Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Метрологические аспекты модели уравновешивания летательного аппарата на динамическом балансировочном стенде

Полный текст:

Аннотация

Рассмотрены результаты разработки методики подтверждения характеристик точности низкочастотного вертикального динамического балансировочного стенда, предназначенного для контроля параметров массоинерционной асимметрии летательных аппаратов конической формы.

Для цитирования:


Ключников А.В., Лысых А.В., Чертков М.С. Метрологические аспекты модели уравновешивания летательного аппарата на динамическом балансировочном стенде. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2015;(1):43-48.

Обеспечение динамической устойчивости в процессе траекторного движения скоростного летательного аппарата (ЛА), в частности, ста­билизированного вращением, требует на за­ключительном этапе его общей сборки экспери­ментального определения массоцентровочных и инерционных характеристик (МЦИХ) - мас­сы, координат центра масс, моментов инерции, а также приведения параметров массоинер­ционной асимметрии к значениям, не превы­шающим заданные в эксплуатационной доку­ментации на аппарат предельно допустимые значения. К параметрам, характеризующим массоинерционную асимметрию и существен­но влияющим на лётно-технические характери­стики аппарата, относятся величина попереч­ного смещения центра масс относительно его геометрической оси, являющейся также осью симметрии наружной поверхности, и угол от­клонения продольной главной центральной оси инерции (ГЦОИ) от той же оси.

Массу ЛА, как правило, определяют на стандартных весах, а для определения осталь­ных МЦИХ используют специализированные контрольно-измерительные стенды, учитывающие форму корпуса и другие конструктив­ные особенности контролируемых аппаратов. Для определения координат центра масс ис­пользуют центровочные стенды, реализующие весовой метод измерений, а для определения моментов инерции - стенды, реализующие ме­тод физического или крутильного маятника. Достигнутая точность лучших образцов цен­тровочных стендов позволяет по результатам измерений поперечных координат центра масс рассчитывать величину смещения его с геоме­трической оси ЛА с погрешностью от 0,05 до 0,1 мм, а достигнутая точность лучших образ­цов маятниковых стендов позволяет по резуль­татам измерений моментов инерции аппарата относительно шести осей рассчитывать угол отклонения продольной ГЦОИ от геометриче­ской оси с погрешностью порядка нескольких угловых минут.

Высокая трудоёмкость и низкая произ­водительность обоих типов стендов являются одним из основных факторов, сдерживающих дальнейшее повышение точности определения и обеспечения параметров массо-инерционной асимметрии с их использованием в процессе уравновешивания ЛА. Ужесточение требований к точности обеспечения параметров, характе­ризующих массо-инерционную асимметрию аппарата, близость номинальных значений этих параметров к нулю делает актуальным исполь­зование динамических балансировочных стан­ков (стендов) для их определения. Из литерату­ры по балансировочной технике известно [1], что точность определения и, следовательно, обеспечения параметров массоинерционной асимметрии тел с использованием метода ди­намической балансировки при совмещении гео­метрической оси с осью вращения, имеющейся у балансировочного стенда, в 4-5 и более раз выше, чем при использовании метода статиче­ской балансировки.

Для балансировки в динамическом режи­ме длинномерных тел вращения конической формы в РФЯЦ-ВНИИТФ спроектирована и изготовлена автоматизированная система контроля (АСК), построенная на основе специ­ализированного вертикального низкочастот­ного динамического балансировочного стенда с жёсткими газовыми опорами и средств вы­числительной техники, разработана и исследо­вана методика уравновешивания тела в одной плоскости коррекции, расположенной на значи­тельном расстоянии от его центра масс [2-4]. Система позволяет с высокой точностью опре­делять параметры массоинерционной асим­метрии и обеспечивает прецизионное урав­новешивание высокоскоростных ЛА после их изготовления и сборки.

Стенд (рис. 1) содержит две опоры, вы­полненные в виде соосных конических газоста­тических подшипников (ГСП), удерживаемых консольными подвесами, которые закрепле­ны на вертикальной стойке, установленной на мощном фундаменте. Для измерения вибраций опор, пропорциональных действующим в пло­скостях коррекции дисбалансам при вращении в опорах контролируемого объекта, в упругом элементе каждого из подвесов установлен пье­зоэлектрический датчик силы. Для измерения частоты вращения объекта, а также в качестве отметчика фазы используется оптоволоконный фотодатчик. Пневматические механизмы раз­гона и торможения конструктивно совмещены соответственно с верхним и нижним ГСП.

 

Рис. 1. Конструктивная схема балансировочного стенда:

1 - фундамент; 2 - вертикальная стойка; 3, 4 - датчи­ки силы; 5 - фотодатчик; 6 - зеркальный светоотра- жатель; 7 - технологический переходник; 8 - объект контроля; 9 - верхний ГСП; 10 - пневматический ме­ханизм разгона; 11 - пневматический механизм тормо­жения; 12 - нижний ГСП

 

Контролируемый ЛА устанавливается вертикально, торцом вверх (что исключает погрешности, связанные с прогибом корпуса аппарата под действием сил тяжести) внутри специального защитного технологического пе­реходника, предварительно загруженного на ГСП, и фиксируется в осевом направлении с помощью шпилек (не показаны), которые рав­номерно расположены по окружности профи­лированной крышки (не показана), прикреплён­ной к верхнему торцу переходника с помощью винтов. Переходник выполнен в виде тонко­стенного металлического кожуха, наружная боковая поверхность которого соответствует рабочим поверхностям газостатических под­шипников, и имеет форму усечённого конуса. При этом поверхности внутренних опор пере­ходника соответствуют базовым посадочным поверхностям контролируемого аппарата. При­менение переходника исключает возможность механического контакта аппарата с баланси­ровочным оборудованием в процессе выпол­нения измерений, а также задействует вторую, нижнюю плоскость коррекции, реализованную на нижнем торце переходника, что необходимо для настройки измерительной системы стенда на контролируемый ЛА (при этом в качестве верхней плоскости коррекции используется штатная плоскость коррекции, расположенная вблизи торца аппарата). На цилиндрической части наружной боковой поверхности переход­ника закрепляется зеркальный светоотражатель фотодатчика.

В качестве рабочего тела используется сжатый воздух, поступающий в ГСП и пневма­тические механизмы разгона и торможения из заводской пневмосети низкого давления (до 0,6 МПа). За счёт жёсткости слоя воздуха, подавае­мого под давлением в зазоры между наружны­ми поверхностями вращающегося роторного объекта контроля и рабочими поверхностями ГСП, исключается сухое трение между сопряга­емыми поверхностями и обеспечивается мини­мальная скорость затухания частоты вращения на выбеге ротора. Раскрутку до рабочей часто­ты вращения или торможение сборного ротора, образованного переходником и собственно контролируемым аппаратом, осуществляют, пода­вая сжатый воздух соответственно в механизм разгона или торможения [2].

Летательный аппарат балансируется на стенде как отдельная деталь в составе сборно­го ротора. Перед проведением балансировоч­ного эксперимента определяют (на другом обо­рудовании и с помощью других средств измерений) массу, продольное положение цен­тра масс относительно штатной плоскости кор­рекции ЛА, а также значения его аксиального и экваториального моментов инерции. После установки ЛА внутри технологического пере­ходника по известным линейным размерам переходника рассчитывают расстояние от цен­тра масс аппарата до нижней плоскости коррек­ции. Настройку стенда выполняют в ходе ба­лансировочного эксперимента с помощью пробных грузов известной массы, поочерёдно прикрепляемых к плоскостям коррекции в из­вестных угловых положениях [2, 3]. Искомые значения параметров массоинерционной асим­метрии - поперечного смещения центра масс ρ и угла αХ перекоса продольной ГЦОИ относи­тельно геометрической оси ЛА (каждый из ко­торых представляет двухмерную величину, т. е. характеризуется значением и угловым положе­нием) - определяют [1] по результатам измере­ний векторов дисбалансов аппарата  и , действующих соответственно в верхней и ниж­ней плоскостях коррекции, по формулам:

где хВ и хН - расстояния от центра масс аппара­та до соответственно верхней и нижней пло­скостей коррекции;

М - масса;

Iэ и Iа - соответственно экваториальный и аксиальный моменты инерции аппарата, а дис­балансы определяются соотношениями:

где mВ и mН - неуравновешенные массы, рас­положенные на радиусах  соответственно в верхней и нижней плоскостях коррекции. При этом определение параметров дисбалан­сов выполняют с использованием метода двух сборок, когда угловые положения аппарата от­носительно технологического переходника от­личаются между собой на 180°, а результаты измерений дисбалансов сборного ротора, полу­ченные для каждого углового положения ЛА, усредняются с целью исключения паразитных дисбалансов, которые обусловлены использо­ванием технологического переходника в про­цессе балансировки [3, 4]. Если значение како­го-либо из указанных параметров превышает предельно допустимое, то проводят расчёт массы и определяют угловое положение балан­сировочного груза, прикрепление которого к штатной плоскости коррекции обеспечит при­ведение их к заданным нормативам.

Зависимости (1)-(4) могут рассматри­ваться как математическая модель уравновеши­вания летательного аппарата, представляемо­го как идеальный «длинный» жесткий ротор, и позволяют оценить значения параметров, характеризующих несимметричность в рас­пределении его масс. Очевидно, что точность определения данных параметров аппарата, кон­тролируемого на динамическом балансировоч­ном стенде, при прочих равных условиях зави­сит от качества функционирования стенда, т. е. в первую очередь определяется метрологи­ческими характеристиками стенда. Основной трудностью при оценке качества функциони­рования стенда явилось отсутствие эталонов и средств измерений, сопоставимых по точно­сти и диапазонам контролируемых параметров асимметрии масс для оценки погрешностей измерений указанных параметров в процессе уравновешивания ЛА на стенде.

Возможно использование одного-двух эталонов, специально изготовленных в виде массогабаритных имитаторов аппарата, каж­дый из которых обладает единственным на­бором известных (паспортных) значений контролируемых параметров. Такой подход, применяемый, например, для контроля метро­логических характеристик центровочных и маятниковых стендов [5], не позволяет опре­делить характеристики точности балансировочного стенда во всём диапазоне измерений каждого из контролируемых параметров. А из­готовление набора эталонов требуемой формы и с требуемыми массогабаритными, массоцен­тровочными и инерционными характеристика­ми, позволяющих исследовать характеристики точности стенда в заданных диапазонах с по­следующей паспортизацией каждого эталона из этого набора, является технически сложной и дорогостоящей задачей.

Задача контроля погрешностей измере­ний параметров П массоинерционной асимме­трии решается с использованием эталонного ротора, представляющего собой массогабаритный макет ЛА и выполненного в форме усечён­ного конуса, на торцах которого имеются при­способления для прикрепления контрольных грузов, а также набора калиброванных кон­трольных грузов. При этом массо-центровоч- ные и инерционные характеристики, в т. ч. па­раметры асимметрии масс  эталонного ротора должны быть известны с высокой точ­ностью, а его габаритные размеры, масса и ба­зовые посадочные поверхности должны соот­ветствовать указанным характеристикам и поверхностям подвергающегося балансировке аппарата. Эталонный ротор для проведения метрологических испытаний устанавливается на внутренние опоры технологического пере­ходника вертикально, большим торцом вверх. Определение параметров массо-инерционной асимметрии, моделируемых с использованием эталонного ротора, выполняют методом двух сборок [3].

Перед проведением испытаний каждый из контролируемых диапазонов измерений па­раметров Дп=(Пmin, Пmах) равномерно разбива­ют на 4-5 интервалов. Далее в каждой прове­ряемой точке соответствующего диапазона моделируют (задают в статических условиях) двухмерное эталон ное значение параметра асимметрии масс  путём прикрепления к плоскостям коррекции в известном угловом положении эталонного ротора контрольных грузов известной массы, и в соответствии с рассмотренной моделью уравновешивания ЛА выполняют несколько (до пяти) измерений па­раметра с использованием метода двух сборок [4]. Затем, учитывая, что результат измерения ПИЗМ содержит в себе геометрическую сумму смоделированного и присущего эталонному ротору параметров асимметрии, рассчитывают погрешность каждого i-го измерения как мо­дуль геометрической разности между измерен­ным и эталонным параметром, а также пара­метром, характеризующим асимметричность в распределении масс эталонного ротора, по формуле:

Расчёт эталонных параметров для моде­лирования (поперечного смещения центра масс  и  углаперекоса продольной ГЦОИ от­носительно геометрической оси эталонного ротора) производится с использованием рас­положенных на торцах контрольных грузов, которые устанавливаются в известных угловых положениях на верхней и нижней плоскостях коррекции эталонного ротора (рис. 2), по фор­мулам:

где mkВ и mkН - массы контрольных грузов;

МРОТ- масса эталонного ротора;

гВЭ и гНЭ - радиусы верхней и нижней плоскости коррекции эталонного ротора;

хВЭ и хНЭ - расстояния от центра масс эталонного ротора до его верхнего и нижнего торцов соответственно, реализующих соответ­ствующие плоскости коррекции;

Iэ РОТ и Iэ РОТ - соответственно аксиальный и экваториальный моменты инерции эталон­ного ротора.

 

Рис. 2. Схема эталонного ротора:

1 - контрольный груз ткВ; 2 - контрольный груз ткН; 3 - продольная ГЦОИ; 4, 8 - плоскость коррекции; 5 - опора верхняя; 6 - центр масс; 7 - опора нижняя; 9 - геометрическая ось

 

По результатам испытаний стенд и соз­данная на его базе система контроля призна­ются годными к эксплуатации, если во всех проверяемых точках отклонения между эталонным значением и результатом измерений для каждого контролируемого параметра асим­метрии массы не выходят из допускаемых гра­ниц ПдОП , которые определяются в процес­се первичной метрологической аттестации. В противном случае система признаётся несоответствующей заданным требованиям и должна быть направлен в ремонт.

Вывод

Рассмотренный способ и методика обеспечи­вают возможность проведения периодического контроля метрологических характеристик АСК в заданных диапазонах измерений параметров массоинерционной асимметрии с помощью единственного эталонного ротора. Методика характеризуется высокой информативностью, наглядностью и простотой реализации, что очень важно, например, на этапе серийного производства продукции. В ходе метрологиче­ских испытаний системы исключается влияние параметров собственной асимметрии массы эталонного ротора на результаты определения погрешностей измерений контролируемых па­раметров. Экспериментально определённые (с использованием эталонного ротора) на рабочей частоте вращения 2 Гц погрешности АСК со­ставили 0,01 мм при определении поперечного смещения центра масс в диапазоне измерений от 0,03 до 0,2 мм и 1 угловую минуту при опре­делении угла перекоса продольной ГЦОИ в диапазоне измерений от 1 до 10 угловых минут.

Способ защищён патентом Российской Федерации на изобретение [6].

Список литературы

1. Основы балансировочной техники. Т. 1. Уравновешивание жёстких роторов и механизмов / под ред. В. А. Щепетильникова. М.: Машиностроение, 1975. 527 с.

2. Балансировочный стенд с вертикальной осью вращения: пат. на изобретение № 2292533 Рос. Федерация, МПК G01M 1/02; Заявлено 12.03.2006; Опубл. 27.06.2007, Бюл. № 16. 12 с.

3. Ключников А. В., Сидоров А. В. Применение метода динамической балансировки для прецизионного контроля параметров массо-инерционной асимметрии роторных объектов // Приборы и системы. Управление, Контроль, Диагностика. 2011. № 3. С. 48–53.

4. Способ балансировки ротора: пат. на изобретение № 2292534 Рос. Федерация, МПК G01M 1/04; Заявлено 12.03.2006; Опубл. 27.06.2007, Бюл. № 16. 12 с.

5. Матвеев Е. В., Видаков В. С., Корастелёв Ф. А. Совершенствование технологии проверки метрологических характеристик стендов для контроля геометрии масс космических аппаратов // Новые технологии: материалы IX Всероссийской конф. В 3-х т. М.: РАН, 2012. Т. 1. С. 73–83.

6. Способ проверки качества функционирования низкочастотного динамического балансировочного стенда: пат. на изобретение № 2434212 Рос. Федерация, МПК G01M 1/04/ Заявлено 11.07.2010; Опубл. 18.05.2011, Бюл. № 9. 19 с.


Об авторах

А. В. Ключников
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е. И. Забабахина»
Россия

Ключников Александр Васильевич – кандидат технических наук, начальник конструкторского отдела.

Область научных интересов: системы контроля и испытаний вооружений и военной техники.

г. Снежинск



А. В. Лысых
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е. И. Забабахина»
Россия

Лысых Александр Валерьевич – инженер-программист 3 категории.

Область научных интересов: автоматизация научных исследований и технологических процессов, программирование.

г. Снежинск



М.  С. Чертков
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е. И. Забабахина»
Россия

Чертков Максим Сергеевич – аспирант, инженер-конструктор 1 категории.

Область научных интересов: управление в технических системах, контроль и испытания летательных аппаратов и их систем.

г. Снежинск



Для цитирования:


Ключников А.В., Лысых А.В., Чертков М.С. Метрологические аспекты модели уравновешивания летательного аппарата на динамическом балансировочном стенде. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2015;(1):43-48.

Просмотров: 34


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)