Помощь студентам в учебе
Модернизация конструкции и разработка технологии изготовления редуктора прецизионного привода космического аппарата
|
ВВЕДЕНИЕ
1. ИНФОРМАЦИОННЫЙ ОБЗОР
1.1 Описание конструкции и служебного назначения рассматриваемого прецизионного привода 6
1.2 Способы повышения кинематической точности и уменьшение люфта за счёт уменьшения бокового зазора в зацеплении 8
1.3 Способы повышения равномерности распределения нагрузки между сателлитами 10
1.4 Обзор методик аналитического расчета контактных напряжений в подшипниках и распределения нагрузки между телами качения 14
2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ РАСЧЕТА РАДИАЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ И КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОДШИПНИКАХ 15
2.1 Верификация методики подбора параметров качества сетки и настроек контакта подшипника 15
2.2 Анализ расчетной модели для определения радиальной жесткости 20
2.2.1 Построение расчетной модели 20
2.2.2 Анализ влияния посадок подшипника на его жесткость 21
2.2.3 Учет внутреннего зазора 24
2.2.4 Распределение нагрузки по телам качения, анализ влияния расположения шариков на жесткость подшипника 26
2.2.5 Расчет контактных напряжений 29
2.3 Расчёт жесткости подшипников, входящих в состав привода 34
3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ РАСЧЕТА ЖЕСТКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ПРИВОДА 39
3.1 Верификация методики определения коэффициента неравномерности на примере планетарной передачи 39
3.1.1 Выбор параметров для построения планетарной передачи .. 39
3.1.2 Построение модели планетарной передачи в ANSYS Workbench 43
3.1.3 Расчеты планетарной передачи 46
3.2 Определение жесткости зацепления 51
3.3 Расчет жесткости предохранительной муфты 53
3.4 Разработка модели редуктора привода 56
3.4.1 Анализ коэффициента неравномерности привода 56
3.4.2 Построение упругой модели привода 56
3.5 Составление плана эксперимента 66
3.6 Результаты расчета упругой модели 68
4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСА
ПРЕЦИЗИОННОГО РЕДУКТОРА 72
4.1 Анализ служебного назначения и технических условий корпуса
редуктора 72
4.2 Анализ технологичности 72
4.3 Выбор экономичного варианта получения исходной заготовки ... 75
4.4 Разработка последовательности изготовления 79
4.5 Анализ возможных вариантов обработки 85
4.6 Определение припусков и межпереходных размеров 93
4.7 Выбор оборудования 99
5. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВО FEAUTURECAM. ПОСТПРОЦЕССИРОВАНИЕ 104
5.1 Обзор CAM-систем для токарной обработки 104
5.1.1 MasterCAM 105
5.1.2 EdgeCAM 107
5.1.3 Delcam FeatureCAM 109
5.2 Компонентно-ориентированный подход к подготовке
управляющих программ во FeatureCAM 110
5.2.1 Проектирование токарно-сверлильно-расточной и токарно- фрезерно-сверлильно-расточной операций корпусной детали в среде
FeatureCAM 113
5.2.2 Проектирование сверлильно-расточной операций корпусной
детали в сборе в среде FeatureCAM 126
5.2.3 Настройка постпроцессора 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 138
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 139
ПРИЛОЖЕНИЕ
1. ИНФОРМАЦИОННЫЙ ОБЗОР
1.1 Описание конструкции и служебного назначения рассматриваемого прецизионного привода 6
1.2 Способы повышения кинематической точности и уменьшение люфта за счёт уменьшения бокового зазора в зацеплении 8
1.3 Способы повышения равномерности распределения нагрузки между сателлитами 10
1.4 Обзор методик аналитического расчета контактных напряжений в подшипниках и распределения нагрузки между телами качения 14
2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ РАСЧЕТА РАДИАЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ И КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОДШИПНИКАХ 15
2.1 Верификация методики подбора параметров качества сетки и настроек контакта подшипника 15
2.2 Анализ расчетной модели для определения радиальной жесткости 20
2.2.1 Построение расчетной модели 20
2.2.2 Анализ влияния посадок подшипника на его жесткость 21
2.2.3 Учет внутреннего зазора 24
2.2.4 Распределение нагрузки по телам качения, анализ влияния расположения шариков на жесткость подшипника 26
2.2.5 Расчет контактных напряжений 29
2.3 Расчёт жесткости подшипников, входящих в состав привода 34
3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ РАСЧЕТА ЖЕСТКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ПРИВОДА 39
3.1 Верификация методики определения коэффициента неравномерности на примере планетарной передачи 39
3.1.1 Выбор параметров для построения планетарной передачи .. 39
3.1.2 Построение модели планетарной передачи в ANSYS Workbench 43
3.1.3 Расчеты планетарной передачи 46
3.2 Определение жесткости зацепления 51
3.3 Расчет жесткости предохранительной муфты 53
3.4 Разработка модели редуктора привода 56
3.4.1 Анализ коэффициента неравномерности привода 56
3.4.2 Построение упругой модели привода 56
3.5 Составление плана эксперимента 66
3.6 Результаты расчета упругой модели 68
4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСА
ПРЕЦИЗИОННОГО РЕДУКТОРА 72
4.1 Анализ служебного назначения и технических условий корпуса
редуктора 72
4.2 Анализ технологичности 72
4.3 Выбор экономичного варианта получения исходной заготовки ... 75
4.4 Разработка последовательности изготовления 79
4.5 Анализ возможных вариантов обработки 85
4.6 Определение припусков и межпереходных размеров 93
4.7 Выбор оборудования 99
5. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВО FEAUTURECAM. ПОСТПРОЦЕССИРОВАНИЕ 104
5.1 Обзор CAM-систем для токарной обработки 104
5.1.1 MasterCAM 105
5.1.2 EdgeCAM 107
5.1.3 Delcam FeatureCAM 109
5.2 Компонентно-ориентированный подход к подготовке
управляющих программ во FeatureCAM 110
5.2.1 Проектирование токарно-сверлильно-расточной и токарно- фрезерно-сверлильно-расточной операций корпусной детали в среде
FeatureCAM 113
5.2.2 Проектирование сверлильно-расточной операций корпусной
детали в сборе в среде FeatureCAM 126
5.2.3 Настройка постпроцессора 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 138
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 139
ПРИЛОЖЕНИЕ
Для современного приборостроения задача повышения качества и надежности машин и приборов при длительном сроке эксплуатации являются актуальными. Приводы, в состав которых входят редукторы, во многом определяют данные параметры.
Область применения зубчатых передач в составе редуктора приводов, используемых в космических аппаратах (КА), является специфичной. Длительный период эксплуатации без возможности проведения ремонтных работ накладывает дополнительные требования к характеристикам передач. Прежде всего, это сохранение работоспособности при ресурсе, достигающем 15 и более лет. Работоспособность редуктора, в основном, определяется точностью перемещения выходного вала. Точность, в свою очередь, зависит от многих факторов условий эксплуатации [1].
В настоящее время многие предприятия, занимающиеся космической техникой, такие как: АО "Информационные Спутниковые Системы" имени академика М. Ф. Решетнева, ОАО "НПЦ "Полюс" и др., ведут поисковые работы по улучшению качеств выходных параметров механических передач.
Во многом точность перемещений зависит от величины мертвого хода кинематической цепи редуктора, который, в свою очередь, определяется зазорами в зацеплении, зазорами в сочленениях деталей и жесткостью кинематической цепи.
К основным системам и узлам спутников связи, навигации и геодезии, где работают приводы с редукторами, относятся [2]:
- блок механический системы поворота антенн;
- блок механический устройства поворота батарей солнечных;
- блок механический устройства поворота двигателей коррекции;
- блок механический системы поднастройки рефлектора;
- устройство поднастройки формы рефлектора;
- механизм выдвижения мачты.
В связи с развитием средств автоматики, робототехники в настоящее время большое распространение находят мелкомодульные зубчатые передачи и приводы, составленные из них. Степень загруженности таких передач невысока, а смазывания производится пластичным смазочным материалом, который наносится на рабочие поверхности зубьев однократно в момент сборки передачи. Эти особенности в сочетании с большими угловыми скоростями мелко модульных зубчатых колёс приводит к тому, что основной причиной выхода из их из строя является истирание активных поверхностей зубьев в отличие от выкрашивания, наблюдаемого обычно в силовых крупномодульных передачах. Существующие методы оценки работоспособности зубчатых передач (в том числе ГОСТ 21354-75) не могут быть распространены на мелкомодульные передачи [3].
В данной работе рассмотрена конструкция привода блока механического системы поворота рефлектора космического летательного аппарата (БМСПР
КА). Приведены требования к данному приводу, основным из которых является высокая точность отработки углового перемещения выходного звена при минимальных габаритах и массе привода. В работе был обоснован выбор кинематической схемы привода, представлены данные для выбора выходной ступени привода, обосновано применение компоновки цилиндрических ступеней.
Целью работы является оценка работоспособности (ресурс, точность) привода путем нахождения коэффициента неравномерности распределения нагрузки и крутильной жесткости привода.
Задачи работы:
- Определить коэффициент неравномерности распределения нагрузки между сателлитами;
- Определить крутильную жесткость привода для оценки ее влияния на угловое закручивание выходного звена;
- Верифицировать методику определения коэффициента неравномерности распределения нагрузки в приводе на примере планетарной передачи;
- Определить радиальную жесткость и контактные давления в подшипниках;
- Разработать техпроцесс изготовления корпуса редуктора привода.
Исходя из поставленных целей, рассмотрены способы снижения неравномерности распределения нагрузки между сателлитами, посчитан коэффициент неравномерности распределения нагрузки между сателлитами на неподвижных валах, закрепленных в корпусе для повышения ресурса, из построенной упругой модели привода. Для этого предварительно была произведена верификация данной методики расчета коэффициента неравномерности на примере планетарной передачи.
Для определения жесткости опор была смоделирована расчетная модель подшипника, для верификации методики расчета контактных напряжений был смоделирован сегмент подшипника в конечно-элементном пакете Ansys. Далее были найдены радиальные жесткости подшипников, входящих в состав привода, по расчетным моделям которых также можно определить влияние различных посадок на жесткость подшипников.
Была определена крутильная жесткость редуктора для оценки ее влияния на угловое закручивание выходного звена, составлена матрица экспериментов для расчета крутильной жесткости редуктора, рассчитана модель планетарной передачи, определены выборки зазоров при влиянии упругой деформации передач, определен коэффициент неравномерности распределения нагрузки между сателлитами на конечно-элементной модели, при этом обеспечиваются минимальные габариты и масса привода.
Далее был разработан техпроцесс изготовления корпуса редуктора привода, составлены маршрутная карта и карта последовательности изготовления корпуса. Были созданы управляющие программы на операции механической обработки корпуса редуктора с использованием САМ-системы FeautureCAM.
Область применения зубчатых передач в составе редуктора приводов, используемых в космических аппаратах (КА), является специфичной. Длительный период эксплуатации без возможности проведения ремонтных работ накладывает дополнительные требования к характеристикам передач. Прежде всего, это сохранение работоспособности при ресурсе, достигающем 15 и более лет. Работоспособность редуктора, в основном, определяется точностью перемещения выходного вала. Точность, в свою очередь, зависит от многих факторов условий эксплуатации [1].
В настоящее время многие предприятия, занимающиеся космической техникой, такие как: АО "Информационные Спутниковые Системы" имени академика М. Ф. Решетнева, ОАО "НПЦ "Полюс" и др., ведут поисковые работы по улучшению качеств выходных параметров механических передач.
Во многом точность перемещений зависит от величины мертвого хода кинематической цепи редуктора, который, в свою очередь, определяется зазорами в зацеплении, зазорами в сочленениях деталей и жесткостью кинематической цепи.
К основным системам и узлам спутников связи, навигации и геодезии, где работают приводы с редукторами, относятся [2]:
- блок механический системы поворота антенн;
- блок механический устройства поворота батарей солнечных;
- блок механический устройства поворота двигателей коррекции;
- блок механический системы поднастройки рефлектора;
- устройство поднастройки формы рефлектора;
- механизм выдвижения мачты.
В связи с развитием средств автоматики, робототехники в настоящее время большое распространение находят мелкомодульные зубчатые передачи и приводы, составленные из них. Степень загруженности таких передач невысока, а смазывания производится пластичным смазочным материалом, который наносится на рабочие поверхности зубьев однократно в момент сборки передачи. Эти особенности в сочетании с большими угловыми скоростями мелко модульных зубчатых колёс приводит к тому, что основной причиной выхода из их из строя является истирание активных поверхностей зубьев в отличие от выкрашивания, наблюдаемого обычно в силовых крупномодульных передачах. Существующие методы оценки работоспособности зубчатых передач (в том числе ГОСТ 21354-75) не могут быть распространены на мелкомодульные передачи [3].
В данной работе рассмотрена конструкция привода блока механического системы поворота рефлектора космического летательного аппарата (БМСПР
КА). Приведены требования к данному приводу, основным из которых является высокая точность отработки углового перемещения выходного звена при минимальных габаритах и массе привода. В работе был обоснован выбор кинематической схемы привода, представлены данные для выбора выходной ступени привода, обосновано применение компоновки цилиндрических ступеней.
Целью работы является оценка работоспособности (ресурс, точность) привода путем нахождения коэффициента неравномерности распределения нагрузки и крутильной жесткости привода.
Задачи работы:
- Определить коэффициент неравномерности распределения нагрузки между сателлитами;
- Определить крутильную жесткость привода для оценки ее влияния на угловое закручивание выходного звена;
- Верифицировать методику определения коэффициента неравномерности распределения нагрузки в приводе на примере планетарной передачи;
- Определить радиальную жесткость и контактные давления в подшипниках;
- Разработать техпроцесс изготовления корпуса редуктора привода.
Исходя из поставленных целей, рассмотрены способы снижения неравномерности распределения нагрузки между сателлитами, посчитан коэффициент неравномерности распределения нагрузки между сателлитами на неподвижных валах, закрепленных в корпусе для повышения ресурса, из построенной упругой модели привода. Для этого предварительно была произведена верификация данной методики расчета коэффициента неравномерности на примере планетарной передачи.
Для определения жесткости опор была смоделирована расчетная модель подшипника, для верификации методики расчета контактных напряжений был смоделирован сегмент подшипника в конечно-элементном пакете Ansys. Далее были найдены радиальные жесткости подшипников, входящих в состав привода, по расчетным моделям которых также можно определить влияние различных посадок на жесткость подшипников.
Была определена крутильная жесткость редуктора для оценки ее влияния на угловое закручивание выходного звена, составлена матрица экспериментов для расчета крутильной жесткости редуктора, рассчитана модель планетарной передачи, определены выборки зазоров при влиянии упругой деформации передач, определен коэффициент неравномерности распределения нагрузки между сателлитами на конечно-элементной модели, при этом обеспечиваются минимальные габариты и масса привода.
Далее был разработан техпроцесс изготовления корпуса редуктора привода, составлены маршрутная карта и карта последовательности изготовления корпуса. Были созданы управляющие программы на операции механической обработки корпуса редуктора с использованием САМ-системы FeautureCAM.
В процессе выполнения бакалаврской работы были проведены расчеты редуктора прецизионного привода БМСПР КА, в результате которых был найден коэффициент неравномерности распределения нагрузки в редукторе привода. Для этого была построена упругая схема привода, методика нахождения коэффициента неравномерности была верифицирована на примере планетарной передачи типа 2K-H по причине отсутствия аналитической методики для нахождения коэффициента неравномерности для цилиндрических многопоточных передач. В модели планетарной передачи были учтены найденные жесткости зацепления (которые были определены из расчетной модели зуба для различных толщин колес), предохранительных муфт и подшипников.
Для учета влияния боковых зазоров в зацеплениях колес на распределение нагрузки между сателлитами контакты зубьев колес были смоделированы нелинейными пружинами. Также было замечено, что включение в расчетную модель предохранительных муфт в виде нелинейных пружин приводит к уменьшению коэффициента неравномерности распределения нагрузки, однако итоговое влияние их учета на получаемую точность отработки углового положения выходного звена мало.
Полученная расчетная модель планетарной передачи позволяет находить коэффициент неравномерности, приблизительно совпадающий с коэффициентом, полученным по графику, представленным в методике расчета Кудрявцева В. Н., с погрешностью 5,8%.
Разработана численная КЭ модель подшипника для расчета радиальной жесткости, необходимой для построение упругой модели привода, и контактных напряжений в подшипниках по требованию от предприятия. Для более глубокой оценки влияния всех факторов промоделированы случаи с различными натягами. Модель строилась с учетом внутреннего зазора в подшипнике, а также она позволяет учитывать влияние величины натяга, податливость контакта шарика с внутренней и внешней дорожками качения подшипника, внешнего кольца с втулкой, а также распределение нагрузки между телами качения (при действии нагрузки на 1 и 2 тела качения) в отличие от аналитических методик расчета.
Была построена упругая схема быстроходных и промежуточных ступеней привода, которая учитывает жесткости зацеплений, подшипников и предохранительных муфт, входящих в состав привода. По данной модели можно проанализировать распределение нагрузки между сателлитами для дальнейшей оценки ресурса привода.
Выявлены зависимости влияния зазоров в зацеплениях на коэффициент неравномерности распределения нагрузки в приводе, из которых следует, что с увеличением зазора в зацеплениях увеличивается коэффициент неравномерности. Также выяснилось, что, чем больше сила реакции в
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что редуктор не вносит большой погрешности в общую точность отработки углового положения выходного звена привода, но при этом в редукторе возникает высокая неравномерность распределения нагрузки, поэтому дальнейшие пути модернизации будут направлены на снижение неравномерности распределения нагрузки в редукторе.
Также был разработан технологический процесс изготовления корпуса редуктора привода, был проведен анализ служебного назначения и технических условий корпуса редуктора, анализ технологичности, был выбран экономичный вариант получения исходной заготовки - пруток круглого сечения. Был проведен анализ возможных вариантов обработки, для чего была рассчитана конструкция корпуса в сборе в трехкулачковом патроне на жесткость, и принято решение проводить обработку в сконструированной оправке. Была разработана последовательность изготовления детали, были определены припуски и межпереходные размеры. Была составлена маршрутная карта на механическую обработку корпуса, составлена таблица связей обработки поверхностей, также назначены режимы резания на все переходы, выбран соответствующий требованиям станок
Проектирование операций корпуса осуществлялось в САМ-системе FeatureCAM, которая визуализирует процесс обработки и автоматизирует процесс подготовки управляющих программ. Для каждой операции во FeautureCАМ был добавлен свой инструмент, предварительно выбранный из каталогов Sandvik Coromant для черновой и чистовой обработки, заданы необходимые режимы резания, которые были выбраны по приложению CoroGuide. Для настройки постпроцессора из имеющейся базы FeatureCAM был выбран нужный станок, и в его параметрах было учтено использование вращения инструмента и поддержка оси Y, которые необходимы для обработки фрезерованием. Также была произведена визуализация обработки и движений узлов станка.
Для учета влияния боковых зазоров в зацеплениях колес на распределение нагрузки между сателлитами контакты зубьев колес были смоделированы нелинейными пружинами. Также было замечено, что включение в расчетную модель предохранительных муфт в виде нелинейных пружин приводит к уменьшению коэффициента неравномерности распределения нагрузки, однако итоговое влияние их учета на получаемую точность отработки углового положения выходного звена мало.
Полученная расчетная модель планетарной передачи позволяет находить коэффициент неравномерности, приблизительно совпадающий с коэффициентом, полученным по графику, представленным в методике расчета Кудрявцева В. Н., с погрешностью 5,8%.
Разработана численная КЭ модель подшипника для расчета радиальной жесткости, необходимой для построение упругой модели привода, и контактных напряжений в подшипниках по требованию от предприятия. Для более глубокой оценки влияния всех факторов промоделированы случаи с различными натягами. Модель строилась с учетом внутреннего зазора в подшипнике, а также она позволяет учитывать влияние величины натяга, податливость контакта шарика с внутренней и внешней дорожками качения подшипника, внешнего кольца с втулкой, а также распределение нагрузки между телами качения (при действии нагрузки на 1 и 2 тела качения) в отличие от аналитических методик расчета.
Была построена упругая схема быстроходных и промежуточных ступеней привода, которая учитывает жесткости зацеплений, подшипников и предохранительных муфт, входящих в состав привода. По данной модели можно проанализировать распределение нагрузки между сателлитами для дальнейшей оценки ресурса привода.
Выявлены зависимости влияния зазоров в зацеплениях на коэффициент неравномерности распределения нагрузки в приводе, из которых следует, что с увеличением зазора в зацеплениях увеличивается коэффициент неравномерности. Также выяснилось, что, чем больше сила реакции в
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что редуктор не вносит большой погрешности в общую точность отработки углового положения выходного звена привода, но при этом в редукторе возникает высокая неравномерность распределения нагрузки, поэтому дальнейшие пути модернизации будут направлены на снижение неравномерности распределения нагрузки в редукторе.
Также был разработан технологический процесс изготовления корпуса редуктора привода, был проведен анализ служебного назначения и технических условий корпуса редуктора, анализ технологичности, был выбран экономичный вариант получения исходной заготовки - пруток круглого сечения. Был проведен анализ возможных вариантов обработки, для чего была рассчитана конструкция корпуса в сборе в трехкулачковом патроне на жесткость, и принято решение проводить обработку в сконструированной оправке. Была разработана последовательность изготовления детали, были определены припуски и межпереходные размеры. Была составлена маршрутная карта на механическую обработку корпуса, составлена таблица связей обработки поверхностей, также назначены режимы резания на все переходы, выбран соответствующий требованиям станок
Проектирование операций корпуса осуществлялось в САМ-системе FeatureCAM, которая визуализирует процесс обработки и автоматизирует процесс подготовки управляющих программ. Для каждой операции во FeautureCАМ был добавлен свой инструмент, предварительно выбранный из каталогов Sandvik Coromant для черновой и чистовой обработки, заданы необходимые режимы резания, которые были выбраны по приложению CoroGuide. Для настройки постпроцессора из имеющейся базы FeatureCAM был выбран нужный станок, и в его параметрах было учтено использование вращения инструмента и поддержка оси Y, которые необходимы для обработки фрезерованием. Также была произведена визуализация обработки и движений узлов станка.
Подобные работы
- Редуктор привода вращения рамки гиростабилизатора
Бакалаврская работа, технология машиностроения. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2016