СПОСОБ ВЫБОРА ПРИВОДА ДЛЯ ПОВОРОТА КОНСТРУКЦИИ В ШАРНИРНОМ УЗЛЕ Российский патент 2003 года по МПК G01L3/00 G01L5/00 

Изобретение предназначено для использования в механизмах поворотных частей спутника, преимущественно в тех из них, где в качестве привода используются пружины, например в шарнирах поворотной конструкции.

Известно, что в механизмах поворотных конструкций часть потенциальной энергии пружин используется на преодоление трения в шарнирных узлах (ШУ), сопротивления защелок фиксаторов конечного положения поворотных звеньев и сопротивления кабелей коммутационных связей между поворотными частями конструкции, а ее избыток переходит в кинетическую энергию поворотного звена.

Очевидно, что для обеспечения устойчивого движения, в данном случае поворота в ШУ, необходимо превышение движущих сил пружин над силами сопротивления в любой фазе движения, а для обеспечения надежности поворота необходимо обеспечить некоторый уровень запаса движущих сил. Необходимость запаса обусловлена разбросами физико-механических характеристик конструкционных материалов и геометрических характеристик конструкции, а также изменением их в условиях воздействия факторов космического пространства.

Известно, что "все механизмы должны обеспечивать запасы момента и/или усилия по крайней мере 200% (отношение 3 к 1) относительно худшего сочетания, необходимого на орбите, включая тепловые эффекты, старение, механическую разрегулировку, погрешности изготовления, минимальную электрическую мощность и износ к концу существования" (RFP 196. Запрос на предложения по третьему поколению космического сегмента ИНМАРСАТ. Редакция от 02.10.89 г. Часть 4. Раздел 10. Механизмы, стр. 91), (прототип).

В практике фирм - разработчиков механизмов спутников, данное условие реализуется способом выбора привода, заключающимся в определении при наземных испытаниях действительных значений моментов сил сопротивления повороту в ШУ для худшего сочетания факторов, имитирующих условия эксплуатации, и выборе привода из имеющегося ряда при условии превышения момента движущих сил над моментом сил сопротивления в любой фазе своего движения не менее чем в k раз, где k устанавливают исходя из технических традиций и опыта, например, в Мессершмит - Болков - Блом (Германия) k=3, а в НПО прикладной механики (Россия) k=2.

Указанный способ позволяет осуществлять выбор привода с энергией, заведомо превышающей достаточный для поворота уровень, чем обеспечивается надежность механизма, однако, избыточность энергии привода приводит к необходимости увеличения прочности конструкции в момент достижения своего конечного положения, а значит и к увеличению ее веса.

Технической задачей изобретения является выбор привода, обеспечивающего заданную надежность и минимальный вес поворотной конструкции.

Техническая задача изобретения решается за счет того, что в известном способе выбора привода для поворота конструкции в шарнирном узле, заключающемся в определении при наземных испытаниях действительных значений моментов сил сопротивления повороту в шарнирном узле для худшего сочетания факторов, имитирующих условия эксплуатации, и выборе привода из имеющегося ряда при условии превышения момента движущих сил над моментом сил сопротивления в любой фазе своего движения не менее чем в k раз, определяют значения коэффициента k для каждого привода из имеющегося ряда из условия:

здесь A_D = σ_D/m_D,
A_S = σ_S/m_S,
где А_D, A_S - коэффициенты вариации;
σ_D, σ_S - средние квадратические отклонения моментов движущих сил и сил сопротивления, определенные известным образом;
m_D, m_S - математические ожидания моментов движущих сил и сил сопротивления, определенные известным образом;
γ - квантиль надежности, соответствующий заданной надежности шарнирного узла, a привод выбирают с минимальным значением коэффициента k.

Вышесказанное подтверждается следующим.

Изменения моментов сил сопротивления повороту в ШУ и моментов движущих сил привода можно представить в виде законов распределения функций случайных аргументов, причем результирующие функции, в силу большого количества независимых случайных величин, будут подчиняться нормальному закону распределения, независимо от того, каким законам будут подчиняться составляющие величины:


где F(D), F(S) - законы распределения моментов движущих сил и сил сопротивления;
σ_D, σ_S - средние квадратические отклонения моментов движущих сил и сил сопротивления;
m_D, m_S - математические ожидания моментов движущих сил и сил сопротивления.

Параметры законов распределения (математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение) определяются в ходе наземных испытаний с имитацией критических условий эксплуатации известными методами.

Очевидно, что условия эксплуатации и эксперимента не совпадают, а при испытаниях, комбинации условий эксплуатации не воспроизводимы и имитация физической модели отказа невозможна, поэтому справедливо предположить, что предельный момент сил сопротивления при эксплуатации не должен быть более величины
S^max=k•S,
где k - неслучайный коэффициент;
S - действительное значение момента сил сопротивления.

Следовательно, по правилам нахождения законов распределения функций случайного аргумента закон распределения предельного момента сил сопротивления определяется следующим образом:

Разница между действительным значением момента движущих сил и предельным моментом сил сопротивления D-S^max также будет подчиняться нормальному закону распределения с математическим ожиданием и средним квадратическим отклонениям:
m_D-S ^max=m_D-k•m_S;

Вероятность, что момент движущих сил будет превышать предельный момент сил сопротивления, определяется выражением надежности

где Φ(γ) - табулированная нормальная функция распределения.

Для заданной надежности Н по таблицам функции распределения всегда можно найти соответствующее ей значение γ и записать выражение

Отсюда следует формула для определения значений k, которая, при условии k>1, выглядит следующим образом:

Способ выбора привода для поворота конструкции в ШУ реализуется, например, следующим образом.

В результате наземных испытаний ШУ определяют дисперсию и математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение моментов сил сопротивления m_S и σ_S. Предварительно осуществляют выборку из ряда приводов с известными характеристиками распределения моментов движущих сил m_D и σ_D, например, из условия m_D>m_S. Задают надежность функционирования ШУ и определяют по формуле (1) ряд значений k, соответствующих отобранным ранее приводам. Далее производят проверку, условием которой является превышение действительных значений моментов движущих сил приводов над действительными значениями моментов сил сопротивления повороту в ШУ не менее чем в k раз в возможных случаях позиционирования ШУ для худшего сочетания имитирующих факторов. Выбирают привод с минимальным значением k больше единицы.

Реализованный таким образом способ позволяет минимизировать вес поворотной конструкции при заданной надежности функционирования ШУ.

Изобретение предназначено для использования в механизмах поворотных частей спутника, преимущественно в тех из них, где в качестве привода используются пружины, например в шарнирах поворотной конструкции. В результате наземных испытаний шарнирных узлов (ШУ) определяют дисперсию и математическое ожидание моментов сил сопротивления m_s и σ_S. Предварительно осуществляют выборку из ряда приводов с известными характеристиками распределения моментов движущих сил m_D и σ_D, например, из условия m_D>m_s. Задают надежность функционирования ШУ и определяют по формуле ряд значений k, соответствующих отобранным ранее приводам. Далее производят проверку, условием которой является повышение действительных значений моментов движущих сил приводов над действительными значениями моментов сил сопротивления повороту в ШУ не менее чем в k раз в возможных случаях позиционирования ШУ для худшего сочетания имитирующих факторов. Выбирают привод с минимальным значением k больше единицы. Реализованный таким образом способ позволяет минимизировать вес поворотной конструкции при заданной надежности функционирования ШУ.

Способ выбора привода для поворота конструкции в шарнирном узле, заключающийся в определении при наземных испытаниях действительных значений моментов сил сопротивления повороту в шарнирном узле для худшего сочетания факторов, имитирующих условия эксплуатации, и выборе привода из имеющегося ряда, при условии превышения момента движущих сил над моментом сил сопротивления в любой фазе своего движения не менее чем в k раз, отличающийся тем, что определяют значения коэффициента k для каждого привода из имеющегося ряда из условия

здесь A_D = σ_D/m_D;
A_S = σ_S/m_S;
где А_D, A_S - коэффициенты вариации;
σ_D, σ_S - средние квадратические отклонения моментов движущих сил и сил сопротивления, определенные известным образом;
m_D, m_S - математические ожидания моментов движущих сил и сил сопротивления, определенные известным образом;
γ - квантиль надежности, соответствующий заданной надежности шарнирного узла, а привод выбирают с минимальным значением коэффициента k.