемым требованиям технического задания конструкция герметичного ДМ не должна иметь резонансных частот в частотном диапазоне до 150 Гц. Выполнение данного требования подтверждается гистограммой распределения резонансных частот (рис. 10).

В четвёртой главе представлена методика проведения анализа результатов испытаний определения ВХ исследуемого ДМ № 1 в рабочем режиме. Методика построена на анализах виброактивного спектра и шарикоподшипниковой опоры ДМ.

Модульная многоканальная система анализа сигналов PULSE позволила провести запись ВХ исследуемого ДМ № 1 в рабочем диапазоне угловых скоростей от 10 до 600 рад/с как по общему уровню виброскорости, так и по спектрам вибрации на каждом значении угловой скорости вращения маховика с использованием анализатора быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Для анализа виброактивного спектра вибрации ДМ в программе Microsoft Office Excel разработан программный модуль, который позволяет в автоматическом режиме формировать таблицу разложения спектра вибрации, состоящую из частот спектра, в которой заметно наличие амплитудных значений виброскорости превышающих пороговое значение в 65 дБ (0,087 мм/с). Уровень порогового значения определяется требованиями, предъявляемыми к шарикоподшипникам качения, используемым в конструкции такого типа ИО.

Программный модуль позволяет сформировать сводную таблицу разложения спектра вибрации конструкции во всем диапазоне угловых скоростей вращения маховика ДМ, что дает возможность проводить детальный анализ частотного состава спектра и отслеживать изменение уровня вибрации в процессе изменении угловой скорости вращения в рабочем диапазоне.

В результате анализа частотного состава спектра вибрации в зоне первого резонанса (угловая скорость вращения маховика 160 - 330 рад/с) и в зоне второго резонанса (угловая скорость вращения маховика 420 - 600 рад/с) исследуемой герметичной конструкции ДМ № 1 (рис. 7) выявлены частоты, уровень виброскорости которых превышает значение требуемого порогового уровня в 65 дБ (табл. 5).

В табл. 5 курсивом отмечены частоты, при совпадении которых с определенными значениями угловой скоростью маховика исследуемого ДМ № 1 появились резонансы, указанные на ВХ (рис. 7).

Таблица 5

Рассматриваемый диапазон угловой скорости вращения, рад/с Спектр частот околорезонансной частоты, Гц Частота спектра с максимальным уровнем виброскорости, Гц Уровень виброскорости, дБ

мм/с дБ

160 - 300 26,56-29,69 29,7 0,38 77,6

280-310 145,3 145,3 0,12 67,9

490-510 590,6 590,6 0,14 69,7

520-580 629,7 629,7 0,17 69

500-600 85,94 - 87,5 85,94 1,38 87,6

570 - 600 35,94-37,5 37,5 0,3 68,4

Частоты 590,6, 629,7 Гц, указанные в табл.5, совпадают с частотами, выявленными при статистической обработки результатов испытаний при определении резонансных частот герметичной конструкции исследуемого типа ДМ в нерабочем состоянии (на вибростенде), они отмечены на гистограмме.

Идентификация частот спектра вибрации конструкции исследуемого ДМ № 1 осуществлена путем проведения аналитического расчета собственных частот шарикоподшипника и последующего их сравнения с экспериментально выявленными частотами, указанными в табл. 5. Для этого разработан программный модуль частотного анализа собственных частот шарикоподшипникового узла конструкции исследуемого ДМ № 1.

Для проведения частотного анализа в программном модуле использованы:

- основные параметры диагностируемого шарикоподшипника;

- расчетная таблица собственных частот шарикоподшипника (и их гармоник) на каждой угловой скорости вращения ДМ;

- таблица сравнения выявленной частоты из спектра вибрации ДМ с расчетной собственной частотой шарикоподшипникового узла с погрешностью не хуже 10%.

Разработанный программный модуль позволяет определять собственные частоты шарикоподшипника во всем спектре частот рабочего режима ДМ. Пример результатов частотного анализа шарикоподшипников исследуемого ДМ № 1 представлен в табл. 6.

Таблица 6

Выявленная частота вибрации, Гц Угловая скорость ДМ, рад/с Расчетная собственная частота шп., Гц Погрешность совпадения частоты, % Уровень виброскорости, дБ Наименование собственной частоты шп.

29,7 170 31,5 6 77,6 неуравновешенность сепаратора

37,5 580 35,8 4,6 68,4 шарик

85,9 510 - - 87,6 _

145,3 280 138,4 4,8 67,9 наружное кольцо

629,6 520 693,3 9,2 70,7 зазор

В табл. 6 видно, что частота 29,7 Гц идентифицируется, как неуравновешенность сепаратора шарикоподшипника. Следовательно, причиной появления

первого резонанса в диапазоне рабочей угловой скорости вращения маховика исследуемого ДМ от 170 до 270 рад/с является наличие собственной частоты сепаратора шарикоподшипника.

Частота 85,9 Гц (табл.6) не идентифицирована как собственная частота шарикоподшипника, следовательно, данная частота является собственной частотой других вращающихся элементов конструкции исследуемого ДМ.

Результаты квалификационных испытаний показывают, что без учета собственных частот элементов шарикоподшипникового узла невозможно обеспечить требуемое качество ИО для КА.

В главе 5 представлены результаты расчетов значений частот основных конструктивных элементов исследуемого ДМ № 1. Расчету подвергнуты элементы конструкции (маховик, основание, кожух), которые по результатам анализа являются источниками возникновения резонансов.

Расчет проводился методом конечных элементов (МКЭ) в системе Т-Шех Анализ.

В результате проведения аналитического частотного анализа модели маховика исследуемого ДМ № 1 были определены собственные частоты и соответствующие им формы колебаний. Получены результаты численных значений собственных частот при различной дискретизации сетки.

Первая собственная частота конструкции маховика составляет 91 Гц, которая с достаточной степенью точности совпадает с частотой, выявленной экспериментальным путем (85,9 Гц). Погрешность результатов расчетов составляет 5,6 %.

Таким образом, определено, что численное значение первой моды собственной частоты маховика (85,9 Гц) находится в рабочем диапазоне частоты исследуемого ДМ № 1 (100 Гц), что и является причиной наличия второго резонанса (рис. 7).

По результатам аналитического частотного анализа первая мода собственной частоты модели конструкции основания исследуемого ДМ составила 315,2 Гц, а первая собственная частота основания, выявленная при ЭМА (табл. 2) составила 342 Гц. Расхождение результатов экспериментального и аналитического анализов составляет 7,6 %.

По результатам аналитического частотного анализа первая мода собственной частоты модели конструкции кожуха составила 1310,5 Гц, по ЭМА негерметичной термокамеры - 1 290 Гц (табл. 4). Расхождение результатов экспериментального и аналитического анализов составляет 1,5 %.

В главе 6 представлены результаты использования параметрической модели маховика в процессе модернизации исследуемого ДМ (рис. 11).

Предложенный метод совмещения аналитических расчетов частот ЗО-мо-делей и ЭМА основных элементов конструкции исследуемого ДМ № 1, позволил откорректировать значения собственной частоты маховика как функции следующих параметров: массы маховика, его момента инерции, изменения размеров элементов маховика - вала и диафрагмы.

И - наружный радиус маховика; г - внутренний радиус маховика; Ь - ширина обода; Н - высота обода; а - угол наклона связующего звена; Э - толщина связующего звена; 11а -радиус вала; Т - толщина места закрепления вала; К - ширина места закрепления вала; Кскругл. - радиус скруглення спиц связующего звена; N - количество спиц.

В результате применения предложенного интегрированного метода, основанного на совокупном анализе результатов экспериментальных исследований методами неразрушающего контроля (определение ВХ в рабочем режиме, ЭМА, определение АЧХ конструкции на вибростенде) и аналитического моделирования удалось в модернизированном маховике увеличить значение расчетной собственной частоты до 130,1 Гц практически без увеличения массы и размеров маховика, что позволило «увести» собственную частоту исследуемого ДМ за пределы рабочего диапазона угловых скоростей.

На рис. 12 приведены результаты сравнения испытаний исследуемого ДМ (до и после модернизации).

мм/с

2.5 - ..............................г-......................—...........-------_.......................................

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 РаЛ'° угловая скорость вращения ДМ

Рис. 12 Сравнение ВХ негерметичных конструкций 1 - исследуемого ДМ № 1 (до модернизации); 2 - ДМ-М (после модернизации)

Резонанс в диапазоне угловой скорости вращения 150 - 230 рад/с, как было показано в 4 главе диссертации, не исчез и причина его - наличие собственной частоты шарикоподшипника.

На рис. 13 представлены ВХ герметичной и негерметичной конструкции исследуемого ДМ-М.

ВХ герметичной конструкции ДМ-М соответствует ВХ его негерметичной конструкции. Полученные в процессе испытаний ВХ негерметичной / герметичной конструкций ДМ-М доказали правильность теоретических предположений о причинах возникновения резонанса конструкции.

угловая скорость вращения УДМ-М Рис. 13 Сравнение ВХ конструкции ДМ-М 1 - негерметичной; 2 - герметичной.

Проведенные исследования объективно показали эффективность разработанных методик анализа результатов экспериментальных исследований для реализации интегрированного подхода к улучшению частотных характеристик конструкции ДМ на этапе квалификационных испытаний.

В приложениях приведены вибрационные и амплитудно-частотные характеристики ДМ исследуемого типа, используемые для проведения статистического анализа и акт о внедрении результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты диссертационной работы заключаются:

1. Разработаны технические и методологические решения выявления на более качественном уровне параметров колебаний динамического спектра рабочего диапазона угловой скорости электродвигателей-маховиков систем ориентации космического аппарата.

2. Разработан интегрированный подход, позволяющий определять частотные характеристики конструкций электродвигателей-маховиков на более

высоком уровне, основанный на выявлении резонансных частот с использованием современных методов вибродиагностики (экспериментального модального анализа, определения характеристик в рабочем и в нерабочем режимах) на этапе разработки.

3. Модернизирован программный модуль анализа виброактивного спектра вибрации, что позволяет расширить возможности измерительного комплекса при определении частотного спектра в рабочем диапазоне угловых скоростей изготавливаемых приборов.

4. Разработаны методики и апробировано измерительное оборудование, позволяющее однозначно выявлять причины механических резонансов в рабочем диапазоне рабочих скоростей электродвигателя-маховика.

5. Внедрены в процесс квалификационных испытаний нормированные характеристики, определяющие уровни частотного спектра элементов конструкции электродвигателя-маховика, что позволяет повысить качество выпускаемой продукции в ОАО «НПЦ «Полюс».

6. Предложены и внедрены параметрические модели элементов конструкции электродвигателя-маховика, позволяющие проектировать конструкцию, удовлетворяющую современным требованиям.

7. Разработана методика численного определения параметров вибраций элементов конструкции электродвигателя-маховика, возникающих из-за наличия собственных частот шарикоподшипникового узла и недостаточной жесткости элементов конструкции.

8. Результаты квалификационных испытаний по разработанным методикам показали целесообразность интегрирования экспериментального модального анализа в процесс проектирования.

9. Результаты работы и методики внедрены на предприятии ОАО «НПЦ «Полюс» в этап квалификационных испытаний и в производственный процесс изготовления электродвигателя-маховика.

Опубликованные работы по теме диссертации

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Вибрационный анализ динамических характеристик двигателей-маховиков / Ю.А. Бритова, В.Я. Андросов, B.C. Дмитриев // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - т. 315. - № 2. Математика и механика. Физика - С. 167-172.

2. Влияние жесткости силовых элементов конструкции на величину критической скорости исполнительного органа на базе управляемого по скорости двигателя-маховика (УДМ) / Ю.А. Бритова, B.C. Дмитриев, A.A. Васильцов, И.С. Костарев // Контроль. Диагностика. - 2012. - № 11.

3. Бритова Ю.А. Частотный анализ шарикоподшипниковой опоры исполнительного органа на базе управляемого двигателя-маховика, применяемого для управления ориентацией космического аппарата // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 3 (http://www.science-education.ru).

Публикации в центральной печати:

4. Неразрушающий контроль качества конструкции управляемых по скорости двигателей-маховиков для систем ориентации космических аппаратов на этапах экспериментальной отработки / Бритова Ю.А. // Вестник Сибири. № 4 (5), 2012. - С. 83-88 (http://sjs.tpu.ru).

5. Уровень современного технического развития измерительных систем, применяемых для оценки технического состояния электромеханических исполнительных органов космических аппаратов / Бритова Ю.А. // Вестник Сибири. № 4 (5), 2012. - С. 139-143 (http://sjs.tpu.ru).

Публикации в других научно-технических изданиях:

6. Определение прочностных характеристик конструкций методом экспериментального модального анализа / Ю.А. Бритова, В.Я. Андросов // Механика и процессы управления. Труды XXXIX Уральского семинара, посвященного 85-летию со дня рождения академика В.П. Макеева. - Екатеринбург: УрО РАН, 2009.-С. 201-208.

7. Стенд для измерения возмущающих моментов гиродина / Бритова Ю.А., Лянзбург В.П., Андросов В.Я., Васильцов A.A., Плотников A.B. // Электронные и электромеханические системы и устройства: сб. науч. тр. - Томск: Изд-воНТЛ,2011.-С. 414-419.

8. Статистический анализ вибрационных характеристик двигателей-маховиков / Бритова Ю.А., Плотников A.B., Андросов В.Я. // Электронные и электромеханические системы и устройства: сб. науч. тр. - Томск: Изд-во HTJI, 2011.-С. 487^192.

9. Определение собственных частот конструкции управляемых двигателей-маховиков / Бритова Ю.А., Плотников A.B. // Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем: Материалы научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева, посвященной 50-летию полёта в космос Ю.А. Гагарина. - Железногорск: Изд-во Класс Плюс, 2011. — С. 213-215.

10. Источники механической вибрации электромеханического исполнительного органа систем ориентации космического аппарата / Бритова Ю.А. // Неразрушающий контроль: сборник научных трудов II Всероссийской научно-практической конференции «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность». В 2 т. Т. 2 / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. -С. 97-100.

11. Интегрированный подход к улучшению вибрационных характеристик электромеханических исполнительных органов малых космических аппаратов / Бритова Ю.А. // Неразрушающий контроль: сборник научных трудов II Всероссийской научно-практической конференции «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность». В 2 т. Т. 2 / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - С. 23-25.

12. Математическая модель управляемого двигателя-маховика / Бритова Ю.А. // Неразрушающий контроль: сборник научных трудов II Всероссийской научно-практической конференции «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность». В 2 т. Т. 2 / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012.-С. 107-110.

13. Уровень развития измерительной техники, применяемой для оценки технического состояния электромеханического исполнительного органа / Бритова Ю.А. // Неразрушающий контроль: сборник научных трудов II Всероссийской научно-практической конференции «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность». В 2 т. Т. 2 / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012.-С. 101-104.

Подписано к печати 15.10.2012. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 1,16.

_Заказ 1113-12. Тираж 100 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

ИЗМТЕЛЬСТВОЖТПУ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел/факс: +7 (3822) 56-35-35, www.tpu.ru

ВВЕДЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

I. АНАЛИЗ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ И МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВИБРАЦИИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Объект исследования

1.1.1 Электродвигатель-маховик

1.1.2 Уточнение математической модели электродвигателя-маховика

1.1.3 Тенденции совершенствования электродвигателя-маховика

1.2 Источники вибраций электродвигателя-маховика

1.2.1 Виды источники переменных сил

1.2.1.1 Электромагнитные возбуждающие силы

1.2.1.2 Механические вынуждающие силы

1.2.2 Конструктивные причины вибрации

1.2.3 Производственные погрешности, вызывающие вибрацию

1.2.4 Эксплуатационные причины вибраций

1.3 Обзор методов решения проблем устранения вредных возмущающих воздействий электродвигателя-маховика

1.3.1 Экспериментальное определение динамических характеристик конструкций электродвигателя-маховика

1.3.2 Методика интегрированного подхода к улучшению частотных характеристик электродвигателей-маховиков

1.4 Уровень развития измерительной техники, применяемой для оценки технического состояния исполнительных органов систем ориентации комических аппаратов

Выводы по главе

Цель и задачи исследования 47 И. МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРСТИК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА И

ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

2.1 Методика определения вибрационных характеристик электродвигателя-маховика в рабочем режиме

2.1.1 Подготовка к испытаниям 5 О

2.1.2 Используемое оборудование

2.1.3 Обработка результатов испытаний

2.2 Методика определения резонансных частот конструкции электродвигателя-маховика при проведении испытаний на вибрационной системе

2.2.1 Подготовка к испытаниям

2.2.2 Оборудование для проведения испытаний

2.2.3 Обработка результатов испытаний 68 2.3 Методика определения модальных параметров конструкции электродвигателя-маховика и ее элементов методом экспериментального модального анализа

2.3.1 Подготовка к испытаниям

2.3.2 Оборудование для проведения испытаний

2.3.3 Обработка результатов экспериментального модального анализа 76 Выводы по главе 2 81 III. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

3.1 Статистическая обработка результатов испытаний по определению вибрационных характеристик электродвигателеймаховиков в рабочем режиме

3.2 Статистическая обработка результатов испытаний по определению резонансных частот электродвигателей-маховиков при проведении испытаний на вибрационной системе

Выводы по главе

ГЛАВА IV ЧАСТОТНЫЙ АНАЛИЗ СПЕКТРА ВИБРАЦИИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА

4.1 Программный модуль анализа виброактивного спектра электродвигателя-маховика

4.2 Частотный анализ шарикоподшипниковой опоры электродвигателя-маховика 99 Выводы по главе

ГЛАВА V ЧАСТОТНЫЙ АНАЛИЗ ЗБ-МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В СИСТЕМЕ Т-РЬЕХ АНАЛИЗ

5.1 Частотный анализ методом конечных элементов в системе Т-Иех Анализ

5.2 Результат частотного анализа модели маховика электродвигателя-маховика

5.3 Результат частотного анализа модели основания электродвигателя-маховика

5.4 Результат частотного анализа модели кожуха электродвигателя-маховика 117 Выводы по главе

ГЛАВА VI МОДЕРНИЗИРОВАННАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА

6.1 Параметрическая модель конструкции маховика электродвигателя-маховика

6.2 Результат частотного анализа модели модернизированного маховика электродвигателя-маховика

6.3 Анализ результатов испытаний по определению вибрационных характеристик негерметичного / герметичного модернизированного электродвигателя-маховика

Выводы по главе

Актуальность работы. Современные изделия космической техники являются сложными и дорогостоящими техническими устройствами. Поэтому естественным является стремление заказчиков космической техники к снижению стоимости разработки и изготовления как отдельных технических систем, так и космических аппаратов в целом. Одним из путей снижения стоимости, в определенной степени, является не только разработка элементов систем космических аппаратов (КА) с широким применением унифицированных базовых конструкций (космических платформ), доступной и элементной базой, но и максимально качественная конструкторская отработка опытных образцов, включая различные виды испытаний.

Кроме того, на малых космических аппаратах экономически целесообразно проводить натурную проверку инновационных технических решений и объектов интеллектуальной собственности.

Сегодня КА — стратегическое направление развития космической деятельности всех стран. Это диктуется следующими обстоятельствами:

- массовым спросом на услуги, представляемые ракетно-космической отраслью (интернет-технологии, связь, навигация, метеорология, дистанционное зондирование Земли и акватории океанов, научные исследования);

- достигнутыми результатами в области создания прочных и легких конструкционных материалов, микропроцессоров с высокой производительностью, миниатюрных фотокамер, микромеханизмов, микросенсоров и т.д.;

- высокой конкуренцией со стороны ведущих космических корпораций;

- стремлением снижения затрат на разработку и эксплуатацию космической техники при одновременном увеличении качества и эффективности использования орбитальных группировок космических аппаратов (КА).

Большое внимание созданию малых космических аппаратов уделяют многие ведущие государства в мире, среди них: США, Россия, Япония, Италия, Германия и другие.

Пространственная ориентация и стабилизация положения КА в настоящее время осуществляется в основном посредством исполнительных органов (ИО) различных типов, которые предназначены для формирования управляющих моментов относительно центра масс КА.

В России ОАО «Научно-производственный центр «Полюс» (г. Томск) является одним из основных разработчиков и изготовителей ИО для космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, метеорологических спутников, аппаратов космической связи, телевидения и навигации, в частности, по темам «Глонасс», «Экспресс», «Амос-5».

В настоящее время широко используются электромеханические исполнительные органы с максимальной возможностью минимизации массогабаритных характеристик на базе электродвигателей-маховиков (ДМ), которые генерируют управляющие моменты путем изменения количества движения маховика.

ДМ благодаря своим функциональным возможностям, простоте конструкции и высокой надежности нашел широкое использование в системе ориентации космических аппаратов аэрокосмическими компаниями разных стран.

В связи с вышеизложенным особую актуальность приобретает улучшение эксплуатационных характеристик ДМ и, в частности, снижение его массы и габаритов при одновременном обеспечении требуемых динамических качеств.

Номенклатура используемых материалов сокращается по мере повышения угловой скорости маховиков, что обусловлено существующими механическими характеристиками материалов.

На сегодняшний день использование в качестве материала маховиков хромированной нержавеющей стали 20X13 позволяет выполнить предъявляемые требования к ДМ по массогабаритным, энергетическим, эксплуатационным характеристикам в диапазоне угловых скоростей вращения маховиков.

С повышением требований всего комплекса эксплуатационных характеристик КА возникает необходимость дальнейшего совершенствования эксплуатационных характеристик ИО.

Поэтому на современном этапе развития космической техники одной из актуальных задач на этапе проектирования ДМ для КА является обеспечение требуемых параметров вибрационного спектра элементов конструкции в рабочем режиме. В этом плане обеспечение необходимого качества этапа испытаний (технология, оборудование) является краеугольной проблемой общего процесса создания новых образцов ракетно-космической техники. ,

Цель диссертационной работы состоит в разработке методик контроля частотных характеристик элементов конструкции ДМ с использованием современных методов вибродиагностики и методов статистической обработки результатов испытаний, как на этапе квалификационных испытаний, так и на этапе серийного производства.

Для достижения поставленной цели определенны следующие направления исследований:

1. Проведение анализа параметров частотного спектра конечно-элементных моделей основных элементов конструкции ДМ с использованием современных методов диагностики;

2. Разработка методики анализа результатов испытаний вибрационных характеристик ДМ в рабочем режиме, включающей:

- статистическую обработку результатов испытаний;

- формирование нормированной вибрационной характеристики;

- выявление частотных диапазонов резонансов элементов конструкции и численное определение значений резонансных частот;

- обработка результатов комплексных испытаний в численном виде;

- сравнение экспериментально выявленных частот с расчетными значениями частот, причиной появления которых являются дефекты шарикоподшипникового узла;

3. Разработка методики анализа результатов испытаний выявления резонансных частот конструкций узлов и деталей ДМ, включающей:

- статистическую обработку результатов испытаний;

- определение частотных диапазонов основных резонансов герметичной конструкции ДМ;

4. Проведение экспериментального модального анализа элементов конструкции ДМ;

5. Формирование интегрированной вибрационной картины конструкции

ДМ.

Методы решения задач. Для решения поставленных задач использовались методы вибродиагностики, теория математической статистики, пакеты прикладных программ Excel, Pulse Lab Shop, ME'scopeVES, Shaker Control Software, T-Flex CAD.

Экспериментальные исследования проводились на испытательной базе аэрокосмического предприятия ОАО «НПЦ «Полюс», г. Томск.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается использованием апробированных методов вибрационных испытаний, а также сопоставлением результатов аналитического моделирования с результатами экспериментальных исследований. Расхождение расчетных и экспериментальных результатов составляет не более 10%.

Научная новизна диссертационной работы заключается в:

1. Уточнении математической модели ДМ, позволяющей на стадии проектирования аналитически определять значения собственных частот элементов конструкции;

2. Создании параметрической конечно-элементной модели конструкции маховика, позволяющей при изменении его конструктивных параметров «отслеживать» изменение вибрационного режима узлов и деталей ДМ в рабочем режиме;

3. Разработке методики статистической обработки параметров вибрационных характеристик в рабочем режиме ДМ;

4. Разработке методики формирования нормированной вибрационной характеристики по общему уровню виброскорости в рабочем диапазоне угловых скоростей ДМ с выделением основных резонансных областей и определением амплитуд резонансов в конструкции по их вибрационной характеристики;

5. Разработке программного модуля анализа виброактивного спектра ДМ для определения резонансных частот и идентификации собственных частот шарикоподшипникового узла.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Полученные нормированные характеристики позволяют на этапе квалификационных испытаний контролировать на более качественном уровне проектируемые ДМ (соответствие или несоответствие технической документации);

2. Предложенная параметрическая модель маховика ДМ позволяет на этапе проектирования находить оптимальный вариант его элементов конструкции, гарантирующий смещение собственной частоты за диапазон рабочей угловой скорости ДМ;

3. Использование в процессе испытаний модернизированного программного модуля для анализа виброактивного спектра ДМ при выявлении механического резонанса в рабочем диапазоне угловых скоростей;

4. Внедрение в производственный процесс ОАО «НПЦ «Полюс» разработанных методик интегрированного подхода к улучшению частотных характеристик конструкции ДМ в части определения и анализа вибрационных характеристик (ВХ) при выявлении механического резонанса элементов конструкции ДМ;

5. Внедрение в производственный процесс ОАО «НПЦ «Полюс» базы данных при проведении вибрационных испытаний штатных ДМ.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований и разработанные методики внедрены в технологический процесс механических испытаний ДМ, изготавливаемых ОАО «НПЦ «Полюс», г. Томск для ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева, г. Железногорск.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Уточненная математическая модель ДМ, включающая расчет собственных частот элементов его конструкции, позволяет учитывать уровень параметров их колебаний;

2. Разработка интегрированного подхода к улучшению частотных характеристик конструкции ДМ на этапе разработки, заключающегося в комплексном анализе результатов вибродиагностики (методики определения резонансных частот конструкции ДМ и экспериментального модального анализа) для определения собственных частот элементов конструкции и уточнения их моделей;

3. Автоматизированный метод анализа виброактивного спектра вибрации элементов конструкции ДМ, позволяет оперативно выявлять резонансные частоты и собственные частоты элементов конструкции;

4. Разработанная методика статистической обработки результатов механических испытаний ДМ на основе формирования нормированной характеристики вибрационного спектра позволяет осуществлять контроль качества конструкции ДМ на этапе квалификационных испытаний.

Апробация работы. Основные результаты проведённых исследований докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (Томск, 4-8 мая 2009 г. и 12 - 16 апреля 2010 г.); научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» (Железногорск, 2011г.); научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, ОАО «НПЦ «Полюс» 22 -23 апреля 2010 г.), II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность» (Томск, 28 мая - 1 июня 2012 г.), XVI Международной научной конференции «Решетневские чтения-2012» (Красноярск, 08-10 ноября, 2012 г.).

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 13 печатных работах, в том числе в трех статьях периодической печати из перечня ВАК, двух статьях центральной печати и восьми публикаций в сборниках научно-технических конференций международного и всероссийского уровней.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы 194 страницы, в т.ч. рисунков - 72, таблиц - 29, библиография содержит 77 наименований, приложений - 3.

Основные результаты диссертационной работы заключаются:

1. Разработаны технические и методологические решения выявления на более качественном уровне параметров колебаний динамического спектра рабочего диапазона угловой скорости электродвигателей-маховиков систем ориентации космического аппарата.

2. Разработан интегрированный подход к улучшению частотных характеристик конструкций электродвигателей-маховиков, основанный на выявлении резонансных частот с использованием современных методов вибродиагностики (экспериментального модального анализа, определения характеристик в рабочем и в нерабочем режимах) на этапе разработки.

3. Модернизирован программный модуль анализа виброактивного спектра вибрации, что позволяет расширить возможности измерительного комплекса при определении частотного спектра в рабочем диапазоне угловых скоростей изготавливаемых приборов. I

4. Разработаны методики и апробировано измерительное оборудование, позволяющее однозначно выявлять причины механических резонансов в рабочем диапазоне рабочих скоростей электродвигателя-маховика.

5. Внедрены в процесс квалификационных испытаний нормированные характеристики, определяющие уровни частотного спектра элементов конструкции электродвигателя-маховика, что позволяет повысить качество выпускаемой продукции в ОАО «НПЦ «Полюс».

6. Предложены и внедрены параметрические модели элементов конструкции электродвигателя-маховика, позволяющие проектировать конструкцию, удовлетворяющую современным требованиям.

7. Разработана методика численного определения параметров вибрации элементов конструкции электродвигателя-маховика, возникающих из-за наличия собственных частот шарикоподшипникового узла и недостаточной

10. Расчет на прочность деталей машин: Справочник / И. А. Биргер, Б. А. Шорр, Г. Б. Иосилевич. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. - 702 е., ил.

11. Влияние жесткости силовых элементов конструкции на величину критической скорости исполнительного органа на базе управляемого по скорости двигателя-маховика (УДМ) / Ю.А. Бритова, B.C. Дмитриев, A.A. Васильцов, И.С. Костарев// Контроль. Диагностика. - 2012.

12. Павлов В.А. Основы проектирования и расчета гироскопических приборов. Изд-во «Судостроение», 1967.

13. Севастьянов H.H., Бранец В.Н., Панченко В.А., Казинский Н.В., Кондранин Т.В., Негодяев С.С. ТРУДЫ МФТИ. — 2009. — Том 1, № 3 Анализ современных возможностей создания малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли.

14. ; Мало-массогабаритные космические аппараты дистанционного, зондирования Земли. Грошев В.Я, Грошев С.В, Мельник Н.Н, Темников В.Н, Ляпинков Д.В, Столпаков A.B. ФГУП ВНИИ «Агросистема» Москва 2006.

15. Малые космические аппараты. В 3 кн. Кн. 3. Миниспутники. Унифицированные космические платформы для малых космических аппаратов: справоч. пособие / В. Н. Блинов, Н. Н. Иванов, Ю. Н. Сеченов, В. В. Шалай. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - 348 с.

16. Ковалев М.П. Опоры и подвесы гироскопических устройств. М.: Машиностроение, 1970. 286 с.

17. Ковалев М.П., Моржаков С.П., Терехова К.С. Динамическое и статическое уравновешивание гироскопических устройств. М.: Машиностроение, 1974. 252 с.

18. Источники механической вибрации электромеханического исполнительного органа систем ориентации космического аппарата / Бритова Ю.А. // Неразрушающий контроль: сборник научных трудов II Всероссийской научно-практической конференции «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность». В 2 т. Т. 2 / Томский политехнический университет. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - С. 97 - 100.

19. Вронкин В.А. Методы проектирования малошумных электрических машин. // Труды ВНИИЭМ / Воронкин В.А., Геча В.А., Городетский Э.А. и др. -2006.-Т. 103.

20. Вибрация и вибродиагностики судового электрооборудования / A.A. Александров, A.B. Барков, H.A. Баркова, В.А. Шафранский // Качество и надежность. - Л.: Судостроение, 1986. - 276 с.

21. Шубов И.Г. Шум и вибрация электрических машин. Л., «Энергия»,

1973.

22. Исакович М.М., Клейман Л.И., Перчанок Б.Х. Устранение вибрации электрических машин. - Л.: Энергия. Ленингр. отдние, 1979. - 200с., ил. i

23. Абдулов A.A., Маркитантов Б.С. Определение информативных частот! при вибродиагностике подшипниковых узлов. Л. : Судоремонт флота рыбной промышленности, 1985, №59, с.35-37 j

24. Журавлев В.Ф., Бальмонт В.Б. Механика шарикоподшипников гироскопов / Под ред. Климова Д.М. - М.: Машиностроение, 1985. 272 с.

25. Приборные шариковые подшипники. Справочник под ред. Явленского К.Н. и др. - М.: Машиностроение, 1981.-351 с.

26. Тверяков О.В. Исследование и разработка элементов конструкции одноосного силового гиростабилизатора с учетом динамики роторной системы: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Томск, 2004.

27. Емашов В.Н. Математическое моделирование вибрационной динамики исполнительного органа на основе управляемого по скорости двигателя-маховика. / В.Н. Емашов // Т.1. Современные техника и технологии, СТТ 2002: Труды VIII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск: Изд. ТПУ, 2002. - Т.1. с. 148-150

28. Вибрационная картина исполнительного органа системы ориентации космического аппарата. / В.Н. Емашов, И.А. Плотников. // Тр. гор. науч.-техн. конф. по приборостроению, посвященной сорокалетию полета Гагарина Ю.А. в космос. Томск : издательство ТПУ, 2001. С. 12-13.

29. Пути минимизации возмущающих воздействий двигателей-маховиков / Васильцов A.A. // Электронные и электромеханические системы и устройства: Тез. докл. XVIII науч. - техн. конф (22-23 апр. 2010 г., г. Томск) / ОАО «НПЦ «Полюс». - Томск. - С. 197-198.

30. Анализ и выбор конструкций амортизаторов для электромеханических устройств Васильцов A.A. // Электронные и электромеханические системы и устройства: Тез. докл. XVIII науч. - техн. конф (10-11 апр. 2008 г., г. Томск) / ОАО «НПЦ «Полюс». - Томск. - С. 108-110.

31. Ли, Мин. Демпфирование резонансных колебаний гироскопических систем активным динамическим гасителем: Автореф. дис. канд. техн. наук. т/ М., 2009.

32. Алматов А.П., Маданов Г.Л. и др. Математическая модель космического аппарата, содержащего солнечные батареи малой жесткости. // Сб. Прикладная небесная механика и управление движением. М. —1981, С. 105114.

33. Leung Y.T. Dynamic substructure response. // Journal of sound and vibration. -1991, vol. 149. # 1. p.83-90.

34. Клайн K.A. Исследование динамического поведения конструкции с помощью усеченного базиса из собственных форм и векторов. // Аэрокосмическая техника. —1987, №6. С. 168.

35. РД ВНИПП.038-08 Подшипники качения. Нормы вибрации

36. МВИ ВНИПП.002-04 Подшипники качения. Вибрация. Методика выполнения измерений.

37. ГОСТ 24346-80 Вибрация. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1984.

38. Ширман А.Р., Соловьев А.Б. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования. Москва, 1996. - 276 с.

39. Дэссинг О. Испытания конструкций: В 2 ч. / Брюль и Къер. 1989.

40. Барков А. В. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации: Учеб. пособие / Барков А. В., Баркова Н. А., Азовцев А. Ю. — СПб., 2000. —158 с.

41. Барков A.B., Баркова H.A. Вибрационная диагностика машин и оборудования. Анализ вибрации. - СПб.: СПбГМТУ, 2004. - 156 с.

42. Ильинских B.C. Защита аппаратов от механических воздействий. - М.: Энергия, 1970.

43. Интегрированный подход к улучшению вибрационных характеристик электромеханических исполнительных органов малых космических аппаратов / Бритова Ю.А. // Неразрушающий контроль: сборник научных трудов II Всероссийской научно-практической конференции «Неразрушающий контроль: * электронное приборостроение, технологии, безопасность». В 2 т. Т. 2 / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического I университета, 2012. - С. 23 - 25.

44. Клюев В.В. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара. Справочник "Измерения в промышленности". М: "Металлургия", 1990г.

45. http://www.all.biz/ru - виброиспытательное оборудование.

46. Уровень современного технического развития измерительных систем, применяемых для оценки технического состояния электромеханических исполнительных органов космических аппаратов / Бритова Ю.А. // Вестник Сибири. № 4 (5), 2012. - С. 139-143 (http://sjs.tpu.ru).

47. "Пакет прикладных программ для мониторизации состояния машин и оборудования." Инструкция по эксплуатации. Часть 3. Изд. А/О В ACT, г. Санкт-Петербург, 1994г.

48. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. —М.: Техносфера, 2007.— 384 с

49. Уровень развития измерительной техники, применяемой для оценки технического состояния электромеханического исполнительного органа / Бритова Ю.А. // Неразрушающий контроль: сборник научных трудов II Всероссийской научно-практической конференции «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность». В 2 т. Т. 2 / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - С. 101 -104.

50. Бритова Ю.А. Неразрушающий контроль качества конструкции управляемых по скорости двигателей-маховиков для систем ориентации космических аппаратов на этапах экспериментальной отработки // Вестник Сибири. 2012. № 4 (5). С. 83 - 88. URL: http://sis.tpu.ru (дата обращения 1.09.2012).

51. Универсальная многофункциональная система анализа PULSE 3560: Руководство пользователя / Bruel&Kjaer. 2006.

52. ГОСТ 25275-82 (СТ СЭВ 3173-81) Приборы1 для измерения вибрации вращающихся машин. М.: Издательство стандартов, 1994.

53. ГОСТ 30630.1.1-99 Методы испытаний на стойкость к механическим i i внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Определение динамических характеристик конструкции. М.: Издательство стандартов, 2001.

54. ГОСТ 16819-71 Приборы виброизмерительные. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1988.

55. ГОСТ ИСО 5348-2002 Вибрация и удар. Механическое крепление акселерометров. М.: ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2007.

56. ГОСТ 24347-80. Вибрация. Обозначения и единицы. М.: Издательство стандартов, 1988.

57. Определение динамических характеристик конструкции управляемых двигателей-маховиков / В.Я. Андросов, C.B. Фишко, А.В. Плотников, И.В. Петш // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. тр. - Новосибирск: Наука, 2007. - С. 430-434.

58. Вибрационный анализ динамических характеристик двигателей-маховиков / Ю.А. Бритова, В .Я. Андросов, B.C. Дмитриев // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - т. 315. - №2. Математика и механика. Физика-С. 167-172.

59. Стенд для измерения возмущающих моментов гиродина / Бритова Ю.А., Лянзбург В.П., Андросов В.Я., Васильцов A.A., Плотников A.B. // Электронные и электромеханические системы и устройства: сб. науч. тр. -Томск: Изд-во НТЛ, 2011. - С. 414 - 419.

60. ГОСТ РВ 20.57.305-98 Комплексная система контроля качества. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Методы испытаний на воздействие механических факторов.

61. ГОСТ ИСО 10816-1-97 Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть I. Общие требования. М.: ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2007.

62. Иориш Ю. И. Измерение вибраций. Общая теория, методы и приборы. - М.: Машизд, 1956.

63. Руководство по системе виброиспытаний V8. Номер руководства 3000241.

64. Определение собственных частот конструкции управляемых двигателей-маховиков / Бритова Ю.А., Плотников A.B. // Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем: Материалы научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева, посвященной 50-летию полёта в космос Ю.А. Гагарина, (с. 213-215).

65. Определение прочностных характеристик конструкций методом экспериментального модального анализа / Ю.А. Бритова, В.Я. Андросов // Механика и процессы управления. Труды XXXIX Уральского семинара, посвященного 85-летию со дня рождения академика В.П. Макеева. -Екатеринбург: УрО РАН, 2009. - С. 201-208. мм/с 6.0 ■

150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 угловая скорость вращения ДМ

Вибрационные характеристики по трем осям не герметичного ДМ №11 при расположении ВИП 1 в районе шарикоподшипникового узла

Вибрационные характеристики по трем осям негерметичного ДМ №12 при расположении ВИП 1 в районе шарикоподшипникового узла

•—Z Y X w \

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 Р8^0 угловая скорость вращения ДМ

Вибрационные характеристики по трем осям герметичного ДМ №11 при расположении ВИП 1 в районе шарикоподшипникового узла

Вибрационные характеристики по трем осям герметичного ДМ №12 при расположении ВИП 1 в районе шарикоподшипникового узла

Амплитудно-частотная характеристика герметичной конструкции ДМ №4, ВИЛ 1, направление воздействия вдоль оси X (У) частота, Гц

Амплитудно-частотная характеристика герметичной конструкции ДМ №4, ВИЛ 2, направление воздействия вдоль оси X (У) частота, Гц

ЗАКЛЮЧЕНИЕ