Способ обеспечения качества изготовления электромеханического устройства космического аппарата Российский патент 2022 года по МПК B64G1/50 

Изобретение относится к электромеханическим устройствам космических аппаратов (КА) (например, электронасосные агрегаты (ЭНА), электроприводы антенн, электроприводы солнечных батарей и прочее, преимущественно телекоммуникационных спутников), которые должны быть работоспособны – безотказно функционировать в течение не менее 15 лет (ресурс не менее 140000 часов) в условиях эксплуатации КА на орбите.

Анализ данных эксплуатации электромеханических устройств в составе КА показывает, что безотказная работа их в первую очередь зависит от качественного изготовления электроприводов, у которых для обеспечения оптимальных рабочих характеристик, в том числе минимально возможной массы, экранирующую (герметизирующую) гильзу статора (см., например, схему ЭНА, приведенную на рис. 1.8, страница 17 книги “М.В.Краев, В.А.Лукин, Б.В.Овсянников. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. М.:Машиностроение,1985” [1]), в настоящее время, выполняют из титанового сплава. И для обеспечения безотказной работы таких деталей в течение требуемого ресурса их технология должна гарантировать их размеростабильность и, тем самым, исключить увеличение осевой и радиальной сил сверх допускаемых, действующих в опорах ротора.

Известен способ обеспечения качества изготовления титановых деталей проведением в определенной последовательности операций термообработки: отжига, отпуска и старения после черновой, затем чистовой механической обработки титановой детали, согласно п. 1.17 и п. 1.12 (согласно первому абзацу и последнему предложению третьего абзаца пункта) “ОСТ 92-9465-81. Детали из титановых сплавов. Технические требования” [2]. Причем основной операцией является операция отжига, которая обеспечивает снятие внутренних напряжений в металле, возникающих после механической обработки титановых деталей, а иначе, в результате релаксации внутренних напряжений, в дальнейшем, в процессе последующих этапов изготовления, испытаний, хранения и эксплуатации произойдет деформация титановой детали электропривода, что обуславливает возрастание осевых и радиальных нагрузок и, следовательно, повышенный износ опор и преждевременный отказ электропривода и электромеханического устройства.

Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сути – прототипом предлагаемого технического решения является способ обеспечения качества изготовления на основе [2].

Согласно [2] операцию отжига осуществляют в среде инертного газа или в вакууме при температуре, например, для деталей из титанового сплава ВТ16 от 550 до 600 °С в течение от 0,5 до 8 часов. При этом о качестве проведенного отжига судят визуально по проявлению на поверхности детали в виде цветов побежалости от соломенного до коричневого.

Анализ опыта изготовления ЭНА телекоммуникационных КА, принципиальная схема которого изображена на фигуре 1 (где 1-винт, 2-втулка, 3-корпус электродвигателя, 4-подшипник качения, 5-обмотка якоря, 6-ротор, 7-экранирующая (герметизирующая) гильза (тонкостенная) статора, 8-датчик положения ротора, 9-рабочее колесо насоса, 10-корпус насоса), показывает, что визуальный контроль не обеспечивает достоверный контроль качества проведенного отжига экранирующей гильзы статора (см. поз. 7 на фигуре 1) электропривода, т.к. в процессе изготовления и наземных испытаний и отработки ЭНА (в составе ЭНА его электропривод установлен штатно) были случаи разрушения конструкции экранирующей гильзы статора в районе датчика положения ротора (поз.8) с потерей герметичности (была проточена гильза в зоне датчика положения ротора) или заклинивания ротора (поз:6) (ротор не извлекался) в экранирующей гильзе статора (поз.7) ЭНА, т.е. отказ ЭНА из-за скрытого брака его электропривода.

Таким образом, известное техническое решение не обеспечивает качественное изготовление электропривода ЭНА КА.

Технической проблемой заявленного изобретения является низкие надежность и качество изготовления ЭНА КА.

Указанная проблема решается тем, что в предложенном авторами способе обеспечения качества изготовления электромеханического устройства космического аппарата, например электронасосного агрегата, содержащего электропривод, выполненный с возможностью свободного извлечения ротора из полости экранирующей гильзы статора, изготовленной из титанового сплава, включающий проведение её термообработки, в том числе отжига, после операций механической обработки и контроль качества термообработки, проводимый после заключительной термообработки до штатной установки ротора в полость экранирующей гильзы статора для дальнейшего штатного монтажа электропривода в состав электронасосного агрегата, причём при каждом контроле и перед штатной установкой ротор предварительно устанавливают в полость экранирующей гильзы статора с возможностью свободного извлечения ротора из неё, после этого электропривод прикрепляют к технологической подставке и прикладывают к концу вала постепенно увеличивающееся усилие до момента извлечения ротора из полости экранирующей гильзы статора и зафиксируют измеренную максимальную величину силы в процессе извлечения ротора, затем определяют величину суммарной нормальной силы, которая действовала на поверхностях наружных обойм подшипников в процессе извлечения ротора, и сравнивают с величиной допустимой суммарной нормальной силы на поверхностях наружных обойм подшипников в процессе извлечения ротора в случае качественной термообработки экранирующей гильзы статора, которые оцениваются согласно формуле

2 | F_N | = | F_извл | / K_тр ) ≤ 2 | F_Nдоп | = | F_{извл.доп} | / K_тр ),

где 2 | F_N | – суммарная нормальная сила, которая действовала на поверхностях наружных обойм подшипников в процессе извлечения ротора кгс ;

2 | F_Nдоп | – допустимая суммарная нормальная сила на поверхностях наружных обойм подшипников в процессе извлечения ротора в случае качественной термообработки экранирующей гильзы статора на основе опытных данных , кгс ;

| F_извл |, | F_{извл.доп} | – сила извлечения ротора, направленная против суммарных сил трения, возникающих при его извлечении в контактах поверхностей внешних обойм подшипников и экранирующей гильзы ротора, соответственно при определении 2 | F_N | и 2 | F_Nдоп | , кгс;

K_тр = 0,3 – коэффициент сухого трения на воздухе для поверхности из титанового сплава на основе опытных данных,

и по результатам сравнения вышеуказанных величин нормальных сил судят о качестве изготовления электропривода электромеханического устройства. Что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками заявленного изобретения.

В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, предложенная совокупность существенных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом способе обеспечения качества изготовления электромеханического устройства КА.

На фигуре 2 изображена принципиальная схема реализации предлагаемого авторами технического решения, где 1-винт, 3-корпус электродвигателя, 4-подшипник качения, 5-обмотка якоря, 6-ротор, 7-экранирующая (герметизирующая) гильза (тонкостенная) статора, 8-датчик положения ротора.

Предлагаемый способ контроля качества изготовления электропривода включает в себя следующие нижеуказанные основные операции:

1. Изготавливают экранирующую гильзу 7 электропривода из титанового сплава проведением термообработки после операций механической обработки;

2. Изготавливают электропривод в сборе и проводят различные испытания в обеспечение качества его изготовления (цикл изготовления около одного года);

3. При контроле качества изготовления, например, сразу после сборки электропривода, после испытаний на термоциклирование и до штатной установки ротора 6 в полость экранирующей гильзы статора 7 для дальнейшего штатного монтажа электропривода в состав электронасосного агрегата осуществляют сборку схемы контроля качества электропривода согласно фигуре 2 (втулка 2 не установлена);

4. Постепенно повышая величину приложенного к ротору 6 усилия, фиксируют величину силы извлечения ротора (совместно с подшипниками качения 4) из экранирующей гильзы статора 7 - в случае качественно проведенных её отжигов, в частности, перед заключительной механической обработкой, она должна быть, например не более 0,35 кгс, а допустимая суммарная нормальная сила на поверхностях наружных обойм подшипников 4 в процессе извлечения ротора 6, в случае качественной термообработки экранирующей гильзы статора 7, не более 1,17 кгс (на основе опытных данных конкретной конструкции) .

Таким образом, в процессе изготовления электропривода, в результате осуществления предложенного способа обеспечения качества изготовления, достигается качественное и надёжное изготовление электропривода без скрытого брака перед штатным монтажом его в состав ЭНА.

Изобретение относится к электромеханическим устройствам космических аппаратов (КА), в частности электронасосным агрегатам (ЭНА), электроприводам антенн и т.д., преимущественно телекоммуникационных спутников, которые должны безотказно функционировать в течение не менее 15 лет в условиях эксплуатации КА на орбите. Способ обеспечения качества изготовления электромеханического устройства космического аппарата заключается в том, что контроль качества термообработки осуществляют в несколько этапов. При каждом контроле и перед штатной установкой ротор предварительно устанавливают в полость экранирующей гильзы статора с возможностью свободного извлечения ротора из неё, после этого электропривод прикрепляют к технологической подставке, прикладывают к концу вала постепенно увеличивающееся усилие до момента извлечения ротора из полости экранирующей гильзы статора и фиксируют измеренную максимальную величину силы в процессе извлечения ротора. Затем определяют величину суммарной нормальной силы, которая действовала на поверхностях наружных обойм подшипников в процессе извлечения ротора, и величину допустимой суммарной нормальной силы на поверхностях наружных обойм подшипников в процессе извлечения ротора в случае качественной термообработки экранирующей гильзы статора и по результатам сравнения вышеуказанных величин нормальных сил судят о качестве изготовления электропривода электромеханического устройства. Достигается повышение качества изготовления электромеханических устройств. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обеспечения качества изготовления электромеханического устройства космического аппарата, содержащего электропривод, выполненный с возможностью свободного извлечения ротора из полости экранирующей гильзы статора, изготовленной из титанового сплава, включающий проведение термообработки, в том числе отжига экранирующей гильзы статора, после операций механической обработки и контроль качества термообработки, проводимый после заключительной термообработки перед штатной установкой ротора в полость экранирующей гильзы статора для дальнейшего штатного монтажа электропривода в составе электромеханического устройства, отличающийся тем, что при каждом контроле и перед штатной установкой ротор предварительно устанавливают в полость экранирующей гильзы статора, после этого электропривод прикрепляют к технологической подставке, прикладывают к концу вала постепенно увеличивающееся усилие до момента извлечения ротора из полости экранирующей гильзы статора и фиксируют измеренную максимальную величину силы в процессе извлечения ротора, затем определяют величину суммарной нормальной силы, которая действовала на поверхностях наружных обойм подшипников в процессе извлечения ротора, и сравнивают с величиной допустимой суммарной нормальной силы на поверхностях наружных обойм подшипников в процессе извлечения ротора в случае качественной термообработки экранирующей гильзы статора, которые оцениваются согласно формуле: 2|F_N|=|F_извл|/K_тр)≤2|F_Nдоп|=|F_{извл.доп}|/K_тр), где

2|F_N| – суммарная нормальная сила, которая действовала на поверхностях наружных обойм подшипников в процессе извлечения ротора, кгс;

2|F_Nдоп| – допустимая суммарная нормальная сила на поверхностях наружных обойм подшипников в процессе извлечения ротора в случае качественной термообработки экранирующей гильзы статора на основе опытных данных, кгс;

|F_извл|, |F_{извл.доп}| – сила извлечения ротора, направленная против суммарных сил трения, возникающих при его извлечении в контактах поверхностей внешних обойм подшипников и экранирующей гильзы ротора, соответственно при определении 2|F_N| и 2|F_Nдоп|, кгс;

K_тр=0,3 – коэффициент сухого трения на воздухе для поверхности из титанового сплава на основе опытных данных,

и по результатам сравнения вышеуказанных величин нормальных сил судят о качестве изготовления электропривода электромеханического устройства.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве электромеханического устройства космического аппарата применяется электронасосный агрегат.