Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА НА БАЗЕ УПРАВЛЯЕМОГО ПО СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА.

Дмитриев В.С. 1 Дмитриева Е.М. 1
1 Национальный исследовательский томский политехнический университет, Томск
В статье рассматривается расчёт ресурса вероятностным методом шарикоподшипниковых опор исполнительного органа (ИО) на базе управляемого по скорости двигателя-маховика ориентации космического аппарата, рассчитанный на 5 лет. На примере расчёта ресурса опор электромеханического исполнительного органа показано, что процент надёжности повышается с увеличением испытуемой партии шарикоподшипников. В статье приведены методика расчёта и результаты испытаний подшипников в количестве 25 и 50 шт., где очевидно, что при увеличении партии испытуемых подшипников надёжность возрастает. По полученным теоретическим результатам проводимой НИР для создания ИО миниспутника, можно сказать, что при условии проведения испытаний партии в количестве 100 шт. надёжность работы шарикоподшипниковых опор в течение 5 лет эксплуатации будет составлять практически 100%.
вероятность.
расчёт
ресурс
двигатель-маховик
1. Бабаев Н.Ф., Ерофеев В.М. и др. Расчёт и проектирование элементов гироскопических устройств. - Л.: Изд-во «Машиностроение», 1967.
2. Копытов В.И. Системы управления космическими аппаратами (Исполнительные органы: назначение, принцип действия, схемы, конструкция): Учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 2000. - 207 с.
3. Ковалёв М.П. Опоры и подвесы гироскопических устройств. - М.: Изд-во «Машиностроение», 1970.
4. A. Pothiawala, M.A. Dahleh, Hoo Optimal control for the attitude control and momentum management of the space station, MIT, Cambridge, MA 02139.
5. http://viasatfan.clan.su/forum/28-1334-1 (дата обращения 02.10.2011).
При стабилизации углового положения космического аппарата (КА) возникает достаточно большая динамическая ошибка из-за автоколебательного режима, присущего системам ориентации (СО), в которых в качестве исполнительного органа (ИО) используются реактивные сопла, что является существенным недостатком таких СО.

Этот недостаток отсутствует в СО, где в качестве ИО используются реактивные двигатели-маховики (управляемые по скорости двигатели-маховики - УДМ), работающие в режиме изменения кинетического момента (1) [1]:

   (1)

Конструктивно УДМ выполняется в виде электродвигателя с маховой массой, устанавливаемой на его валу (рис.1).

Из-за хороших регулировочных характеристик вентильного электродвигателя и динамических качеств в целом ИО УДМ широко используются в СО, длительно существующих КА на околоземных орбитах.

Долговечность УДМ во многом определяется долговечностью шарикоподшипников, работа которых обеспечивает ресурс ИО многие годы без регламентных работ. В процессе эксплуатации ИО происходит длительный, постепенный износ подшипника, причинами которого могут быть: превышение заданного предельного значения момента трения в опоре, потеря точности вращения ротора, тепловые деформации, нарушение установленного предварительного натяга, увеличение осевых и радиальных смещений центра ротора [2].

 

Рис.1. Электродвигатель-маховик (1 - маховик с явно выраженным ободом, 2 - шарикоподшипниковые опоры, 3 - электродвигатель, 4 - датчик скорости, 5 - кожух, 6 - герметичный разъём)

Целью данной научно-исследовательской работы (НИР) является аналитическое исследование технических характеристик проектирования УДМ для малого космического аппарата. Как уже говорилось,УДМ широко используется во всех системах ориентации длительно существующих околоземных КА и орбитальных космических станций. Это обусловлено экономией рабочего тела (топлива или газа) для микрореактивных двигателей на борту, а также высокой точностью ориентации, надежностью, экологической чистотой и возможностью сохранения «прозрачной среды» вокруг объекта, необходимой для работы бортового оптического оборудования [4]. Основным типом УДМ, исходя из выше изложенного в настоящее время, определился двигатель-маховик с использованием бесконтактного двигателя постоянного тока.

При проектировании УДМ одной из первоочерёдных и наиболее важных решаемых задач является определение долговечности его шарикоподшипниковых опор (т.е. расчёт ресурса в целом ИО). Экспериментальные данные, полученные к настоящему времени, представляют собой результаты испытаний подшипников качения на усталость. Однако отказ высокоскоростных шарикоподшипников УДМ не связан с усталостными явлениями. Поэтому методика расчёта (2) долговечности подшипников УДМ является малоэффективной [3]:

 (2)

где h - долговечность подшипников в час;

n - скорость вращения в об/мин;

c - коэффициент работоспособности для подшипников;

Q - приведённая нагрузка в кГ.

Более технически обоснованно проводить расчёт ресурса ИО, исходя из вероятности отказа работы подшипников. Ввиду наличия различных факторовв процессе производства подшипников их долговечность является случайной величиной. Поэтому характеристики долговечности и надёжности приборных подшипников качения есть величины вероятностные. Основными количественными характеристиками, наиболее полно определяющими долговечность подшипника, являются функции распределения F(t) и плотность распределения  [3].

Вероятность безотказной работы  в течение заданного времени  выражается через функцию распределения (3):

  (3)

Для приборных подшипников функция распределения наилучшим образом описывается формулой Вейбулла (4):

 (4)

где a - параметр сдвига;

b - параметр масштаба;

k - параметр износа.

В тех случаях, когда износ не определяет долговечности подшипников, параметр k принимается равным единице.

Оценки параметров двухпараметрического экспоненционального распределения  и  (при ) вычисляются по формулам (5) и (6):

, (5)

. (6)

Здесь  - средняя наработка на отказ, равная:

где n - число испытуемых подшипников;


t- время безотказной работы i-го подшипника, причём t1 - наименьшее из них.

Статическая функция распределения аппроксимируется функцией (7), имеет вид:

 (7)

При совпадении функций  нижние доверительные границы определяются по формулам (8) и (9):

       (8)

.  (9)

Коэффициенты k1 и k2 зависят от числа испытуемых подшипников и нижних доверительных границ (выбираются из соответствующих таблиц [3]). Нижняя доверительная граница функции распределения и соответствующая функция надёжности (рис.2, рис.3) строятся по формулам (10) и (11):

 (10)

        

 (11)

а)                                                                                             б)


Рис. 2. а)  - нижние доверительные границы функции распределения и функции надёжности (партия 25 шт.), б) вероятность безотказной работы (партия 25 шт.)


 

в)                                                                                              г)


Рис. 3. в)  - нижние доверительные границы функции распределения и функции надёжности (партия 50 шт.), г) вероятность безотказной работы (партия 50 шт.)

Кривые (рис. 2 а) и рис.3 в)) построены на основании статической обработки результатов испытаний партии подшипников серии 1006095Е в количестве 25 шт. и 50 шт. По требованию технического задания ресурс УДМ не менее 5 лет. Согласно расчёту (11), при испытании 25 шт. подшипников на графике (рис.2, б)) для времени эксплуатации лет надёжность составляет 70 %, а при испытании 50 шт. подшипников (рис.3, г)) надёжность составляет уже 84 %. Очевидно, что при увеличении партии испытуемых подшипников надёжность возрастает. По полученным теоретическим результатам проводимой НИР для создания ИО миниспутника, можно сказать, что при условии проведения испытаний партии в количестве 100 шт. надёжность работы шарикоподшипниковых опор в течение 5 лет эксплуатации будет составлять практически 100 %.

Полученные результаты безотказной работы опор является в определённой степени заниженными, т.к. не учитываются комфортные условия эксплуатации шарикоподшипниковых опор УДМ в части механических нагрузок. Как показал опыт эксплуатации УДМ на десятках спутниках связи серии «Космос», «Луч», «Sesat», за весь срок их эксплуатации ни одного случая отказа шарикоподшипниковых опор не имелось [5].

Поэтому представленная методика позволяет получить технически обоснованные нижние доверительные границы надёжности шарикоподшипников и с учётом корреляции по фактическим результатам эксплуатации указанных опор с достаточной степенью достоверности показывает долговечность эксплуатации проектируемого УДМ.

Рецензент-

Люкшин Б.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой механики и графики Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, г. Томск.


Библиографическая ссылка

Дмитриев В.С., Дмитриева Е.М. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА НА БАЗЕ УПРАВЛЯЕМОГО ПО СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА. // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=5664 (дата обращения: 06.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074