IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Создание опор с малым моментом трения является достаточно распространенной инженерной задачей. Принцип работы опоры определяет её конструктивные особенности, массо-габаритные характеристики, момент сопротивления.

В нашем случае задача создания маломоментной опоры возникла в связи с разработкой стенда, с помощью которого можно было бы наглядно продемонстрировать принцип работы маховичной системы управления космическими аппаратом. [1] Основное назначение стенда – объяснение молодежи, в основном школьникам, применение законов механики в системах управления. Исходя из требований к демонстрационному стенду – простота конструкции, применение доступных элементов и материалов, безопасность эксплуатации, возможность транспортировки при проведении видных агитационных мероприятий, была принята структура стенда, которую можно представить следующим образом. На вращающейся платформе, представляющей корпус космического аппарата, установлен микродвигатель – маховик, электронная схема его питания, аккумулятор. Кроме того там же расположена схема дистанционного включения/выключения маховика. Так как все электрические элементы установлены на вращающейся платформе, то данная конструкция не требует наличия токоподводов, обеспечивающих гальваническую связь с неподвижным основанием. Последнее обстоятельство существенно упрощает конструкцию опоры. Вращающуюся платформу стенда предполагается выдерживать в горизонтальном положении, следовательно ось подвеса будет все время расположена вертикально. В этом случае на опору будут действовать нагрузки как в осевом, так и в радиальном направлении. В связи с тем, что управляющий момент микродвигателя – маховика мал, чтобы гарантированно заставить вращаться платформу, необходимо, чтобы момент трения в опоре был как можно меньше, и обязательно меньше управляющего момента.

В связи с упомянутым обстоятельством был проведен анализ существующих вариантов конструкций маломоментных опор. С учетом указанных ранее эксплуатационных ограничений, финансовых возможностей, доступных элементов, специфических требований, такие виды опор, как различные типы магнитных, газо- и гидростатических, электростатические были отклонены. Основное внимание было уделено оценке возможности использования шарикоподшипниковых опор. Шарикоподшипники – основные опоры в современном приборостроении. Их достоинства и недостатки широко освещены в технической литературе [2-5].

В приборостроении для уменьшения моментов трения шарикоподшипников используют принудительное движение их колец. В данном случае реализуются принципы Н.Е.Жуковского [6].

Для прецизионных гироскопических систем разработаны специальные шарикоподшипники, которые имеют три кольца: наружное, промежуточное (среднее) и внутреннее. Такие шарикоподшипники называют трехколечными. Промежуточное кольцо такого шарикоподшипника при помощи специального привода совершает периодическое вращательное движение. В качестве привода могут быть использованы двухфазные асинхронные исполнительные электродвигатели, электромагниты [7].

Считаем, что в нашем случае наиболее рациональным является применение электромагнитного привода ввиду простоты его реализации. Так как трехколечные шарикоподшипники являются достаточно редкими, не всегда доступными элементами, принято решение опору создать из совокупности двух обычных радиально-упорных шарикоподшипников, связанных между собой промежуточной втулкой. Такой вариант имеет преимущество в том, что к втулке достаточно просто закрепить якорь электромагнитов. Структура предполагаемой опоры аналогична конструкции рассмотренной в [6]. Для центрирования штанги была применена конструкция, состоящая из 2-х пружин, которые крепятся на основании стенда и удерживают штангу в необходимом положении.

рис. 1

На основании стенда 1 смонтирован корпус опоры 2, в которой помещена структура, состоящая из внешнего шарикоподшипника 3, промежуточной втулки 4 и внутреннего шарикоподшипника 5, внутреннее кольцо которого связывается полуосью с платформой, моделирующей корпус летательного аппарата. С промежуточной втулкой 4 связана штанга 6, которая центрируется пружинной конструкцией 7. Задание колебательного движения промежуточной втулки 4 производится за счет периодического подключения обмоток двух электромагнитов 8, общий якорь 9 которых закреплен на штанге. Схема подключения обмоток приводится на рис. 2

Рис. 2

Очевидно, что частота колебаний промежуточной втулки определяется частотой подаваемого на обмотки электромагнита напряжения. Так как использовать источники напряжения с нестандартной частотой, близкой к резонансной (для более эффективной работы) в данном случае не рационально, было принято решение выбрать необходимый режим механических колебаний штанги при помощи соответствующего подбора жесткости элементов пружинной конструкции.

Список литературы

1. Крылатов А. Ю. , Яркимбаев Ш. С. , Хрущ Е. И. , Булатов М. Е. Учебно-демонстрационный стенд “Управляющий маховик-космический аппарат” // Инженерия для освоения космоса: сборник научных трудов IV Всероссийского молодежного Форума с международным участием , Томск, 12-14 Апреля 2016. - Томск: Изд-во ТПУ, 2016 - Т. 2 - C. 14-19.

2. Ковалев, М.П. Опоры приборов / М.П. Ковалев, И.М. Сивоконенко, К.Н. Явленский. - М.: "Машиностроение", 1967 г., 192 с.

3. Справочное пособие. Подшипники качения / Под ред. Н.А. Спицына и А.М. Спришевского. - М.: Машгиз, 1961 г., 828 с.

4. В.Б. Бальмонт, Опоры качения приборов / В.Б. Бальмонт, В.А. Матвеев. - М.: “Машиностроение”, 1984 г., 240 с.

5. Справочник. Приборные шариковые подшипники / Под ред. К.Н. Явленского. М.:”Машиностроение”, 1981 г., 352 с.

6. В.А. Павлов, Основы проектирования и расчета гироскопических приборов / В.А. Павлов. – Л.:”Судостроение”, 1967 г., 260 с.

7. Е. А. Никитин, Гироскопические системы. Элементы гироскопических приборов : учебник для приборостроительных специальностей вузов / Е. А. Никитин, С. А. Шестов, В. А. Матвеев ; Ред. Д. С. Пельпор . – 2-е изд., перераб. и доп . – М. : Высшая школа, 1988 . – 432 с.

Код для цитирования: Скопировать