РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ КОРРЕКТИРОВКИ ДИСБАЛАНСА РОТОРА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА

На сегодняшний день гироскопы с электростатическим подвесом являются наиболее точными и перспективными для применения в бескарданных измерительных системах, используемых в нефтегазовой и космических отраслях. Притом современные конструкции бескарданных электростатических гироскопов не реализуют расчетную потенциальную точность, что обуславливает важность исследований по данной тематике.

Ротор представляет собой основной конструктивный элемент бескарданного электростатического гироскопа (БЭСГ). Согласно принципу работы БЭСГ, ротор взвешивается в вакууме на электростатическом подвесе, генерируемом 6 ортогональными электродами и раскручивается до высоких частот: 180 000 об/мин.

Значительная часть погрешности показаний БЭСГ связаны с характеристиками его ротора влияющие на его динамику в подвесе, а именно: уход формы ротора от идеальной сферы, что приводит к тому, что электрические силы, направленные по нормали к поверхности, проходят не через центр сферы и создают суммарный момент, качество поверхности ротора и дисбаланс - отклонение центра масс ротора от геометрического центра.

Исходным материалом для изготовления ротора является бериллий, относящийся к группе редкоземельных металлов. Выбор этого металла обусловлен его уникальными физико-химическими свойствами, выделяющими его на фоне распространенных конструкционных материалов. При относительно небольшой плотности 1,848 г/см³ бериллий является одним из самых твердых металлов. Так же этот материал имеет высокий модуль упругости порядка 300 ГПа, для сравнения: модуль упругости сталей представляет значение около 200 ГПа. Бериллий имеет высокую теплопроводность и теплоемкость, но при этом характеризуется малым коэффициентом теплового линейного расширения, что обеспечивает высокую стабильность размеров у изготовленных деталей.

Технологические процессы производства бериллия достаточно сложны и требуют значительных энергозатрат, поэтому этот металл относится к дорогостоящим материалам. Относительно низкая температура плавления 1284 °С позволяет изготавливать слитки в условиях вакуума. Бериллиевые слитки характеризуются высокой хрупкостью структуры, что затрудняет применение механических методов обработки материалов таких как точение или фрезерование. По этой причине, на практике, в том числе и при производстве прецизионных сферических узлов, применятся метод спекания и прессовки, вследствие чего материал имеет зернистую структуру, что приводит к пространственной неоднородности, что является одной из причин возникновения дисбалансов изготовленных роторов.

Ради повышения точности, технические требования к дисбалансу ротора БЭСГ ужесточаются, с одновременным сохранением требований к форме и качеству поверхности. Так, на сегодняшний день технические требования для значения дисбаланса составляют порядка сотых долей мкм. Однако, применяемые методы механообработки зачастую не позволяют выполнить все предъявляемые требования из-за их противоречивого характера. Так, например, операция полировки ротора, необходимая для выполнения требований к качеству поверхности, может приводить к смещению вектора дисбаланса, корректировка которого приводит к увеличению несферичности и ухудшению качества поверхности ротора. В связи с этим, целью данной работы является разработка новых методов корректировки дисбалансов, основанных не на средствах механообработки, которые не имеют такого противоречивого характера и позволят избавится от цикличности процесса изготовления ротора.

Поставленным требования удовлетворяют инно-плазменные и лучевые технологии, позволяющие, при обработке конструкционных материалов, оперировать величинами порядка единиц нанометров. К таким технологиям относятся: вакуумно-дуговое нанесение покрытий и лазерная абляция – удаление материала с поверхности лазерным импульсом.

На сегодняшний день балансировка ротора производится с помощью обработки трубчатыми притирами.

На рисунке 1 представлена схема формообразования ротора 1, имеющего заданный конечный диаметр D c устранением начального дисбаланса заготовки ротора 2, методом направленной доводки.

Рисунок 1. Схема обработки трубчатым притиром

Направленную доводку, осуществляют посредством трубчатого притира 3, который располагают со стороны, противоположной выходу вектора ротора 1 на его поверхность. Диаметр притира обычно составляет 0,65-0,75 от диаметра ротора. Ротор и притир вращаются в противоположных направлениях. Такая схема обеспечивает съём материала с полусферической части ротора, ось симметрии которой лежит на оси вектора дисбаланса.

После выполнения данной операции необходимо выполнить операцию сферодоводки с помощью трехпритирочного устройства для восстановления сферической формы ротора и смещения геометрического центра в сторону центра масс.

Однако восстановление сферической формы ротора приводит к изменению вектора дисбаланса, обусловленного анизотропией материала, что приводит к необходимости повторной корректировки дисбаланса. Таким образом балансировка осуществляется посредством выполнения нескольких циклов последовательных операций направленной доводки и сферодоводки до момента выполнения технических требований к несфиричности ротора и составляющих вектора дисбаланса. Очевидно, что данный метод не гарантирует достижения всех технических требований и характеризуется значительным процентом брака изготовленных роторов.

На финальных этапах производства ротора производится операция напыления функционального покрытия. В общем случае функциональное покрытие повышает износостойкость, выступает в качестве армирующего элемента для создания необходимого момента инерции, обеспечивает необходимые физические свойства, например, токопроводимость. Для ротора из бериллия в качестве функционального покрытия, обеспечивающего высокую износостойкость, используется нитрид титана. Этот материал обладает плотностью в несколько раз превышающую плотность бериллия, что способствует увеличению момента инерции изготовленного ротора. Так же к преимуществам данного покрытия относится его невысокая стоимость и отличные адгезионные свойства.

Нанесение функционального покрытия на поверхность ротора осуществляется методом катодно-ионной бомбардировки.

После выполнения технических требований к сферичности формы поверхности ротора, достигнутых традиционными методами механообработки, в качестве финального этапа балансировки целесообразно выполнять операцию испарения локальной массы.

Рисунок 2. Схема образования выемки, 1 - функциональное покрытие, 2 выемка, 3 ротор

Исходными условиями при выполнении выемки являются перераспределение масс по поверхности заготовки ротора посредством создания на его поверхности локальной точечной массы в позиции, противоположной вектору начального дисбаланса, величина которой устранит этот дисбаланс. Указанная точечная масса формируется посредством заполнения выемки материалом функционального покрытия, имеющего большее значение плотности, чем материал заготовки ротора 1, которое наносится на поверхность заготовки ротора.

Для реализации метода корректировки дисбаланса на основе испарения локальной массы использовался волоконный лазерный излучатель «Минимаркер 2» предназначенный для прецизионной лазерной маркировки в промышленном производстве, в том числе и для трехмерной гравировки. Для напыления функционального покрытия ротора использовалась установка Булат 6. В результате удалось добиться величины смещения дисбаланса порядка десятков микрометров, что говорит о адекватности разработанной модели корректировки дисбаланса.

Список литературы:

1. Дубровский А.Р., Окунев М.А., Макарова О.В., Махаев Е.А., Святый В.В., Кузнецов С.А. - Исследование коррозионной устойчивости подложек роторов криогенного гироскопа в ниобийсодержащем расплаве – журнал: Труды Кольского научного центра РАН – 2015г
2. Ковалев А. А, Филиппов В. В. - Устройство для доводки сферических поверхностей деталей – Патент 1926520 от 01.06.1973
3. Ландау Б. Е., Белаш А. А., Гуревич С. С., Емельянцев Г. И., Левин С. Л., Романенко С. Г. - Бескарданная инерциальная система ориентации на электростатических гироскопах для орбитального космического аппарата - Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – 2011 г
4. Ландау Б.Е., Буцык АЛ., Щербак А.Г., Буравлёв А.П., Беляев С.Н. Способ изготовления ротора шарового гироскопа./ Патент РФ 2286535 от 10.03.2005 г., МКИ G01C 25/00, В23Р 15/00, Бюл. № 30,27.10.2006 г.
5. Мухаметов Р.М, Юльметова О.С. Разработка средств технологического оснащения для лазерного маркирования сферических деталей. IX Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых. V сессия научной школы «Проблемы механики и точности в приборостроении»; Выпуск 1-й. Сборник докладов. – СПб: НИУ ИТМО, 2012, с. 85.
6. Туманова М.А., Юльметова О.С., Мухаметов Р.М., Щербак С.А. Расчет процесса формирования тонкопленочных функциональных покрытий на сферических поверхностях прецизионных изделий.