Способ диагностики состояния газодинамической опоры ротора поплавкового гироскопа
METHOD OF DIAGNOSTICS OF STATE OF GAS-DYNAMIC SUPPORT OF FLOAT GYRO ROTOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики и прогнозирования состояния газодинамической опоры ротора поплавкового гироскопа (далее - гироскопа) при изготовлении и начальных этапах эксплуатации прецизионных приборов на газодинамической опоре.
Известен способ контроля газодинамической опоры ротора гироскопа [1]. Этот способ включает вращение ротора гироскопа с рабочей скоростью, изменение режима вращения и измерение одного из параметров (скорость вращения в момент контакта подвижных и неподвижных элементов опоры, время до полного останова ротора). При этом с целью определения жесткости опоры, измеряют скорость вращения ротора гироскопа, при которой происходит контакт ротора с невращающимися частями опоры в режиме выбега. При этом известно [2], что угловую скорость ротора гироскопа, например, с полусферической газовой опорой, при которой происходит его "посадка", т.е. контакт подвижных и неподвижных частей опоры, можно определить по следующей формуле
где G - вес ротора;
С - рабочий зазор в опоре;
μ - динамическая вязкость газовой среды;
R - радиус газового подшипника;
а - коэффициент, характеризующий микропрофиль опоры.
Технологический разброс величины рабочего зазора в опоре составляет как минимум 20%, что дает в соответствии с (1) разброс скорости «посадки» минимум 44%. Именно поэтому основным недостатком этого способа является недостаточная точность (информативность) контроля состояния опоры.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявленному изобретению является способ диагностики состояния опор ротора гироскопа, включающий определение времени выбега ротора после завершения его монтажа с опорами и оценку состояния опор [3]. При этом с целью повышения точности за счет фиксации изменения состояния опор, в процессе испытаний гироскопа определяют изменение времени выбега ротора гироскопа по сравнению с временем выбега его после завершения монтажа ротора с опорами. При превышении разности между временем выбега ротора после завершения монтажных работ и временем выбега в процессе испытаний допустимой величины, определяемой исходя из нормированного параметра (рабочего зазора или момента трения, характеризующего конкретный вид опоры) судят о наличии дефектов в опорах. Недостатком указанного способа диагностики состояния опоры ротора гироскопа, принятого за прототип, является недостаточная достоверность диагностики начинающейся деградации состояния опоры поскольку:
- определяют изменения времени выбега ротора гироскопа в процессе испытаний по сравнению с временем выбега его после завершения монтажа ротора с опорами,
- допустимую величину для разности определяют исходя из нормированного параметра, зависящего от рабочего зазора или момента трения в опоре,
- измерение времени выбега производят при одной ориентации оси гиромотора.
На практике реальные времена выбега каждого образца опоры в собранном гироскопе существенно отличаются друг от друга, что обусловлено реализованными размерами осевого и радиальных зазоров; сформированным микропрофилем элементов опоры; результатом динамической балансировки ротора в двух плоскостях коррекции; итоговым весом ротора; магнитными и механическими характеристиками обработанного ротора; динамической вязкостью газовой среды внутри поплавковой камеры; радиусом газового подшипника и т.д. Основное влияние на время выбега оказывают вариации радиальных зазоров и микропрофиля, а также динамический дисбаланс ротора, что дает разброс времени выбега до 30-40%.
Ориентация оси гиромотора также влияет на время выбега, так как при горизонтальном расположении оси работает радиальная жесткость опоры, а при вертикальных ориентациях оси - аксиальные (осевые) жесткости. Обычно время выбега при вертикальных ориентациях оси на 15-25% меньше, чем при горизонтальной ориентации. Разница между временами выбега при разных вертикальных ориентациях оси составляет 10-20%, что в первую очередь определяется реализованными размерами осевого и радиальных зазоров; отличиями микропрофилей левой и правой опор; различием результатов динамической балансировки ротора в двух плоскостях коррекции. В реальных условиях мелкосерийного изготовления гироскопов последовательные операции изготовления ротора и других элементов опоры, сборка гиромотора и поплавковой камеры происходят с технологическими допусками на все размеры и параметры и поэтому жесткость опоры и как следствие время выбега у различных образцов гироскопов будет существенно различным. Очевидно, что начинающиеся процессы деградации качества опоры существенно повлияют на динамику изменения времени выбега с учетом ориентации оси гиромотора. Проведенные исследования отказавших и сошедших поплавковых гироскопов выявили следующие основные причины начала деградации качества опоры:
- гажение компаунда статора,
- воздействие микрочастиц клеев,
- риски и микроцарапины поверхностей элементов опоры,
- микрогрязь различной природы внутри поплавковой камеры,
- магнитные и механические характеристики ротора гироскопа.
Решаемая техническая проблема - совершенствование способа диагностики состояния газодинамической опоры ротора поплавкового гироскопа на последовательных этапах изготовления и начальной эксплуатации методом неразрушающего контроля.
Достигаемый технический результат - повышение достоверности диагностики текущего состояния газодинамической опоры ротора гироскопа.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе диагностики состояния опор ротора поплавкового гироскопа, включающим определение времени выбега ротора на последовательных этапах изготовления и испытаний гироскопа с целью повышения достоверности диагностики состояния газодинамической опоры ротора гироскопа:
- дополнительно определяют абсолютное и относительное изменение времени выбега ротора гироскопа по сравнению с временем выбега на предыдущем этапе;
- сравнивают полученные изменения с установленными допусками (допустимыми значениями) и бракуют гироскоп при превышении установленных допусков.
Реализация предлагаемого способа поясняется следующим примером. В действующей технологии изготовления поплавковых гироскопов было предусмотрено измерение времени выбега гиромотора на следующих последовательных этапах изготовления и испытаний гироскопа:
1) после сборки гиромотора,
2) после установки гиромотора в поплавковую камеру,
3) после заполнения поплавковой камеры инертным газом,
4) в собранном гироскопе,
5) в отрегулированном гироскопе,
6) после сдачи гироскопа отделу технического контроля.
Для первых трех этапов измерений ранее был установлен единый допуск в 100 с, а для трех последних измерений действовал допуск в 70 с. По этим критериям по состоянию газодинамической опоры отбраковывалось 2-3 процента приборов. Однако за три года эксплуатации произошел отказ нескольких десятков гироскопов по причине снижения точности работы гироскопов и/или заклинивания гиромотора. Проведенные исследования отказавших приборов подтвердили существенное снижение текущего состояния газодинамической опоры вплоть до заклинивания гиромотора. В связи с этим и был введен дополнительный допусковый контроль текущего состояния газодинамической опоры ротора гироскопа на последовательных этапах изготовления и испытаний. При установлении значений допусков была обработана вся статистика по измерениям времени выбега на всех этапах изготовления как по отказавшим, так и по продолжающим функционировать гироскопам. Установленные допуска обеспечили значительное повышение достоверности контроля качества - текущего состояния газодинамической опоры ротора гироскопа - за три года через эту проверку успешно прошел только один гироскоп, отказавший впоследствии по качеству газодинамической опоры. Десятки приборов были забракованы по неудовлетворительному качеству газодинамической опоры ротора гироскопа.
На предприятии ЦНИИ "Электроприбор" предлагаемый способ проверен. Получены положительные результаты. Откорректирована техническая документация прибора. С декабря 2014 года способ внедрен в мелкосерийное изготовление четырех модификаций двухстепенных поплавковых гироскопов с газодинамической опорой ротора.
Используемая литература:
1. Патент РФ №1840738
2. Проблемы развития газовой смазки.// М.: Наука, 1972, часть 2.
3. Патент РФ №1840748