III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

1. Конструкция опоры для прецизионных приборов с трением упругости

Опора содержит [1, 2] два кольца 1 и 2, связанных между собой пластинами 3, которые смещены относительно друг друга на 120°. Пластина 3 имеет устройство нагружения 4. Наружное кольцо 2 жестко связано с неподвижной частью прибора.

Подвижная часть прибора закреплена на внутреннем кольце 1 опоры и способна совершать угловое перемещение в пределах ±2°.

2. Условия настройки опоры на квазинулевую жесткость

Благодаря подбору усилия натяжения пластин  в опоре может быть получена квазинулевая крутильная жесткость при высокой радиальной и осевой жесткости.

Работа опоры основа на изгибе пластины под действием осевой нагрузки.

Рассмотрим пример расчета опоры для прецизионных приборов.

Для расчета опоры необходимо выбрать материал упругих элементов (пластин). Для этой цели могут быть использованы материалы, обладающие высокими упругими характеристиками: бериллиевые бронзы, пружинные стали, монокристаллический кремний.

Возьмем наиболее доступный материал - пружинную сталь 60С2А ГОСТ 14963-78.

Произведем расчет крутильной жесткости опоры в зависимости от силы Рх нагружения упругих элементов. Для исключения влияния изменения веса подвижной системы на настройку опоры примем условие: усилие Рх в несколько раз превышает вес «полезной нагрузки».

С помощью программы MathCad рассчитаем значения крутильной жесткости С для усилий нагружения Рх в диапазоне от 0 до 150 Н (рис.4). Задаем значения радиусов колец r₁ и r₂ для двух случаев: I) r₁ = 5 мм, r₂ = 10 мм; II) r₁ = 10 мм, r₂ = 20 мм. Значения толщины пластины h в первом и во втором случаях принимаем равными    0,2 мм, 0,3 мм и 0,4 мм. Ширина пластины b для всех случаев 4 мм.

Для рассмотренных размеров и нагрузок упругий элемент проверяется по условию прочности.

Анализ результатов расчета показывает, что  опора  с   параметрами   r₁=5 мм,  r₂=10 мм  и h = 0,3 мм имеет при выполнении условия прочности, следующие преимущества:

1) минимальные габариты;

2) наиболее благоприятные условия настройки на квазинулевую жесткость. Меньшая, чем для случая II крутизна настроечной характеристики позволяет осуществить настройку плавно.

3. Анализ напряженно-деформированного состояния опоры

Целью настоящего исследования является определение напряженно-деформированного состояния опоры для определенных размеров и условий нагружения лент.

Исследования проведены в программном продукте T-Flex Анализ для опоры с размерами r₁=10 мм, r₂=20 мм.

3.1. Напряженно-деформированное состояние опоры при предварительном нагружении опоры нагрузкой Р.

Ниже приведены результаты анализа при различных значениях нагрузки Р (50, 100, 150 Н).

4. Анализ результатов

Оценка результатов механического анализа позволяет сделать следующие выводы:

при выбранных усилиях нагружения лент напряжения, перемещения, упругие деформации и коэффициенты запаса по напряжениям находятся в пределах допустимых значений;

при установке опоры на подвижный объект, совершающий вращение с угловой скоростью ω=5 град/c и угловым ускорением ε=2 рад/c² параметры напряженно-деформированного состояния опоры находятся в пределах допустимых значений;

при нагружении внутреннего кольца опоры осевой нагрузкой, равной 100Н, что имеет место при изменении пространственного положения опоры, параметры напряженно-деформированного состояния опоры также находятся в пределах допустимых значений.

Заключение

Результаты анализа показывают, что рассматриваемая опора может быть применена в прецизионных приборах, работающих как в стационарных условиях, так и на подвижном основании.

Для большей достоверности, необходимо провести исследования состояния опоры под воздействием вибрационных и ударных перегрузок.

Литература

1. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов.-2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1981. -392с.

2. Бабаева Н.Ф., Ерофеев В.М., Сивоконенко И.М. и др. Расчет и проектирование элементов гироскопических устройств. - Л. Машиностроение, 1967. - 480с.

3. Гормаков А.Н., Камашев Ю.М., Ветренко В.И. Опора для прецизионных приборов// Патент России № 2011057.1994. Бюл. № 7.

4. Мисайлова Л.В. Расчет и проектирование опоры для прецизионных приборов//Труды XVI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2010».- Томск, 2010. - Т.1.- С.237-239 (http://portal.tpu.ru/science/konf/ctt/proceedings).