4.2. Роторные стенды

Применительно к испытаниям ДУС сверхвысокой точности по п. 1 табл. к неподвижному основанию могут предъявляться особые требования, например, установки на специальные массивные фундаменты, однако для приборов средней и низкой точности это не нужно.

В п. 2 и п. 3 обозначены поворотные или роторные стенды для воспроизведения измеряемой физической величины для ДУС – угловой скорости. Место установки ДУС на столе стенда обычно несущественно, во всех точках угловая скорость одна и та же. Большинство роторных стендов одноосные и при испытаниях на них, как правило, предусматриваются задание угловой скорости только вокруг одной оси. Многоосные (двух- или трехосные) стенды, выполняемые по схеме карданова шарнира и предназначаемые, например, для воспроизведения сложной качки судна, тоже существуют, но здесь они не рассматриваются. Привод роторного стенда обычно строится по принципу следящей системы с точным, обычно импульсным датчиком угла в обратной связи. Для признания результатов испытаний на высоких уровнях необходимо, чтобы стенды были аттестованы. Однако важно, чтобы стенды были аттестованы не по программно задаваемому углу поворота, а по угловой скорости.

При построении статической характеристики (зависимости выходного сигнала от измеряемой угловой скорости) по данным калибровки по образцовой мере обычно требуется, чтобы на стенде можно было длительно и точно воспроизводить постоянные угловые скорости в заданном диапазоне. При калибровке по образцовой мере (мерой является сам стенд) точность поддержания указанных угловых скоростей относительно задаваемых значений должна быть выше точности калибруемого ДУС. Обычно точность выдерживания постоянных значений угловых скоростей выше для больших программных значений, на очень малых угловых скоростях часто существенна неравномерность вращения.

Для испытаний ММГ требуется иметь границы диапазона угловых скоростей в несколько оборотов в секунду (±1000 ⁰/с), нижние границы порядка 10^-4 оборотов в секунду (0,03 ⁰/с), а приведенную погрешность – порядка 10^-5 оборотов в секунду (0,003 ⁰/с). Это достаточно тяжелые требования, поэтому часто предпочитают создавать и использовать два стенда: на большие угловые скорости (от нескольких единиц до 10^-2 об/с) и малые угловые скорости (от 10^-2 об/с до 10^-5 об/с). Важнейшими показателями поворотных стендов, воспроизводящих угловые скорости и предназначенных преимущественно для испытаний датчиков угловой скорости, являются диапазон воспроизводимых угловых скоростей (ω_min , ω_mах) и погрешности этого воспроизведения. Нижняя граница по угловой скорости определяется требуемой чувствительностью испытуемого прибора, верхняя граница - максимальными значениями угловой скорости объекта, для которого предназначается прибор. Для поворотных стендов, предназначенных для аттестации и поверки самолетных датчиков угловой скорости, нижняя граница угловой скорости часто имеет порядок угловой скорости вращения Земли, т.е. 15 ⁰/час (а погрешность должна быть порядка на два меньше), а верхняя граница (для самолета) имеет порядок 200 ⁰/с, динамический диапазон (отношение ω_mах/ω_min) при этом имеет порядок 10⁵. Только немногие, самые лучшие роторные стенды могут перекрыть этот диапазон, поэтому чаще стенды проектируются группами, обычно парами, на нижний и на верхний поддиапазоны.

Несколько западных фирм (например, Acutronics) выпускает подобные стенды, они относятся к дорогостоящему оборудованию, но проведенные на них испытания признаются на всех уровнях.

Отметим, что требования к точности требуют уточнения: или для мгновенных значений, или для средних значений за период либо за десять периодов. Чем на большее число периодов нормируется точность стенда, тем легче выполнить эти требования. Это нужно учитывать при калибровке: более высокая точность построения калибровочной характеристики достигается при получении каждой точки характеристики на больших числах оборотов. Поэтому при испытаниях выдержки времени должны быть обратно пропорциональными угловой скорости. Дополнительные требования к роторным стендам многочисленны: строгое постоянство угловой ориентации оси (обычно по вертикали), низкий уровень вибраций, и пр.

При определении на поворотном стенде динамической характеристики ДУС необходимо воспроизводить синусоидальные законы изменения угловой скорости (колебания) различных частот, обычно в диапазоне до 100-200 Гц. При этом предельно возможные амплитуды по углу велики при низких частотах и уменьшаются с увеличением частоты. Обычно при определении динамических характеристик ДУС рекомендуется доводить частоты до значений, при которых амплитудно-частотная характеристика спадает по крайней мере на 25-35 % от начального значения, и тогда регистрируется частота среза. Однако при формировании сигнала погрешности и нормировании динамической погрешности одним коэффициентом в соответствии с п. этого пособия по результату вычитания программных значений из измеренных достаточно задавать частоты по крайней мере на один полтора порядка меньше, что позволяет снизить требования к частотному диапазону стенда.

При определении на поворотном стенде порога чувствительности требуется задавать ступенчатым образом требуемые малые приращения угловой скорости. Необходимо иметь возможность изменения высоты ступеней программно или по командам, задаваемым оператором. Крутизна фронта ступени не нормируется. Как было отмечено в п. , объективное оценивание порога чувствительности может быть осуществлено при использовании специальной схемы регистрации ступеней в выходном сигнала испытуемого прибора.

Теперь о средствах задания объемных нагрузок или перегрузок. Для некоторых типов ДУС существенны дополнительные погрешности от ускорений в пределах ±g, и тогда испытания проводится просто переустановкой при поворотах в различные положения относительно вертикали. Для создания больших перегрузок необходимы динамические установки. В п. 4 табл. в их качестве обозначены центробежные роторные стенды или центрифуги для воспроизведения линейных ускорений. Для ДУС линейное ускорение является влияющим фактором, определяются или дополнительные погрешности, или перегрузочная способность. Для ММА центрифуга осуществляет основные воздействия, на центрифуге производится калибрвка.

Центрифуги представляют собой роторные стенды, предназначенные для воспроизведения центробежных ускорений при вращении и создания соответствующих им радиальных перегрузок. Элементарная теория испытательной центрифуги строится на единственной формуле кинематики вращательного движения; при установке испытуемого прибора на платформе (роторе), вращающейся с угловой скоростью ω на расстоянии (радиусе) R от оси вращения центробежное ускорение в месте его установки определяется выражением

W= ω² R

На рис. на для трех значений радиуса R в логарифмической сетке построены зависимости ускорения W от угловой скорости ω.

R=10

Если говорить точно, непосредственно воздействующим на испытуемый объект фактически является распределенная действующая на основание прибора центростремительная сила; равная и противоположная ей центробежная сила действует на установочную базу ротора стенда. Основными для испытательных центрифуг являются требования по максимальному воспроизводимому линейному ускорению, которое задается в м/с² или в единицах g (1g = 9,8 м/с²).

При испытаниях крупногабаритных приборных блоков радиус может значительно изменяться по объему. Если этот фактор существенен, плечо и следовательно габаритные размеры центрифуги стремятся делать возможно больше. Один из путей уменьшения неравномерности поля ускорений в пределах размеров испытуемого объекта – увеличение радиуса; государственный эталон единицы ускорения при вращательном движении имеет плечо около 3 м, известны роторные градуировочные стенды с большими плечами порядка 5 м. Подобные установки существуют, для них требуются большие площади, нужны мощные двигатели и т.д. Если требование равномерности центробежных ускорений в больших объемах не выдвигается, лучше использовать установки с меньшими значениями радиусов, как показано в п. ,у них имеются еще и другие преимущества.

Калибровка акселерометра по образцовой мере (центрифуге) осуществляется сравнением линейного ускорения при точно задаваемой на стенде постоянной во времени угловой скорости с его выходным сигналом; при этом должна быть высокая точность измерения угловой скорости и радиуса. Выражения для абсолютной и относительной погрешностей Δw линейного ускорения (3.1) точки ротора центрифуги, смещенной на радиальное расстояние ΔR относительно известного положения, задаваемого радиусом R₀ , имеют вид

ΔW = ω₀² ΔR + 2R₀ω₀ Δω; Δw/w₀ = ΔR/R₀ + 2 Δω/ω₀

где ω₀ — номинальное значение угловой скорости, а Δω — ее погрешность. Точные градуировочные (калибровочные) центрифуги должны иметь относительные погрешности не более 10^-3 % , поэтому в несколько раз меньшими должны быть относительные погрешности радиуса и угловой скорости.

Применительно к ДУС является важным, что вращение платформы центрифуги одновременно создает измеряемую величину (угловую скорость) и влияющий фактор (линейное ускорение и соответствующую перегрузку). Однако большие перегрузки (выше 100 g) создаются при больших угловых скоростях, заведомо выходящих за пределы диапазона измерения. Поэтому испытания ДУС на центрифугах проводятся не в рабочем режиме измерения угловой скорости.

Как и для роторных стендов, задающих угловую скорость, точная стабилизация угловой скорости вполне достижима при использовании прецизионных импульсных датчиков в замкнутой системе автоматического управления. Но необходимо говорить раздельно о точности мгновенных значений угловой скорости и о точности осредненной угловой скорости; они обычно существенно различаются, чем больше число оборотов осреднения, тем выше точность. За несколько десятков оборотов погрешность осредненной угловой скорости может быть снижена до пренебрежимо малых значений.

К испытательным центрифугам, предназначаемых для определении предельно допустимых перегрузок или контроля прочности конструкции различных приботовне нужно предъявлять жесткие требования по точности (которые вполне правильны и обоснованы применительно к центрифугам для калибровки акселерометров), поскольку реальные эксплуатационные условия, которые желательно воспроизводить, все равно обладают значительной естественной неопределенностью.

Часто для прецизионных градуировочных центрифуг задаются ограничения на удлинение плеча центрифуги под действием центробежных сил. Применительно к градуировочным центрифугам способ измерения во время вращения длины плеча с последующим введением поправок на воспроизводимое ускорение используется редко ввиду его сложности. Возможно введение только расчетных поправок на удлинение плеча в зависимости от воспроизводимого ускорения, это, конечно, значительно проще, но могут иметь место существенные, трудно учитываемые погрешности несоответствия расчетной модели.

Существенную специфику имеют центрифуги, предназначаемые для испытаний на очень большие центростремительные ускорения порядка 10⁵ м/c² и более. При таких и бóльших ускорениях элементы самой конст­рукции вращающегося ротора испытывают такие нагрузки от центро­бежных сил инерции, что если даже они изготовлены из высококачествен­ных конструкционных материалов, в их сечениях могут достигаться пределы несу­щей способности.

При установлении возможностей воспроизведения на центрифуге таких очень больших ускорений основными являются требования обеспечения достаточных запасов прочности; определяющим является расчет на прочность протяженных частей роторов. При работе центрифуги эти протяженные части нагружены вблизи оси центробежными силами не только от объекта и устройства его крепления, но и самой конструкции протяженной части.

Показатель η зависит от максимального значения W_max воспроизводимого центростремительного ускорения, от радиуса R установки испытуемого объекта, от прочности материала (допускаемого напряжения), но также зависит существенным образом от схемных и конструктивных решений протяженных частей ротора. Отчетливые преимущества имеют те конструкции, в которых протяженные элементы работают только на растяжение, но не на изгиб. Известно, что для всех конструктивных решениях условие прочности имеет один и тот же вид

R W_max= (ω_max R)² = (V_max)²

Возможности воспроизведения очень больших линейных ускорений на центрифугах определяются условиями прочности конструкции ротора. Исходя из условий прочности ротора при растяжении показано, что независимо от схемного решения и его конструкции должно быть выполнено условие

R W_max (σ_доп)  γσ_доп ρ^-1= γV_max², ()

где ρ — плотность конструкционного материала плеча ротора, σ_доп — допускаемое напряжение материала ротора, W_max — максимальное ускорение, V_max — максимальная окружная скорость в месте установки испытуемого объекта, а γ – безразмерный коэффициент хотя и зависит от конфигурации и параметров ротора, но для разумных вариантов конструкций изменяется в узких пределах и имеет порядок единицы .

Свойства материала стержня входят только в виде отношения α = (ρ/σ_доп), поэтому преимущество имеет тот конструкционный материал, у которого отношение плотности к допускаемому напряжению меньше. Для титана, как и для высококачественных стальных сплавов ограничение на скорость V_maxнаходится на уровне 200 – 400 м/с, т.е. чисто случайно имеет порядок скорости звука в воздухе, что нужно учитывать при расчете аэродинамических сил сопротивления. Отметим важный факт: параметры R и W_max входят в виде произведения, поэтому с точки зрения обеспечения условий прочности при растяжении трудности, связанные с увеличением как R, так и W_max, одинаковы. Часто в информационных материалах, в докладах указывают предельное значение ускорения, а в ТЗ на разработку стендов требования на радиус R и ускорение W_max , задаются независимо. В действительности выполнимость требований нужно проверять по произведению этих параметров. Чем меньше радиус R , тем большее ускорение W_max можно получить на центрифуге. Это еще один довод, чтобы уменьшить размеры ротора центрифуги. На диаграмме рис. на плоскости параметров W и R (или п) в логарифмической сетке при параметре R выделена область, для которой может быть обеспечена прочность ротора центрифуги.

недоделано

При оценке существующих центрифуг нельзя, например, рассматривать, как выдающееся достижение получение на центрифуге ускорения, например, 100000 м/с² без пояснения, на каком радиусе это получено: при R= 0,3 м это не очень сложно, а при R= 3 м практически невозможно. Для центрифуг, предназначенных для воспроизведения линейных (центростремительных) ускорений перекрытие широкого диапазона значительно легче, поскольку центростремительное ускорение пропорционально ω². Существуют специальные технологические центрифуги, на которых воспроизводятся ускорения порядка 10⁶ g, они имеют малые радиусы роторов. В частности, они используются для разделения изотопов радиоактивных элементов. Насколько известно, подобные центрифуги не используются для испытаний приборов.

В точных калибровочных центрифугах используется прямая передача от специальных низкооборотных многополюсных двигателей, имеющих высокую степень равномерности (постоянства) вращающего момента по углу поворота. В настоящее время приводы всех центрифуг имеют высокоточные цифровые системы программного управления или стабилизации с обратными связями, в состав которых входят импульсные датчики угла.

При необходимости снятия выходных сигналов с испытуемых приборов во время вращения могут использоваться любые средства бесконтактной телеметрии или контактной передачи через вращающиеся кольца, которых касаются упругие элементы, закрепленные на корпусе.

Допускаемые погрешности измерения угловых скоростей и линейных ускорений на стендах для разных испытуемых приборов могут изменяться в пределах от 0,1 % до 0,001 %. Для удовлетворения высоких требований по точности используется целая серия конструктивных приемов и способов настройки. При любом выполнении конструкция ротора выполняется жесткой, до пренебрежимо малых значений сводятся изгибные перемещения под действием сил веса и амплитуды колебаний. Большую роль играет выбор подшипников, многие точные роторные стенды выполняются с газостатическими опорами, которые при достаточно больших диаметрах имеют вполне достаточную жесткость; в них отсутствуют силы сухого трения, а вращение на них отличается плавностью. Однако экономия на мощности при больших угловых скоростях незначительна. В конструкциях станин предусматривается точная выставка оси вращения по вертикали. Иногда при основании ставятся амортизаторы, осуществляющие виброизоляцию от фундамента. Проектирование жестких и прочных устройств установки и крепления объектов испытаний на центрифуге требует сложных расчетов.