книги из ГПНТБ / Ковалев М.П. Динамическое и статическое уравновешивание гироскопических устройств

Г л а в а III.

НАГРУЗКИ, ВИБРАЦИИ И ДИНАМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В ОПОРАХ

Увеличение дальности полета современных летательных аппа­ ратов и необходимость точного выдерживания заданной траек­ тории требуют непрерывного совершенствования гироскопиче­ ских устройств управления и стабилизации. К этим устройствам предъявляются весьма высокие требования точности, надежно­ сти и долговечности с учетом специфики эксплуатационных усло­ вий.

Точность и надежность гироскопических устройств можно по­ высить, увеличивая угловую скорость ротора и его диаметр, т. е. увеличивая кинетический момент ротора, а также уменьшая мо­ мент трения в опорах карданова подвеса.

В авиационных гироскопических устройствах целесообразно увеличивать кинетический момент ротора, повышая его угловую скорость, но до известных пределов, имея в виду, что повышение угловой скорости ротора ограничивается долговечностью его ша­ риковых опор, т. е. длительностью их работы до потери заданной точности вращения. Поэтому для повышения точности, надежно­ сти и долговечности гироскопических устройств необходимо прежде всего повышать качество шарикоподшипниковых опор или применять опоры без трения.

3.1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОПОРАМ

Опоры гироскопических устройств должны иметь минималь­ ный момент трения, высокую точность вращения и заданную дол­ говечность работы. Точность вращения шарикоподшипниковых опор определяется в основном по радиальному и боковому бие­ нию дорожки качения вращающегося кольца шарикоподшипника

(ГОСТ 520—71).

Парные опоры гироскопических устройств должны быть соос­ ны и иметь одинаковые жесткостные и другие основные характе­ ристики. Осевые и радиальные люфты в опорах ротора должны быть минимальными. Опоры карданова подвеса должны иметь

37

\

минимальный момент трения, обладать высокой чувствительно­ стью и вибростойкостыо.

Как опоры карданова подвеса, так и опоры ротора гироскопа в течение всего срока службы должны смазываться высококаче­ ственной смазкой определенной дозировки [8, 18, 55].

Кроме шарикоподшипников, в опоры гироскопических уст­ ройств входят переходные втулки, регулировочные резьбовые винты или пробки, пружинные шайбы, прокладки, смазочные шайбы и другие детали. Эти детали также требуют определен­ ной точности изготовления, соответствующих физических харак­ теристик примененных в них материалов.

На качество опор и их долговечность весьма существенное влияние оказывает также технология сборки и регулировки опор.

Для обеспечения требований, предъявляемых к опорам вра­ щения, необходимо:

—-применять для изготовления элементов опор высококачест­ венные исходные материалы;

—выбрать наиболее рациональную конструкцию элементов

опор;

—предусмотреть возможности регулировки осевых люфтов в опорах ротора и карданова подвеса;

—разработать методику контроля точности расположения номинально соосных поверхностей, определения величины мо­ мента трения, измерения осевых люфтов и осевой затяжки в опорах ротора на специальных приспособлениях без разборки гиродвигателей.

. 3.2. НАГРУЗКИ И ДИНАМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЭЛЕМЕНТЫ ОПОР

Долговечность, жесткость,'виброустойчивость и точность вра­ щения подшипников в значительной мере зависят от распределе­ ния нагрузки между телами качения, что в свою очередь опреде­ ляется расположением оси подшипника и направлением действия нагрузки.

При вертикальном расположении оси подшипника осевая на­ грузка теоретически должна равномерно восприниматься всеми шариками подшипника. В реальных условиях вследствие откло­ нения диаметра отдельных шариков от номинального и деформа­ ции колец и шариков внешняя нагрузка распределяется неравно­ мерно между шариками. В радиальном подшипнике качения, ось которого горизонтальна, распределение радиальной нагруз­ ки зависит в основном от величины радиального зазора в под­ шипнике, от разноразмерное™ и. точности шариков, а также от отклонений формы колец. При увеличении радиального зазора постоянная радиальная нагрузка распределяется на меньшее количество шариков.

■щ38

При горизонтальном расположении оси подшипника нагруз­ ка, действующая, как правило, на внутреннее кольцо подшипни­ ка, не воспринимается всеми шариками равномерно.

Шарик, находящийся под нагрузкой, соприкасается с коль­ цами по некоторой эллиптической поверхности, зависящей от нагрузки, размеров шарика и кольца.

Особенно тяжелыми являются условия колебательного режи­ ма. В этом случае участок, на котором совершаются возвратные перемещения в весьма малый отрезок времени, настолько мал, что эллипсы поверхностей контакта шариков с кольцами могут

угол контакта на беговой дорожке наружного кольца уменьша­ ется.

Кфк уже указывалось, точность динамического уравновеши­ вания роторов гироскопических устройств, особенно в рабочих условиях, зависит от качества подшипников и опор, на которых производится уравновешивание. Дефекты шарикоподшипников, особенно такие, как волнистость дорожек качения, разноразмерность шариков, торцевое биение дорожек качения, овальность

Шарикоподшипниковые опоры роторов гироскопических уст­ ройств могут иметь следующие дефекты: несоосность, перекос колец подшипников, недостаточную жесткость системы «ось — ротор — опоры», чрезмерную затяжку подшипников, увеличенные радиальные зазоры (люфты), недостаточную температурную компенсацию и т. п.

Указанные дефекты опор роторов тоже порождают динамиче­ ские силы в опорах, которые приводят к уменьшению точности уравновешивания.

Зазоры в главных опорах и опорах внутренней рамы карданова подвеса влияют на точность показаний гироскопических уст­ ройств. При радиальном и осевом биениях в подшипниках ротора появляются динамические реакции, даже когда ротор статически

39

и динамически уравновешен относительно своей геометрической оси [15, 22].

При различных эксцентриситетах в опорах ротора создается статическая и динамическая неуравновешенность ротора при сдвиге фазы 'биения на любой угол ср.

При одинаковых эксцентриситетах в опорах ротора и отсут­ ствии сдвига фазы биения (ср = 0 ) создается статическая неурав­

новешенность ротора, а при сдвиге фазы на угол ср=180° появля­ ется только динамическая неуравновешенность.

При радиальных зазорах ось вращения ротора свободно пе­ ремещается в радиальном направлении, что может, как и при биении подшипников, привести к образованию инерционных сил.

Экспериментальные исследования показывают, что при ра­ диальных зазорах ось вращения крупных роторов, покоящихся в подшипниках средней серии, занимает различные положения в зависимости от соотношения сил инерции и собственной массы ротора. Можно полагать, что такое явление будет наблюдаться и в роторах гироскопа при горизонтальном положении их оси вращения.

3.3. и с т о ч н и к и ПЕРЕМЕННЫХ СИЛ И ПРИЧИНЫ КОЛЕБАНИИ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Силы, действующие в гироскопических устройствах и вызы­ вающие их колебания, подразделяются на механические и элек­ тромагнитные. Эти силы зависят от конструкции, технологии из­ готовления деталей, узлов и приборов, а также от их эксплуата­ ции. ‘Механические силы появляются при неуравновешенности вращающихся деталей, угловом смещении осей, овальности цапф и при других дефектах опор. Электромагнитные силы возникают под .действием магнитострикции и магнитного взаимодействия между различными частями гиродвигателя.

Рассмотрим причины, вызывающие механические вынуждаю­ щие силы.

На неуравновешенный ротор действует момент от пары сил и центробежная вынуждающая сила F. Считая ротор жестким, си­ лу F можно вычислить по формуле

где т — неуравновешенная масса; г — расстояние от неуравновешенной массы до оси враще­

ния ротора; (о — угловая скорость ротора:

При вращении ротора сила F действует с частотой, численно равной угловой скорости ротора в рад/с. Назовем эту частоту первой гармоникой и обозначим через f\.

Кроме того, на опоры могут действовать следующие силы:

а) при угловом смещении осей — осевая сила с частотой /ь

40

б) при параллельном смещении осей — радиальная сила с частотой fі;

в) при прогибе оси — сила в направлении оси вращения с частотой /у

г) при овальности шейки вала у подшипников скольжения — радиальная составляющая с частотой 2 /у

д) при неравножесткости оси—-радиальная составляющая с частотой 2 /у

е) при овальности внутреннего кольца шарикоподшипника — радиальная составляющая с частотой 2 /у

ж) при перекосе внешнего кольца шарикоподшипника — осе­ вая составляющая с частотой /у

Повышенные зазоры между телами качения и кольцами под­

где z — число шариков;

D — диаметр неподвижного кольца; гіш— диаметр шарика.

При неуравновешенности сепаратора шарикоподшипника по­ является вынуждающая сила с частотой

Если причины возникновения механических вынуждающих сил одинаковы для всех гиродвигателей, то возникновение элект­ ромагнитных вынуждающих сил зависит от рода питающего то­ ка, числа фаз и других особенностей гиродвигателей.

Вгиродвигателях постоянного тока появляется магнитное тяжение, которое зависит от величины воздушного зазора и его изменения при вращении. Когда ось симметрии статора не сов­ падает с осью ротора и при вращении под одним из полюсов за­ зор меньше, чем под другим, то на ротор действует сила магнит­ ного тяжения в направлении наименьшего зазора. При перемен­ ном уменьшении зазора 1 то под одним, то под другим полюсом на опоры действует сила с частотой 2 /у

Вгиродвигателях переменного тока, если точка минимального зазора не перемещается в пространстве, при неравномерном воз­ душном зазоре на ротор действует сила с частотой /у Если же точка минимального воздушного зазора перемещается в про­ странстве, то явление усложняется и появляется модуляция вы­ нуждающей силы с частотой скольжения.

Кроме того, колебания гироскопических устройств вызывают конструктивные и производственные погрешности.

1 Рассматривается эксцентричное вращение ротора относительно статора.

41

К конструктивным погрешностям, вызывающим колебания ги­ роскопических устройств, относятся:

— несимметричность изделия, обусловленная конструктивны­ ми ограничениями;

—несимметричность расположения крепежных винтов, вые­ мок, отверстий;

—недостаточная жесткость конструкции (ротора, корпуса,

оси ротора);

—невозможность проведения динамического уравновешива­ ния гиродвигателя;

—неправильно выбранные посадки шарикоподшипников (уве­ личенный зазор или чрезмерный натяг).

Все эти погрешности являются частично следствием недоста­ точных теоретических и практических данных для расчета соб­ ственных частот отдельных деталей п узлов гироскопических устройств.

Неточный расчет оси ротора на жесткость иногда приводит к тому, что ротор, динамически уравновешенный при малых угло­ вых скоростях, при рабочих угловых скоростях оказывается не­ уравновешенным. Это бывает в том случае, если ось недостаточ­ но жесткая.

Допуски на соосность н на правильность геометрической фор­ мы отдельных деталей, входящих в гиродвигатель, следует за­ давать исходя из величины допустимой начальной и конечной неуравновешенности ротора. При расчете этой неуравновешенно­ сти должна учитываться допустимая перегрузка шарикоподшип­ ников, возникающая при начальном динамическом уравновеши­ вании.

Производственные погрешности, вызывающие колебания ги­ роскопических устройств, обусловливаются в основном следую­ щим:

—отклонением от чертежа при изготовлении деталей;

—неточным динамическим уравновешиванием;

—перекосом или затяжкой шарикоподшипников при мон­

таже;

—некачественной сборкой.

При недостаточно тщательном контроле на сборку могут по­ ступать детали, имеющие искаженную форму, несоосность и про­ слабленные размеры посадочных мест шарикоподшипников, бие­ ние опорного торца оси ротора и шеек под подшипники.

Неточность динамического уравновешивания связана с недо­ статочной чувствительностью балансировочного оборудования, отсутствием проверки динамической неуравновешенности при ра­ бочей угловой скорости, невозможностью проведения динамиче­ ского уравновешивания гиродвигателей, имеющих закрытый ко­ жух.

Загрязнение, некачественная смазка, перекос внешней обоймы шарикоподшипников относительно внутренней, искажение фор­ мы наружного кольца шарикоподшипика из-за неправильной

42

формы гнезда в корпусе гиродвигателя, изменение осевого и ра­ диального зазоров в шарикоподшипниках при изменениях тем­ пературы и неправильная посадка колец шарикоподшипников мо­ гут вызвать колебания ротора.

Колебания гироскопических устройств могут явиться след­ ствием таких дефектов сборки, как эксцентричное расположение ротора относительно статора, повышенная затяжка шарикопод­ шипников, перекос оси статора при некачественном монтаже ша­ рикоподшипников и неравномерной толщине прокладок.

При анализе колебаний необходимо учитывать также и экс­ плуатационные причины. Так, например, в процессе эксплуата­ ции гироскопических устройств неуравновешенность роторов уве­ личивается. Как показал опыт, неуравновешенность роторов зави­ сит от их нагрева. Это происходит из-за того, что в роторе применены материалы с различными коэффициентами линейного расширения. В процессе эксплуатации центр масс ротора может смещаться в результате воздействия переменных температур, центробежных сил и других причин (в зависимости от конкрет­ ных условий). В процессе работы гироскопических устройств подшипники изнашиваются, что также увеличивает неуравнове­ шенность ротора.

При вращении в подшипниках качения даже весьма точно уравновешенный ротор периодически теряет устойчивость из-за асимметрии расположения тел качения относительно вертикаль­ ной оси, проходящей через центр массы подшипника. В резуль­ тате появляются колебания, частота которых не совпадает и не кратна частоте вращения ротора. Колебания одного подшипника через детали гиродвигателя влияют на работу и колебания пар­ ного с ним подшипника.

Одной из причин колебаний в высокоскоростном шарикопод­ шипнике является набегание тел качения на гнезда сепаратора, из-за чего возникают силы, деформирующие сепаратор в танген­ циальном направлении.

Экспериментально установлено, что внешние колебания опор гироскопических устройств хотя и уменьшают величину момен­ та трения покоя, или момента трогания, но одновремено вызыва­ ют повреждение рабочих поверхностей качения и ухудшают усло­ вия их смазывания. Особенно отрицательное влияние внешние колебания оказывают на работу и долговечность подшипников карданова подвеса. Так как подшипники карданова подвеса име­ ют малую угловую скорость или малую скорость возвратно-коле­ бательного движения, шарики медленно перемещаются по беговой дорожке, контактируют примерно с одними и теми же участками. Таким образом, под действием внешних колебаний в плоскости качения шарики образуют контактные лунки на беговых дорож­ ках колец, создавая волнистость профиля следа качения, что ускоряет износ, увеличивает момент трения и ухудшает работу подшипника. Появляется типичное контактное повреждение так называемое «ложное бринеллирование» на беговых дорожках ко­

43

лец, особенно часто встречающееся в подшипниках карданова подвеса при внешних колебаниях.

При перекатывании шарика по поверхности возникает слож­ ная пластическая деформация поверхностного слоя беговых до­ рожек колец и тем самым создается сопротивление качению. Кроме того, молекулярное сцепление тел качения со смазкой соз­ дает дополнительное сопротивление качению.

При вынужденных гармонических колебаниях подшипников шарики также колеблются, они находятся в динамическом состоя­ нии, совершают сложные перемещения и более свободно преодо­ левают указанный сопротивления качению.

3.4. ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ ПОДШИПНИКОВ НА ТОЧНОСТЬ УРАВНОВЕШИВАНИЯ

Обычно роторы и другие узлы гироскопических устройств уравновешиваются статически и динамически. Точность динами­ ческого уравновешивания роторов гироскопических устройств в значительной степени зависит от динамических реакций в опо­ рах, которые вызываются дефектами подшипников. Точность ста­ тического уравновешивания узлов гироскопических устройств за­ висит главным образом от величины момента трения в подшип­ никах, на которых определяется неуравновешенность, и от их соосности.

Рассмотрим кратко влияние некоторых дефектов подшипни­ ков и опор на точность динамического уравновешивания роторов гироскопов и статического уравновешивания узлов гироскопиче­ ских устройств.

Осевое и радиальное биение опор ротора вызывают динамиче­ ские реакции даже в том случае, когда ротор будет статически и динамически уравновешен. При осевом биении опор, которое возникает при торцевом биении желобов колец, ротор будет со­ вершать возвратно-поступательные перемещения вдоль оси вра­ щения, создавая динамические реакции подшипников в осевом направлении. Эти реакции в свою очередь будут создавать осевые вибрации и снижать точность динамического уравновешивания. Осевая вибрация осложняет процесс уравновешивания, так как частота осевой вибрации совпадает с частотой вибраций, вызван­ ных неуравновешенностью ротора. В результате этого как ампли­ туда, так и фаза колебаний искажаются и по ним трудно опреде­ лить величину неуравновешенности.

Разноразмерность шариков, эллиптичность, волнистость и ше­ роховатость рабочих поверхностей вызывают колебания в опорах в радиальном направлении, что снижает точность динамического уравновешивания ротора. Это происходит потому, что на коле­ бания опор от неуравновешенности ротора накладываются коле­ бания от указанных дефектов подшипников, в результате чего видоизменяется модуль синусоиды колебаний от неуравновешен­ ности; при этом усиливается шум в опорах ротора. Кроме того,

44

разноразмерность шариков и неточность рабочих поверхностен подшипников создают смещение геометрической оси ротора, а следовательно, динамические реакции в опорах.

Взаимосвязь между перечисленными погрешностями порож­ дает новые и гораздо более сложные динамические реакции. Так, эллиптичность рабочих поверхностей вызывает динамические ре­ акции, которые представляют вторую гармонику динамических реакций от неуравновешенности ротора.

При несоосностн подшипников опор ротор трудно динамиче­ ски уравновесить, так как возникающие из-за несоосности вибра­ ции в опорах воспринимаются датчиками балансировочной маши­ ны как неуравновешенность и передаются на указывающие при­ боры, создавая ложное представление о неуравновешенности. Несоосность опор приводит также к угловому смещению оси ро­ тора, т. е. к дополнительной динамической неуравновешенности.

Если во время динамического уравновешивания ротора с гиб­ кой осью его рабочая угловая скорость окажется равной критиче­ ской, то это приведет к максимальному прогибу оси под действи­ ем центробежных инерционных сил. В этом случае, если центр массы находится на осн ротора и делит ее на равные части, ро­ тор будет на этом режиме только статически неуравновешенным; при несимметричном положении центра массы на оси ротора — ротор окажется статически и динамически неуравновешенным, так как возникает пара центробежных сил F' и F. Неуравнове­ шенность ротора относительно главной центральной оси инер­ ции, радиальное биение опор и деформация оси ротора образуют основные гармонические колебания н высшие, частота которых превышает в два и более раз частоту основных колебаний. Выс­ шие гармоники получаются вследствие нарушения геометрии ра­ бочих поверхностей подшипников, разноразмерное™ и огранки шариков, волнистости и шероховатости беговых дорожек колец.

Для определения и устранения причин колебаний в опорах гироскопов следует разработать методику и технические сред­ ства их определения. Определить погрешности, вызывающие ди­ намические усилия в опорах гироскопа, и устранить их можно на основе измерения динамических реакций.

Существуют различные методы и технические средства изме­ рения динамических реакций в опорах, но в принципе они имеют много общего.

Особенностью устранения погрешностей в опорах является го, что погрешности выявляются не в статическом состоянии ги­ роскопа, а в динамическом.

Анализ причин, вызывающих колебания в гироузле, показыва­ ет, что процесс устранения возмущающих сил должен быть рас­ членен на два самостоятельных производственных этапа: уравно­ вешивание ротора, корректирование процессов сборки опор.

При уравновешивании ротора лишь частично устраняются не­ которые составляющие колебаний.

45

Однако после уравновешивания ротора в гироузле сохраня­ ются колебания, отличающиеся от устраненных частей фазой и амплитудой (высшие гармоники). Эти колебания, источниками которых являются конструктивные дефекты и технологические погрешности опор ротора, могут быть обнаружены и частично устранены при корректировании процессов сборки опор.

Большинство колебаний, вызванных дефектами подшипников, можно устранить только сменой подшипников.

При правильном уравновешивании можно добиться, что ди­ намические реакции, возникающие в роторах с гибкими связями, будут отсутствовать. Для этого уравновешивание надо произво­ дить при рабочей угловой скорости ротора. Если же уравновеши­ вание будет производиться при критической угловой скорости, то динамические реакции обнаружатся при эксплуатации гиро­ скопов.

Дефекты, вызывающие динамические реакции и создающие колебания высших гармоник, могут быть обнаружены в собран­ ном узле, но не могут быть устранены в процессе изготовления. Обнаруживаются эти колебания благодаря тому, что их частоты находятся в верхних пределах слышимости (2000—3000 Гц). Эти неучтенные динамические реакции могут быть обнаружены лишь при испытании гпроузла и при эксплуатации. Колебания гиро­ узла, связанные с этими реакциями, могут быть частично устра­ нены за счет повышения качества сборки гироузла и смазки под­ шипников.

Динамические реакции вследствие погрешностей в опорах об­ наруживаются в процессе сборки и частично устраняются дина­ мическим уравновешиванием.

Некоторые методы и средства, применяемые для контроля ос­ новных характеристик опор гироскопических устройств, не явля­ ются еще совершенными. Для объективной оценки качества опор необходимо пользоваться специальными контрольными прибора­ ми. Для этого может быть использована обычная сейсмическая упругая система, применяемая в балансировочных машинах с наблюдением по осциллографу. Чувствительные датчики подклю­ чают к электронному усилителю либо непосредственно к катод­ ному осциллографу. При этом необходим частотомер для анали­ за колебаний гироузла.

При установке ротора и подшипников в гирокамеру может произойти сдвиг фаз биения опор. Чтобы избежать этого, при сборке гироузла сохраняют то же положение и ту же затяжку подшипников, что и при уравновешивании.

Тогда динамические реакции опор не возникают и на экране осциллографа колебания с частотой, равной частоте вращения ротора, не появляются.

Если же при установке ротора положение подшипников не будет сохранено, то уравновешивание следует производить в собранном узле.

46