Введение к работе
Актуальность работы. Анализ технических требований и условий работы опорно-приводного узла в составе динамически настраиваемого гироскопа (ЦНГ) показывает, что альтернативой традиционным шарикоподшипниковым скоростным опорам, используемым в серийно изготавливаемых ДНГ, могут с успехом служить подшипники скольжения, у которых в качестве смазки используется газ. Высокоточные поплавковые гироскопы для инерциальных навигационных систем конструируются с газодинамическими опорами (ГДО) и успешно эксплуатируются уже несколько десятков лет.
Применение ГДО в ДНГ вызвано главным образом тем, что практически устраняются вибрации, особенно на частотах вращения, близких к 2Q. Кроме того, газовые опоры обладают более высокой долговечностью (до сотен тысяч часов непрерывной работы), устойчивостью к перегрузкам и ударным воздействиям, высокой точностью вращения, меньшей чувствительностью к перепадам температуры по сравнению с шарикоподшипниковыми опорами.
Цель работы. Исследование возможности использования малогабаритных прецизионных ГДО со спиральными канавками в ДНГ и рациональный выбор конструктивной схемы ГДО с заданными техническими характеристиками.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
- анализ схем малогабаритных ГДО применительно к ДНГ;
вывод дифференциального уравнения, определяющего закон изменения давления в смазочном слое газодинамического подшипника со спиральными канавками на обеих рабочих поверхностях;
разработка алгоритмов вычисления подъемной силы, осевой жесткости и момента сопротивления смазочного слоя ГДО со спиральными канавками на обеих рабочих поверхностях;
оптимизация параметров, определяющих геометрию рабочих
поверхностей газодинамического подшипника со спиральными канавками на обеих рабочих поверхностях, и проведение сравнительного анализа характеристик других типов ГДО со спиральными канавками;
- разработка методики экспериментального исследования ГДО;
— проведение экспериментальных исследований рассматриваемых типов
опор, обработка и анализ результатов;
— внедрение в производство программно-аппаратного комплекса для
измерения характеристик опор;
- выработка рекомендаций по применению ГДО в ДНГ.
Метода исследований. Теоретические разработки по ГДО базируются на уравнениях Рейнольдса для ламинарного смазочного слоя. Число спиральньж канавок на каждой рабочей поверхности считается достаточно большим, чтобы пренебречь нестационарностью, вызванной относительным смещением двух профилированных поверхностей вблизи границ активной зоны. Смазочный слой считается изотермическим по протяженности, его плотность в различных точках оказывается пропорциональной давлению. Параметр сжимаемости имеет значения в интервале от 10 до 150. Граничные условия для скоростей и краевые условия для давлений записываются без искажений. Предполагается, что давление в активной зоне подшипника с двумя профилированными поверхностями представляет собой некую поверхность вращения. При этом, как и в случае обычных спиральньж подшипников, используется известное положение Уиппла о том, что поверхность вращения, свободная от местных флуктуации давления, обеспечивает достаточно высокую точность расчетов реакции и жесткости смазочного слоя, если число спиральньж канавок достаточно велико. Используется закон сохранения массы. Задачи оптимизации решаются модифицированным градиентным методом. В работе используются методы прикладной теории гироскопов, газодинамики, вычислительной техники, моделирования и программирования.
Достоверность и обоснованность. Теория опор со спиральными
канавками на обеих рабочих поверхностях по своей структуре отличается от общеизвестной теории обычных подшипников с одной профилированной спиралями поверхностью, известной под названием квазилинейной теории.
Экспериментальные данные для подшипников как с одной, так и с двумя профилированными поверхностями позволяют оценить степень соответствия теории и эксперимента путем сопоставления экспериментальных данных с расчетами по алгоритмам разработанных моделей. Это соответствие оказывается вполне удовлетворительным.
Научная новизна. Основными элементами новизны диссертационной работы являются: разработка модели ГДО с двумя профилированными поверхностями; выделение мозаичного фрагмента, состоящего из четырех сопряженных областей, в качестве элементарного объема смазочного слоя, расположенного в активной зоне модели подшипника с двумя профилированными поверхностями; разработка инженерной методики для расчета наиболее часто применяемых в ДНГ конструктивных схем ГДО; рекомендации по применению подшипников с двумя профилированными поверхностями, обладающих преимуществами по сравнению с существующими аналогами ГДО; модели и алгоритмы расчета характеристик ГДО малогабаритных ДНГ.
Практическая полезность. Проведенные исследования подтвердили целесообразность применения ГДО в малогабаритных ДНГ. При этом у опор с двумя профилированными поверхностями подъемная сила и жесткость выше, чем у лучших мировьж аналогов, почти на 50 процентов, в то время как диссипативные силы в смазочном слое, приводящие к тепловой деформации рабочих поверхностей и к искажению расчетной толщины смазочного слоя, у новьж опор существенно меньше.
Для практики весьма благоприятным обстоятельством является полная идентичность рабочих поверхностей ГДО с двумя профилированными поверхностями. Поэтому никаких принципиально новьж технологических
проблем такие опоры не представляют; накопленный опыт промышленного изготовления обычных спиральных подшипников является достаточной базой для перехода на опоры с двумя профилированными поверхностями.
Габаритные размеры ДНГ при применении исследуемых опор не увеличиваются.
Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты экспериментальных исследований обсуждались на:
заседаниях кафедры «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» МГТУим. Н.Э. Баумана;
1-й научно-практической конференции молодых специалистов и студентов памяти главного конструктора академика В.И.Кузнецова (Москва, 2003);
2-й научно-практической конференции молодых специалистов и студентов памяти главного конструктора академика В.И.Кузнецова (Москва, 2004).
Результаты кандидатской диссертации подтверждены внедрением в производство в НИИ ПМ им. акад. В.И. Кузнецова.
Публикации. По теме диссертации опубликованы статьи [ 1], [2], [3].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Текст диссертации изложен на 138 страницах, в число которых входят 56 рисунков. Список литературы, состоящий из 41 источника, занимает 4 страниц.