RU2394218C2

RU2394218C2 - Method of testing swivelling devices of mechanical systems

Info

Publication number: RU2394218C2
Application number: RU2008133120/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Михайлович Мартынов (RU); Михаил Михайлович Мартынов; Владимир Михайлович Михалкин (RU); Владимир Михайлович Михалкин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Priority date: 2008-08-11
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2010-07-10
Also published as: RU2008133120A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: when realising the method, a swivelling device is turned using an electric drive in the forward direction and a sensor is used to measure the resultant torque of the swivelling device in the forward direction M₁(φ). The swivelling device is then turned in the reverse direction and the resultant torque in the reverse direction M₂(φ) is measured, after which the resistive torque of the swivelling device M_c(φ) is determined using a formula.

EFFECT: higher measurement accuracy.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к спутникостроению, для определения моментов сопротивления в шарнирных устройствах (ШУ) механических систем (МС) космических аппаратов (КА).The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to satellite engineering, for determining the moments of resistance in articulated devices (SHU) of mechanical systems (MS) of spacecraft (SC).

Известно устройство по а.с. SU 1315851, взятое в качестве прототипа, описание которого содержит способ испытаний шарнира. Способ состоит в том, что с целью приближения условий испытаний к эксплуатационным производится дополнительное нагружение испытуемого шарнира циклическим крутящим моментом. Необходимые измерения крутящего момента в шарнирах и частоты вращения производятся с помощью тензодатчика, токосъемника и преобразователя частоты вращения привода. Следует отметить, что крутящий момент здесь измеряется косвенно по закручиванию участка полого вала с помощью деформации тензодатчика, установленного на этом участке полого вала. Результат измерения во многом зависит от материала полого вала (от сочетания его упругости и пластичности), типа и чувствительности тензодатчика, способа и точности его установки и компенсации (или отсутствии таковой) температурной погрешности. Понятно, что косвенные методы измерения всегда проигрывают прямым методам измерения по точности, например, прямо измерять крутящий момент с помощью датчика крутящего момента много точнее. Поэтому одним из недостатков данного устройства является невысокая точность измерений крутящих моментов. Кроме того, крутящий момент здесь измеряется в функции времени, а не от угла поворота, так как отсутствует датчик угла поворота вала привода.A device is known by A.S. SU 1315851, taken as a prototype, the description of which contains a method for testing the hinge. The method consists in the fact that in order to bring the test conditions closer to the operational conditions, an additional loading of the test joint with cyclic torque is performed. The necessary measurements of the torque in the joints and the rotational speed are made using a strain gauge, a current collector and a drive speed converter. It should be noted that the torque here is measured indirectly by twisting the section of the hollow shaft by deformation of the strain gauge installed on this section of the hollow shaft. The measurement result largely depends on the material of the hollow shaft (on a combination of its elasticity and ductility), the type and sensitivity of the strain gauge, the method and accuracy of its installation and compensation (or lack thereof) of the temperature error. It is clear that indirect methods of measurement always lose to direct methods of measurement for accuracy, for example, directly measure the torque using a torque sensor is much more accurate. Therefore, one of the disadvantages of this device is the low accuracy of torque measurements. In addition, the torque here is measured as a function of time, and not on the angle of rotation, since there is no sensor for the angle of rotation of the drive shaft.

Целью данного изобретения является определение с высокой точностью момента сопротивления испытуемого шарнирного устройства, установленного на специальном стенде, в функции от угла поворота шарнирного устройства через измерение крутящих моментов и углов поворота шарнирного устройства.The aim of this invention is to determine with high accuracy the moment of resistance of the test hinge device mounted on a special stand, as a function of the angle of rotation of the hinge device through the measurement of torques and angles of rotation of the hinge device.

Для надежного раскрытия МС КА на орбите, например, панели солнечных батарей (БС), необходимо на этапе наземной экспериментальной отработки, а также при проверке качества изготовления летной продукции подтвердить надежность работы каждого ШУ МС.For reliable deployment of the spacecraft MS in orbit, for example, a solar panel (BS), it is necessary at the stage of ground experimental testing, as well as when checking the quality of production of flight products, to confirm the reliability of each SH MS.

ШУ МС КА представляет собой механизм, состоящий из подвижных элементов различных систем, таких как: собственно подшипниковый узел; проходящий через его подвижные части участок кабеля, сформированный определенным образом; защелки для фиксации подвижных частей между собой в одном или нескольких положениях; спусковой механизм, приводящий в движение другие механизмы при определенном положении подвижных частей подшипникового узла; элементы системы, синхронизирующей движение ШУ с одним или несколькими другими ШУ; датчики положения подвижных частей ШУ; также в состав ШУ входит привод, например спиральная пружина, создающая вращающий момент в сторону раскрытия, или устройство, передающее момент от привода, установленного в другом ШУ; другие элементы систем. При функционировании ШУ его составные части - элементы различных систем - взаимодействуют друг с другом, создавая суммарный момент сопротивления М_с движущему моменту от привода.SHU MS KA is a mechanism consisting of moving elements of various systems, such as: bearing assembly itself; a cable section passing through its moving parts formed in a certain way; latches for fixing movable parts together in one or more positions; trigger mechanism, which sets in motion other mechanisms at a certain position of the moving parts of the bearing assembly; elements of a system that synchronizes the movement of the control with one or more other control; position sensors of mobile parts of ШУ; also, the control unit includes a drive, for example a coil spring that generates torque in the direction of opening, or a device that transmits a moment from a drive installed in another control unit; other elements of systems. During the operation of the control system, its components — elements of various systems — interact with each other, creating a total moment of resistance M _{with a} driving moment from the drive.

Определить фактическое значение М_с для простых механизмов, массы элементов которых не создают значительных реакций в ШУ, не представляет большого труда. В них М_с в функции угла поворота φ можно определить, непосредственно измеряя момент при раскрытии ШУ из транспортировочного положения в рабочее положение (прямой ход) с помощью датчика крутящего момента с соответствующей усилительной и регистрирующей аппаратурой. Проблема состоит в том, что, во-первых, как правило, ШУ не является автономным механизмом, а установлено в раскрываемой конструкции. Поэтому для того чтобы испытать ШУ, нужно раскрывать элементы конструкций и при этом учитывать их особенности, такие как большие габариты, массы, деформации конструкций под действием гравитационных сил и др. Для испытаний на раскрытие крупногабаритных конструкций применяются различные стенды, уменьшающие влияние веса элементов конструкции на моменты в ШУ. Во-вторых, из-за дисбаланса пространственных конструкций на стенде (который только теоретически можно сделать равным нулю, а на практике он всегда присутствует) приходится на стенд устанавливать дополнительные грузы для преодоления дисбаланса, чтобы стенд не останавливался в процессе раскрытия. В-третьих, сам дисбаланс имеет сложную и наперед труднопредсказуемую функцию значений момента дисбаланса от угла поворота, поэтому как-то определить с достаточной степенью точности и затем вычесть дисбаланс из суммарного момента, измеряемого датчиком крутящего момента, не представляется возможным.Determine the actual value of M _with for simple mechanisms, the masses of elements of which do not create significant reactions in the BC, is not difficult. In them, M _s as a function of the angle of rotation φ can be determined by directly measuring the moment when opening the control gear from the transport position to the working position (forward stroke) using a torque sensor with the corresponding amplification and recording equipment. The problem is that, firstly, as a rule, the control is not an autonomous mechanism, but is installed in the disclosed design. Therefore, in order to test ШУ, it is necessary to reveal structural elements and at the same time take into account their features, such as large dimensions, masses, structural deformations under the influence of gravitational forces, etc. For testing for the disclosure of large-sized structures, various stands are used to reduce the influence of the weight of structural elements on moments in SHU. Secondly, due to the imbalance of spatial structures on the stand (which can only theoretically be made equal to zero, but in practice it is always present), additional loads must be installed on the stand to overcome the imbalance so that the stand does not stop during the opening process. Thirdly, the imbalance itself has a complex and difficult to predict function of the moment of imbalance from the angle of rotation, so it is not possible to somehow determine with a sufficient degree of accuracy and then subtract the imbalance from the total moment measured by the torque sensor.

Рассмотрим задачу определения M_c в ШУ на примере панелей БС. Все перечисленные выше элементы различных систем, находящиеся в ШУ, монтируются и настраиваются в составе конструкций панелей БС, имеющих большие габариты и массы по сравнению с ШУ. В испытательной схеме на стенде раскрытия необходимо учитывать и компенсировать влияние массы, жесткости и габаритов конструкций БС, а также неизбежные технологические погрешности компенсации этих влияний на измеряемые величины.Consider the problem of determining M _c in the control room using the example of BS panels. All of the above elements of various systems located in the control room are mounted and configured as part of the construction of the BS panels, which have large dimensions and masses compared to the control room. In the test scheme at the disclosure bench, it is necessary to take into account and compensate for the influence of the mass, stiffness and dimensions of the BS structures, as well as the inevitable technological errors of compensation of these effects on the measured values.

На стенде раскрытия обезвешивание осуществлено следующим образом: с помощью коромысла и балансировочных грузов через подвесы к панели БС приложены силы, равные по величине и противоположные по направлению силе тяжести и не создающие момент относительно центра тяжести панели БС на всем угле раскрытия ШУ. Такая настройка испытательной схемы достигается путем предварительной балансировки панели БС до начала сборки панелей БС с ШУ в единую конструкцию, при этом достигается безразличное равновесие коромысла с подвешенной панелью БС при его любом угловом положении, а также безразличное положение подвешенной панели БС при ее любом угловом положении. Тем не менее, в результате балансировки неизбежно имеют место нескомпенсированные технологические погрешности (НТП), то есть уже упомянутый М_дисб. Источники М_дисб для рассматриваемой испытательной схемы следующие: отклонение положения оси ШУ БС от вертикальной плоскости, проходящей через ось поворота коромысла; погрешность суммарной величины сил, компенсирующих вес, приложенных к панели БС; погрешность настройки положения точек приложения сил к панели БС, которая приводит к возникновению момента относительно центра тяжести панели, а значит, и в ШУ, и другие источники. Неповторяющееся сочетание нескомпенсированных технологических погрешностей, формирующееся на этапе предварительной балансировки, а затем при каждой сборке и настройке испытательной схемы, приводит к возникновению момента дисбаланса в испытательной схеме М_дисб, который изменяется при изменении угла раскрытия панели БС и который в большинстве случаев сравним по величине с М_с или даже превышает его. Поэтому при определении M_c необходимо исключить М_дисб.At the disclosure bench, weightlessness was carried out as follows: using the rocker arm and balancing weights through the suspensions to the BS panel, forces were applied that were equal in magnitude and opposite in direction of gravity and did not create a moment relative to the center of gravity of the BS panel at the entire angle of opening of the control panel. Such a setup of the test circuit is achieved by pre-balancing the BS panel before assembling the BS panels with the control panel into a single structure, while balancing the rocker arm with the suspended BS panel at any angular position, as well as the indifferent position of the suspended BS panel at any angular position. However, as a result of balancing, inevitably there are uncompensated technological errors (NTP), that is, the already mentioned M _disb . The sources of M _disb for the test scheme under consideration are as follows: deviation of the position of the axis of the control unit from the vertical plane passing through the axis of rotation of the beam; the error of the total value of the forces compensating for the weight applied to the BS panel; the error in adjusting the position of the points of application of forces to the BS panel, which leads to a moment relative to the center of gravity of the panel, and, therefore, in the control panel and other sources. A non-repeating combination of uncompensated technological errors formed at the stage of preliminary balancing, and then with each assembly and adjustment of the test circuit, leads to an imbalance moment in the test circuit M _disbalance , which changes with a change in the opening angle of the BS panel and which in most cases is comparable in magnitude with M _s or even exceeds it. Therefore, when determining M _c, it is necessary to exclude M _disb .

Сказанное относительно сложности определения дисбаланса некоторым образом проиллюстрировано на фиг.1, где панель БС показана в профиль в искривленном состоянии под действием ее собственной силы тяжести. Так оно и есть на самом деле, только реальное искривление панели БС менее заметно глазу. Видно, что в горизонтальном положении панели БС реальный центр массы сместился от точек захвата панели БС вниз (показано крестиком). Если это смещение равно Δ, тогда дисбаланс от прогиба в этом положении панели М_дисб=Δ·G_пан, где G_пан - вес панели. Причем очевидно, что в вертикальном положении панели БС величина Δ станет равна нулю, так как продольная жесткость панели БС намного выше поперечной. Очевидно также, что при дальнейшем повороте панели дисбаланс сменит свой знак и будет действовать в противоположном направлении, так как панель БС прогнется уже в другую сторону. Это означает, что сделать дисбаланс нулевым не удастся принципиально и что этот дисбаланс сильно зависит от поперечной жесткости панели БС или любой другой МС.The aforesaid regarding the complexity of determining the imbalance is illustrated in some way in FIG. 1, where the BS panel is shown in profile in a curved state under the influence of its own gravity. So it is in fact, only the real curvature of the BS panel is less noticeable to the eye. It can be seen that in the horizontal position of the BS panel, the real center of mass has shifted down from the gripping points of the BS panel (shown by a cross). If this offset is Δ, then the imbalance from the deflection in this position of the panel is M _disb = Δ · G _pan , where G _pan is the weight of the panel. Moreover, it is obvious that in the vertical position of the BS panel, the Δ value becomes equal to zero, since the longitudinal stiffness of the BS panel is much higher than the transverse. It is also obvious that with further rotation of the panel, the imbalance will change its sign and will act in the opposite direction, since the BS panel will bend in the other direction. This means that it will not be possible to make the imbalance zero fundamentally and that this imbalance is highly dependent on the lateral stiffness of the BS panel or any other MS.

На фиг.1 представлена кинематическая схема участка стенда для раскрытия панелей БС из сложенного положения в раскрытое. Панель 1 находится в транспортировочном положении и подвешена за центр тяжести через тросовую систему 2 и компенсационную пружину 3 к коромыслу 4, которое на другом конце имеет груз-противовес 5 и дополнительный груз 6 для преодоления дисбаланса панели БС на стенде. В испытательной схеме фиг.1 для измерения моментов, действующих в ШУ, раскрываемая панель удерживается технологическим электроприводом 7 через датчик крутящего момента 8, ось выходного вала которого соосна оси ШУ. Дополнительно в стенде содержится датчик угла поворота 9, однозначно связанный с ШУ панели БС. Для исключения влияния динамической и аэродинамической составляющих угловая скорость заранее задается достаточно малой.Figure 1 presents the kinematic diagram of a portion of the stand for the disclosure of the panels BS from the folded position to the open. Panel 1 is in the transport position and suspended by the center of gravity through the cable system 2 and the compensation spring 3 to the beam 4, which at the other end has a counterweight 5 and additional load 6 to overcome the imbalance of the BS panel on the stand. In the test circuit of FIG. 1 for measuring the moments acting in the control box, the disclosed panel is held by the technological drive 7 through a torque sensor 8, the axis of the output shaft of which is coaxial to the axis of the control panel. Additionally, the stand contains a rotation angle sensor 9, uniquely associated with the control panel of the BS panel. To exclude the influence of the dynamic and aerodynamic components, the angular velocity is predefined sufficiently small.

При раскрытии панели БС из транспортировочного положения в раскрытое (показано неполным пунктиром) датчик крутящего момента 8 определит момент прямого хода в функции от угла с помощью датчика угла поворота 9, а при закрытии панели - момент обратного хода также в функции от угла.When the BS panel is opened from the transport position to the opened (shown by an incomplete dotted line), the torque sensor 8 will determine the forward stroke moment as a function of angle using the angle sensor 9, and when the panel is closed, the reverse moment will also be a function of the angle.

Итак, для определения М_с в ШУ раскрывающаяся панель БС с помощью технологического привода переводится из начального положения в конечное и из конечного положения в начальное. Составим уравнение моментов для случая прямого хода (см. фиг.1):So, to determine M _with in the control box, the BS drop-down panel with the help of the technological drive is transferred from the initial position to the final position and from the final position to the initial one. We compose the equation of moments for the case of a forward stroke (see figure 1):

где М₁(φ) - момент, зарегистрированный датчиком момента при переводе панели БС из начального положения в конечное;where M ₁ (φ) is the moment recorded by the moment sensor when moving the BS panel from the initial position to the final;

М_дв(φ) - момент движущий, создаваемый приводом ШУ;M _dv (φ) is the driving moment created by the control gear;

М_доп(φ) - момент, создаваемый дополнительным грузом;M _add (φ) is the moment created by the additional load;

М_дисб(φ) - момент дисбаланса панелей БС на стенде раскрытия;M _disb (φ) is the moment of imbalance of the BS panels at the disclosure stand;

М_с(φ) - момент сопротивления ШУ;M _s (φ) is the moment of resistance of the control gear;

М_ст(φ) - момент сопротивления стенда без панелей БС (определяется заранее при аттестации стенда с весовыми грузами-имитаторами панелей БС);M _article (φ) is the moment of resistance of the test bench without BS panels (determined in advance upon certification of the test bench with weighted goods-simulators of BS panels);

φ - угол раскрытия панели БС (стенда при аттестации).φ is the angle of disclosure of the BS panel (stand during certification).

Составим уравнение моментов для случая обратного хода (см фиг.2):We compose the equation of moments for the case of the reverse stroke (see figure 2):

где М₂(φ) - момент, зарегистрированный датчиком момента при переводе панели БС из конечного положения в начальное.where M ₂ (φ) is the moment recorded by the moment sensor when moving the BS panel from the end position to the initial one.

Вычтем из уравнения (2) уравнение (1):Subtract equation (1) from equation (2):

М₂(φ)-М₁(φ)=2М_с(φ)+2М_ст(φ)M ₂ (φ) -M ₁ (φ) = 2M _s (φ) + 2M _st (φ)

Таким образом, в результирующем уравнении (3) видно, что для определения момента сопротивления в ШУ МС БС достаточно измерить результирующий момент в ШУ при движении из начального положения в конечное и результирующий момент в обратном направлении, а также воспользоваться известной (определенной заранее перед испытаниями) величиной момента сопротивления стенда.Thus, in the resulting equation (3), it is clear that to determine the moment of resistance in the control room of the MS BS, it is sufficient to measure the resultant moment in the control room when moving from the initial position to the final and the resulting moment in the opposite direction, and also use the known (determined in advance before the tests) the value of the moment of resistance of the stand.

Claims

The method of testing the hinged devices of mechanical systems to determine the moment of resistance of the hinge device to the rotation φ on the stand, which consists in the fact that they rotate the hinge device using an electric drive mounted coaxially to the axis of the hinge device, characterized in that they rotate at a predetermined minimum speed in direct direction and measure using the sensor the resulting torque to the rotation of the hinge device in the forward direction M ₁ ((φ), and then using the same technological electric drive, rotate the hinge device with the same speed in the opposite direction and measure the resulting torque to rotate the hinge device in the opposite direction M ₂ (φ) with the same sensor, and then determine the moment of resistance of the hinge device to rotate M _s (φ) according to the formula

where M _article (φ) is the moment of resistance of the stand to rotation φ without a hinge device (determined in advance during certification of the stand);
φ is the opening angle of the hinge device (stand during certification).