Введение к работе
Актуальность темы Проблемы защиты от инфранизкочастотных воздействий о условиях микрогравитации бортового технологического оборудования требуют поиска'новых нетрадиционных решений В условиях работы на космической станции наряду с широкополосной вибрацией имеют место постоянно действующие ускорения (перегрузки) в диапазоне низких и инфранизких частот от 0.01 до 10 Гц, которые нарушают нормальное протекание технологического процесса Использование обычного подхода, связанного с применением фильтра нижних частот в системах как пассивной, так и активной виброизоляции, неизбежно ограничивает частотный диапазон виброизоляции снизу, создает зону резонансных усилений в области собственных частот и недостаточную глубину виброизоляции вблизи указанной области. При этом упругая система подвеса с ультранизкими собственными частотами неизбежно ведет к большим статическим перемещениям даже при весьма низких уровнях микрогравитационных воздействий Относительные перемещения могут составлять величину порядка нескольких десятков см. и система виброизоляции при действии постоянных ускорений выйдет на ограничители хода. В то же время, если найти средства активной виброизоляции, при которых объект (платформа) останется неподвижным в инерциальном пространстве, то время выхода на упор может быть увеличено в несколько раз Путь решения этой проблемы заключается в создании активных систем виброизоляции кинематического принципа действия, которые основаны на новых принципах организации виброизоляции и могут не содержать упругих элементов. Низкие собственные частоты обеспечиваются за счет подбора характеристик регулятора и практически не зависят от динамических свойств защищаемого объекта и приводного механизма с двигателем Эти системы также обеспечивают отсутствие влияния на динамику внеопорных связей типа электрокзбеяей. трубопроводов пневмо- и гидросистем, что является особенно важным для космической технологии Использование новых принципов цифрового управления позволит обеспечить эффективную виброизоляцию на низких частотах, начиная от 0 Гц, отсутствие резонансов и стационарных относительных перемещений при действии постоянных
?.
ускорений. Это требует решения комплекса новых задач, чему и посвящена предлагаемая работа.
Цель работы - создание методов синтеза активных систем виброизоляции кинематического принципа действия с жесткими приводными механизмами, включая разработку как общей структуры, так и выбор параметров, для защиты оборудования космических объектов от низкочастотных воздействий в условиях микрогравитации.
Основные задачи работы:
а выбор общих принципов устройства и действия;
В разработка схемных решений для реализации кинематического принципа
действия в системе активной виброизоляции, учет динамики привода; в выбор вариантов систем позиционирования при действии
продолжительных перегрузок; в разработка структуры активной системы виброизоляции без упругих
элементов, включая датчики, исполнительные приводы и цифровой
регулятор; в синтез системы активной виброизоляции с управлением по возмущениям
для обеспечения нулевого уровня ускорений на защищаемом объекте и
создание режимов переменной структуры при выходе из допустимого
диапазона относительных перемещений; в кинематический анализ и синтез механизмов активной виброизоляции для
пространственной: платформы, выбор оптимальной геометрической
структуры; В построение многосвязной пространственной системы механизмов
активной виброизоляции; В разработка технических и программных средств для экспериментальных
исследований, а также проведение экспериментальных исследованиий
макетного образца системы виброизоляции на вибростенде.
Научная новизна предлагаемого подхода состоит в следующем:
-
Сформулирован кинематический принцип действия активной системы виброизоляции, заключающийся в сочетании объекта и основания, соединенных жесткими приводными механизмами, поддерживающими неизменное положение "объекта в инерциальном пространстве; относительная скорость привода формируется в зависимости от сигналов датчиков, измеряющих кинематические параметры.
-
Предложены схемы реализации кинематического принципа действия для широкого класса приводных механизмов: электрогидравлических, электромеханических, магнитострикционных, пьезоэлектрических;
-
Обоснован кинематический принцип действий в пределах выбранного диапазона низких частот на примере электромеханического привода с червячной передачей.
-
Предложен новый метод анализа кинематических и кинетостатических параметров механизмов активной виброизоляции в сочетании с общей динамикой системы управления.
-
Разработаны методы синтеза структуры и параметров механизмов активной системы виброизоляции о непрерывной и дискретной частотной области.
-
Получена структура активной системы виброизоляции с управлением по возмущениям, обеспечивающая нулевой уровень ускорений на объекте при сколь угодно низких частотах.
-
Определены параметры системы виброизоляции в режиме переменной структуры в зависимости от контролируемых величин относительных перемещений.
-
Разработаны методы оптимального синтеза геометрической структуры механизмов пространственной виброизоляции.
-
Построена многомерная пространственная система активной виброизоляции на основе механизмов параллельного действия.
10. Создан на основе предложенных принципов макетный образец системы
виброизоляции, комплекс методов и средств экспериментальных
исследований.
Практическая значимость работы. Предложенные в работе для использования на космических объектах активные системы виброизоляции кинематического принципа действия, не содержащие упругих элементов, обеспечивают эффективную виброизоляцию от низкочастотных воздействий, что не может быть достигнуто применением других пассивных или активных систем Разработанные методы синтеза структуры и параметров таких систем с управлением по возмущениям создают основу для практического конструирования систем виброизоляции технологических платформ для проведения космических экспериментов Комплекс для испытания макетных образцов систем активной виброизоляции является универсальным для проведения экспериментальных исследований различных динамических объектов. Созданные алгоритмы и программное обеспечение позволяют использовать предложенные методы для широкого класса объектов, где требуется эффективная защита от низкочастотных воздействий основания
Результаты выполненной работы использованы в НПО "Энергия" при разработке требований к определению вибрационных источников и путей распространения вибрации по конструкции станции "Мир*, а также технических требований к системам защиты от действия микрогравитации технологического оборудования, устанавливаемого на станции "Мир" и проектируемого для МКС "Альфа", в техническом Центре "СПЛАВ" КБ Общего машиностроения для разработки технических требований на опытный образец системы защиты технологической платформы для проведения экспериментов в области материаловедения, в НИЦ космической системотехники РКА (г Обнинск) для разработки универсального космического технологического комплекса для МКС «Альфа», в разработках Корпорации 'Боинг* для оптимизации параметров пространственных платформ на космических объектах.
В свяли с этим на зашиту выносятся следующие положение
В применение системы виброизоляции кинематического принципа действия
для защиты от низкочастотных воздействий основания, »
*
В использование жестких приводных механизмов, управляемых акселерометрами и датчиками относительных перемещений для реализации этого принципа без применения упругих злементое;
8 использование акселерометров, установленных на основании, для
обеспечения нулевого уровня ускорений на объекте при сколь угодно
низких частотах;
н создание переменной структуры системы виброизоляции, в зависимости
от контролируемых величин относительных перемещений; И разработка методов кинематического и кинетостатического анализа и
синтеза механизмов активной виброизоляции для пространственных
платформ; 0 выбор геометрической структуры пространственных механизмов активной
виброизоляции методами оптимального синтеза; и синтез многосвязной пространственной системы активной виброизоляции,
включающей механизмы параллельного действия;
9 принципы построения измерительно-испытательного комплекса для
проведения экспериментальных исследований системы виброизоляции .
Апробация работы. Основные результаты диссертации, а также отдельные ее этапы докладывались и обсуждались на: XI Международном симпозиуме по динамике виброударных систем, октябрь 1995 г., Москва-Звенигород; VII Международном совещании по динамике и прочности автомобиля, февраль 1997 г., Москва; Международных летних Школах ученых-механиков «Анализ и синтез нелинейных механических колебательных систем», 1-10 июля 1996, 1997 гг., Санкт-Петербург; I Международной научно-методической и научно-исследовательской конференции «Плавность хода экологически чистых автомобилей о различных дорожных условиях и летательных аппаратов при приземлении и торможении», 1997 г., Москва; IV конференции «Нелинейные колебания механических систем», сентябрь 1996 г., Нижний Новгород; 2-м Российском симпозиуме «Процессы тепломассопереноса и рост монокристаллов и тонкопленочных структур», 22-24 сентября 1997 г., Обнинск; IV Internationa! Congress on Sound and Vibration, June 24-27 1996, St. Petersburg; The Third International Workshop on Materials Processing at High Gravity, June 2-3 199S, Potsdam-New York, USA; IV International Symposium on Methods and Models in Automation and Robotics, August 16-18 1997, Miedzyzroje, Poland; X European
т
and VI Russian Symposium on «Physical Sciences in Microgravity», June15-21 1997,St. Petersburg.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ: монография, статьи в журналах Изв.РАН "Механика твердого тела" и "Теория и системы управления", "Проблемы машиностроения и надежности машин", "Проблемы машиностроения и автоматизации", патентах, трудах конференций и других изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
о введения, восьми глав, заключения, списка использованной литературы из
124 наименований и приложений. Основная часть диссертации содержит 230
страниц машинописного текста, 8 таблиц, 70 рисунков.