СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПОРЫ НА ГАЗОВОЙ СМАЗКЕ Советский патент 2005 года по МПК F16C43/02 

Изобретение относится к области точного приборостроения, в частности, к гироскопам с газодинамической опорой (ГДО) подвеса ротора, и является усовершенствованием известного способа, описанного в авт. св. №993679, кл. F 16 G 43/02, и может быть использовано при изготовлении ГДО из бериллия.

В основном изобретении по авт. св. №993679 описан способ изготовления опоры на газовой смазке подвеса ротора гироскопа, который включает окончательную механическую обработку подвижного и неподвижного элементов опоры, выполнение профильных канавок, нанесение износостойкого покрытия - искусственный алмаз - на рабочие поверхности опоры.

В качестве конструкционного материала опоры в указанном способе применен, как и во всем гироскопе, бериллий, обеспечивающий высокие технические характеристики прибору. Бериллий за счет своих уникальных свойств - малой плотности, тугоплавкости, немагнитности, а также высокой размерной стабильности при воздействии интенсивного радиоактивного излучения и резких изменений температуры окружающей среды находит большое применение как основной конструкционный материал ГДО для гироскопов, установленных в командных приборах ракетных комплексов. Однако бериллий обладает и недостатками, которые не позволяют его применять непосредственно для изготовления трущихся поверхностей газовых опор. К этим недостаткам можно отнести

малую твердость и низкую износостойкость. Для преодоления этих недостатков рабочие поверхности бериллиевых ГДО необходимо модифицировать. Одним из способов такой модификации поверхности и является упрочнение ее пленкой износостойкого покрытия, в частности, искусственным алмазом.

Всякая газодинамическая опора подвеса ротора прецизионного гироскопа для обеспечения повышенного ресурса должна иметь высокие трибологические свойства трущихся поверхностей. Основными из них являются:

1) малая величина сухого трения опоры при пуске и останове гироскопа,

2) высокое сопротивление абразивному изнашиванию и образованию задиров в моменты сухого трения опоры,

3) высокая устойчивость к контактным нагрузкам и контактной усталости,

4) соответствующая прочность субповерхности.

Описанный в авт. св. №993679 способ изготовления опоры скольжения, в основном, обеспечивает необходимые требования к рабочим поверхностям ГДО. Вместе с тем, важной проблемой при эксплуатации ГДО является разрушение покрытия в области раздела покрытие-подложка в виде растрескивания и скалывания покрытия при повторяющихся воздействиях контактных нагрузок, в основном, при останове гироскопа. Поэтому прочность покрытия является основным качеством, определяющим его пригодность к использованию.

Известно (1), что свойства и толщина твердых покрытий на мягких подложках должны быть такими, чтобы достаточно большие пластические изгибы не приводили к излому пленки. Если это требование можно выполнить, то твердые покрытия на бериллии могут надежно работать в условиях применения их в ГДО.

Известные способы повышения износостойкости деталей (см., например, 2), изготовленных из мягких вязких материалов (бериллий и т.п.) с нанесением на рабочие поверхности ультратонкого (толщиной не более 250Å) износостойкого материала позволяют увеличить долговечность деталей, но в условиях их применения в ГДО не всегда работают надежно, т.к. ультратонкие покрытия не создают на поверхности детали собственного модуля жесткости и, вследствие этого, могут из-за мягкости подложки разрушаться (растрескиваться) под действием больших ударных контактных нагрузок, возникающих при останове гироскопа. Кроме того, такого рода покрытия не могут закрыть все микропоры на рабочей поверхности деталей ГДО, выполненных из такого пористого материала, как бериллий, тем самым не исключают воздействия окружающей среды на поверхность раздела покрытие-подложка, вызывающее ухудшение адгезионных связок (см.1).

Другой способ (3), позволяющий получить на сферических подложках типа ГДО более толстое покрытие (несколько микрон), создающее свой модуль жесткости, если и не разрушаются под воздействием ударных контактных нагрузок при останове гироскопа, но и оказываются малопригодными в применении из-за повышенной шероховатости покрытия и его неравномерности распределения на подложке. Толстые покрытия увеличивают величину некруглости сопряженных рабочих поверхностей ГДО, что, в конечном счете, сказывается на форме рабочего зазора и понижении точности выходных параметров гироскопа, зависящих от ГДО. Известно (4), что снижение величины уходов в гироскопах, зависящих от параметров газовой опоры, может быть получено при обеспечении минимальной погрешности формы сопрягаемых опорных поверхностей в газовом подшипнике.

С ростом толщины покрытия, т.е. с увеличением времени напыления, увеличивается вероятность наличия в плазме макрочастиц в виде капель и твердых осколков материала катода, происходит повышение плотности дефектов и ухудшение стабильности роста алмазного конденсата (см.3).

Целью дополнительного изобретения является повышение надежности газодинамической опоры, выполненной из бериллия, в условиях применения твердого износостойкого покрытия на мягкой подложке.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе изготовления опоры на газовой смазке по авт.св. №993679, перед нанесением износостойкого покрытия определяют величину угловой скорости "посадки" опоры и искусственный алмаз наносят на рабочие поверхности опоры тонким слоем, толщину которого выбирают по найденной скорости "посадки" опоры, исходя из зависимости

t=1,5k·ω² _max

где ω_max - максимальная скорость "посадки" для данного типа опоры;

k - коэффициент условий работы.

Скорость "посадки" опоры - это величина угловой скорости ротора гироскопа на выбеге, при которой происходит контакт вращающихся и невращающихся элементов газовой опоры.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

При работе газодинамической опоры в гироскопе покрытие испытывает ударное воздействие со стороны вращающихся элементов опоры с ротором в моменты останова гироскопа, т.е. когда происходит контакт вращающихся и невращающихся элементов опоры. Это состояние ГДО характеризуется, с одной стороны, величиной скорости "посадки" опоры, иначе степенью энергетического воздействия со стороны вращающихся элементов гироскопа на покрытие и, с другой стороны, - прочностными свойствами самого покрытия в момент ударного воздействия, характеризующееся коэффициентом ударной вязкости материала покрытия.

Известно (5), что ударная вязкость материала находится из выражения

где

А - работа удара, затраченная на излом материала покрытия;

F=d·t - площадь поперечного сечения материала в месте воздействия удара;

t - толщина покрытия,

d - диаметр пятна контакта сопрягаемых опорных поверхностей.

Известно (6) также, что энергия удара при "посадке" опоры находится из выражения:

где I - момент инерции вращающихся частей гироскопа;

ω_max - максимальная скорость "посадки" опоры.

Подставляя (2) в (1) получим:

откуда

Для конкретного конструктивного исполнения гироскопа величины I, d, а_н - постоянные. Величина же ω_max будет определяться величиной рабочего зазора опоры, который в свою очередь определяется тактико-техническими требованиями гироскопа.

Тогда можно записать:

t=k·ω² _max (5)

где

И окончательно

T=1,5·k·ω² _max (6)

где 1,5 - коэффициент запаса.

Предложенный способ был реализован при изготовлении газодинамической опоры оси ротора гироскопа типа ЦЕ99, состоящей из 2-х симметрично-расположенных полусферических газовых подшипников, выполненных из бериллия, с последующим упрочнением рабочих поверхностей пленкой искусственного алмаза, следующим образом. Перед нанесением искусственного алмаза определялась на макете гироскопа величина скорости "посадки" опоры, путем снятия виброхарактеристики ротора гироскопа на выбеге, синхронно измеряя при этом угловую скорость выбега ротора. "Посадка" опоры, т.е. контакт вращающихся и невращающихся элементов опоры, будет характеризоваться повышенной вибрацией. Поэтому скорость выбега ротора, которая соответствует пику на виброхарактеристике, будет скоростью "посадки" опоры.

В нашем случае получили ω_max=20,9 ^I/с.

По найденной величине ω_max определили толщину наносимого покрытия по формуле 6.

T=1,5·k·ω² _max

где

I=2,45·10^-4 кг·с²·ом - момент инерции вращающихся частей гироскопа;

d=2,48·10^-1 см - диаметр пятна контакта, найденный по рекомендациям 7;

a_н=43,1 кг·м·см^-2 - коэффициент ударной вязкости искусственного алмаза.

Подставляя в формулы исходные данные, получим величину толщины покрытия для данного типоразмера гироскопа

t=0,75·10^-4 см=0,75 мкм

Толщина наносимого слоя искусственного алмаза определяется, в основном, продолжительностью процесса напыления в вакуумной камере. По найденной толщине определили время напыления деталей ГДО.

Источники информации, использованные при составлении заявки:

1. С.Бэр и др. "Трибологическая оценка твердых покрытий на мягких металлических подложках". Русский перевод. Источник. Wear, 1980, №60, рр 413-419.

2. Патент США кл. 204/192 EC (G 23 C 15/00) №4.124.472 от 28.02.77 г.

3. И.И.Аксенов и др. "Покрытия, полученные конденсацией плазменных потоков в вакууме". Украинский физический журнал, т.24 №4, 1979 г.

4. Б.С.Григорьев и др. "Влияние газовых опор на точность измерительных приборов". Вестник машиностроения, 1979, №4.

5. Справочник металлиста, т.2 Машиностроение, Москва 1976 г., стр.23.

6. Проблема развития газовой смазки. Часть II. Доклады на всесоюзном координационном совещании 1972 г., Москва, Наука.

7. И.В.Крагельский "Трение и износ". Машиностроение, М., 1968 г.

Изобретение относится к области точного приборостроения, в частности к гироскопам с газодинамической опорой подвеса ротора, и может быть использовано при изготовлении газодинамических опор из бериллия. Определяют угловую скорость посадки газодинамической опоры, наносят искусственный алмаз на рабочие поверхности газодинамической опоры тонким слоем, толщину которого выбирают по найденной скорости посадки, исходя из зависимости: t=l,5·k·ω² _mах, где t - толщина покрытия, ω_max - угловая скорость посадки газодинамической опоры, k - коэффициент условий работы газодинамической опоры.

Технический результат - повышение надежности газодинамической опоры, выполненной из бериллия, в условиях применения твердого износостойкого покрытия на мягкой подложке.

Способ изготовления опоры на газовой смазке по авт. свид. № 993679, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности опоры при выполнении ее из бериллия, определяют угловую скорость "посадки" опоры, а искусственный алмаз наносят на рабочие поверхности с толщиной покрытия, определяемой по зависимости

t=1,5·k·ω² _max,

где t - толщина покрытия;

ω_max - угловая скорость "посадки" опоры;

k - коэффициент условий работы.