ВАШ ВЫБОР БУДЕТ ОПТИМАЛЬНЫМ: РАСЧЕТ ПРИВОДНЫХ ОСЕЙ ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ И КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МАШИН

В предыдущих номерах газеты «Новости Приводной Техники» можно найти ряд статей, в которых мы описывали отдельные аспекты или целые методики расчета приводных осей применительно к станкостроению и выскокодинамичным машинам — таким, как координатные столы или упаковочные автоматы.

Целью данной публикации является охват применений, для которых характерен баланс требований к точности, динамике и особенностям окружающей среды, если эксплуатация осуществляется на открытом воздухе.

В наибольшей степени названное выше актуально для радиолокационных станций, работающих под воздействием естественных природных факторов, таких как повышенная или пониженная температура воздуха, ветер, осадки, оледенение и прочее. В меньшей мере — в части условий среды (обычно цеховые), но, подчас, в большей степени — в отношении динамики и точности, под сегодняшнюю тематику подпадают также контрольно-измерительные машины, построенные по различным кинематическим схемам: портальным, консольным или сложным с произвольной комбинацией вращательных и линейных осей.

Безусловно, представить в рамках одной статьи полный алгоритм расчетов не представляется возможным, поэтому мы описательно представим только основные этапы — на примере опорно-поворотного устройства (далее — ОПУ) для радиолокационного оборудования.

Расчет двухосевого ОПУ для радиолокационной установки

Как правило, установки рассматриваемого типа содержат две вращательных приводных оси: «Азимут» и «Угол места».

Первая осуществляет движение в горизонтальной, вторая — в вертикальной плоскости.

Расчет осуществляется на основе известного всем техническим специалистам еще с институтской скамьи основного уравнения динамики твердого тела относительно неподвижной оси вращения и проводится в семь этапов, представленных ниже.

Результатом такого расчета является подбор оптимизированных приводов, состоящих, в общем случае, из серводвигателя (синхронного или асинхронного), сервоусилителя или преобразователя частоты и редуктора, высокоточного или общепромышленного.

Данные для расчета динамического момента

Характеристики поворотной платформы (стола):

• масса, кг
• диаметр, мм

Характеристики зубчатого венца (если имеется):

• масса, кг
• диаметр делительной окружности, мм
• ширина зубчатого венца

Массо-габаритные характеристики осей «Угол места» и «Азимут»:

• масса, кг
• диаметр, мм
• расстояние от центра тяжести до оси вращения, мм

Временная диаграмма движения для циклического режима работы (S5):

• время разгона, с (или значение ускорения, рад/с2)
• время торможения, с (или значение замедления, рад/с2)
• максимальная скорость, рад/с
• время паузы между циклами, с.

Данные для расчета статического момента

Временная диаграмма движения для продолжительного режима работы (S1):

• время разгона, с (или значение ускорения, рад/с2)
• время торможения, с (или значение замедления, рад/с2)
• максимальная скорость, рад/с
• продолжительность работы в данном режиме, с

Данные по ветровым нагрузкам (при их наличии):

• максимальная скорость ветра, м/с
• длина плеча подвеса антенны, мм
• габариты антенны, мм

Тип опорного подшипника для определения коэффициента трения.

Данные для расчета импульсного момента страгивания

Возможны два варианта:

• дополнительная нагрузка при пуске отсутствует, поскольку осуществляется предварительный предпусковой подогрев всех смазываемых элементов и устранение оледенения в местах контакта вращающихся частей
• момент страгивания определяется эмпирическим путем или при моделировании и предоставляется для дальнейших расчетов специалистам по приводу.

Данные для расчета опрокидывающего момента

Данные по дополнительным зубчатым передачам (для зубчатого венца и шестерни)

• количество зубьев, шт
• модуль
• вид передачи косозубая/прямозубая.

По опыту НТЦ ПТ других элементов, создающих опрокидывающий момент на привод в рассматриваемом применении, не выявлено.

Корректировка моментных характеристик с учетом температуры окружающей среды

При выборе приводов учитывается климатическое исполнение редуктора и двигателя. При использовании специальных редукторов для низких температур необходимо учитывать потери в моменте (до 40% от каталожных характеристик) и скорости (до 30% от каталожных характеристик), это обусловлено применением более вязких смазок, специальных подшипников и уплотнений, создающих дополнительный момент трения.

Для корпусных элементов используется нержавеющая сталь и специальные защитные покрытия.

Все вышеназванное позволяют применять редукторы и двигатели из гаммы продукции НТЦ Приводная Техника в сложных климатических условиях и диапазонах температур как минимуму от –40 до +40°С.

Результатом данного этапа являются следующие расчетные характеристики нагрузки:

• максимально требуемый момент, Нм (момент ускорения)
• номинальный момент, Нм (эффективный момент)
• опрокидывающий момент (подразумевается суммарный изгибный момент на выходном валу привода). Далее с помощью программного обеспечения осуществляется первичный выбор привода на основании рассчитанной рабочей точки. Примером может служить программа «cymex 5» от компании “WITTENSTEIN alpha”.

Корректировка выбора привода с учетом точностно-динамических характеристик:

• соотношение моментов инерции масс нагрузки и привода
• жесткость механической системы
• частота собственных колебаний системы.

Перечисленные величины отвечают за управляемость системы, диапазон регулирования, точность позиционирования и полосу пропускания. В зависимости от типа системы и требований к точности и динамичности, мы выполняем сравнение полученных в результате расчетов коэффициентов с эмпирическими значениями, которые основаны на опыте ведущих европейских производителей оборудования. Данная методика позволяет подобрать оптимизированный привод для решения конкретной задачи.

Корректировка выбора с учетом особенностей конструкции редукторов

В ОПУ зубчатые передачи подвергаются значительным циклическим нагрузкам. В условиях высоких скоростей, передаваемых мощностей и реверсов зубчатые передачи должны обладать соответствующими прочностными свойствами. Как для оси «Угол места», так и для оси «Азимут» рекомендуется выбирать редукторы производства «WITTENSTEIN alpha» серий TP, XP и SP, у которых в качестве термической обработки эпицикла (центральное зубчатое колесо с внутренними зубьями) используется нитроцементация, Оптимальное сочетание твердости внешнего слоя зуба и упругости/жесткости сердцевины дают в результате максимальную износостойкость поверхностного слоя, а также позволяют увеличить прочность на изгиб.

Существует также ряд других особенностей, которые из-за ограниченности формата в данной статье отразить не представляется возможным.

В итоге, после осуществления всех семи этапов подбора, получается оптимизированный под конкретную задачу привод. Написанное выше справедливо, за исключением ряда специфических особенностей функционирования радиолокационных станций, также и для контрольно-измерительных и других типов машин.