ЦЕНТРИФУГА

Полезная модель относится к испытательной технике и предназначено для испытаний и градуировок акселерометрическмх датчиков и другой навигационной аппаратуры, определяющей параметры движения различных по назначению объектов.
Известна конструкция центрифуги, предназначенная для создания равномерного поля центростремительных ускорений, содержащая платформу в виде диска. Как правило, такие центрифуги имеют значительные радиальные размеры платформы, что предъявляет к ней высокие требования, касающиеся прочности и жесткости. В данном случае диск платформы усилен, радиально смонтированными стержневыми, плоскими фермами, которые дополнительно связаны между собой рядом концентрично расположенных колец. На периферийной части диска диаметрально установлены пара площадок для закрепления испытуемых изделий. Платформа смонтирована на шпинделе, который выполнен в виде неподвижно установленной на основании оси, несущей, как и платформа, элементы аэростатического подшипника. Вращение платформы осуществляется с помощью электродвигателя, статорная часть которого закреплена на основании центрифуги, а роторная - связана с диском платформы [патент США №3205696].
Существенным недостатком описанной центрифуги является высокая металлоемкость и сложность конструкции платформы. Можно предполагать, что она обладает необходимой прочностью и жесткостью, рассчитанной на определенный уровень нагрузки, в частности, на 1000g. Однако, отмеченные недостатки ведут к увеличению энергоемкости центрифуги. И не столько за счет увеличения массы платформы, ее инерционности, сколько за счет высокого аэродинамического сопротивления, создаваемого радиальными фермами при вращении центрифуги на высоких оборотах.
Центрифуга, выбранная в качестве прототипа, имеет значительно меньшую энергоемкость, т.е. обладает меньшей массой и более низким уровнем аэродинамического сопротивления. Ее платформа выполнена в виде консольной балки, имеющей форму поперечного сечения близкую к сечению крыла самолета. На свободном конце балки имеется площадка (стол) для крепления испытуемого изделия. Другим концом балка монтируется на вращаемом шпинделе [а.с. СССР №1076837].
Если проблема аэродинамического сопротивления в центрифуге-прототипе практически решается, то проблема прочности и жесткости балки становится весьма актуальной. Действительно, в процессе эксплуатации балка подвергается комбинированному воздействию нагрузок: изгибу и растяжению. Если учесть, что центрифуга предназначена для испытаний и градуировки изделий в равномерном поле центростремительных ускорений, то она должна иметь значительную длину балки. Последнее обстоятельство вступает в противоречие с необходимостью проведения испытаний с приложением значительных нагрузок к изделию, что влечет за собой увеличение конструктивной сложности балки, ее массы и аэродинамического сопротивления. Показательным примером служит конструкция платформы аналога. Другими словами, центрифуги с платформой балочного типа предназначены для испытаний изделий в равномерном поле центростремительных ускорений с невысоким уровнем нагрузки.
Таким образом, задачей полезной модели является увеличение нагрузочной способности платформы, выполненной в виде консольной балки.
Поставленная задача достигается за счет того, что центрифуга включает платформу в виде консольной балки с площадкой для изделия на свободном конце, смонтированной другим концом на вращаемом шпинделе. Консольная балка содержит, по меньшей мере, одну штангу, на которой площадка установлена с возможностью перемещения и она же дополнительно связана со шпинделем посредством гибкой связи в виде каната, многократно охватывающего их. Консольная балка может включать две горизонтально и параллельно установленные штанги.
Техническая сущность полезной модели состоит в том, что осуществлено разделение радиальных и поперечных нагрузок, воспринимаемых платформой, между двумя ее элементами: гибкой связью и штангой (штангами) соответственно.
На прилагаемом к описанию чертеже дано схематические изображение предлагаемой конструкции центрифуги на виде сбоку
Центрифуга содержит платформу 1 в виде консольной балки, на свободном конце которой установлена площадка 2 для испытуемого изделия. Другим концом балка крепится к шпинделю 3, установленным, в свою очередь, в подшипниках 4, смонтированных на неподвижной оси 5, закрепленной на основании 6 центрифуги. Консольная балка выполнена из двух частей: первая - представляет собой жесткую штангу 7, а вторая -выполнена в виде гибкой связи, представляющей собой канат 8 (металлический или полимерный), который многократно охватывает площадку 2 и шпиндель 3. При этом площадка 2 смонтирована на штанге 7 с возможностью перемещения по ней, как по направляющей. Для создания предварительного натяжения канатов 8 в нерабочем положении центрифуги на площадке 2 предусмотрен упругий элемент 9, выполненный в виде резинового жгута или ленты, взаимодействующих с торцом штанги 7. Для организации многократной укладки каната 8 на шпинделе 3 и площадке 2 на последних установлены ограничительные пластины 10. Привод вращения центрифуги представляет собой электродвигатель, роторная обмотка 11 которого закреплена на шпинделе 3, а статорная обмотка 12 расположена на основании 6 центрифуги. Поперечное сечение штанги 7, при условии, что она является единственной в консольной балке, предпочтительно иметь в виде, например, прямоугольника, обеспечивающего устойчивость и прямолинейность перемещения площадки 2. Однако, наилучшим вариантом представляется наличие в консольной балке двух штанг, установленных в горизонтальной плоскости параллельно друг другу, что значительно увеличит момент сопротивления изгибу в направлении вращения балки и позволит использовать более технологичный сортамент в виде полой трубы, упрощающей конструкцию подвижного сочленения площадки и штанги. Материалом для штанг могут быть алюминиевые или титановые сплавы.
Работает центрифуга следующим образом.
После размещения изделия на площадке 3 в работу включают электродвигатель центрифуги и платформа 1 начинает вращаться и набирать обороты. По мере раскручивания платформы увеличивается центробежная сила, действующая на консольную балку, которая распределится между штангой (штангами) 7 и канатной системой, охватывающей площадку 2, несущей изделие, и шпиндель 3. Так как канатная система и штанга «развязаны» друг относительно друга, т.е. их взаимодействие сводится только к силе трения между штангой и площадкой, которая может быть обычными инженерными приемами сведена к минимуму, то и центробежная сила будет распределяться пропорционально массе каждой из частей консольной балки. Если учесть, что штанга (штанги) могут быть выполнены из высокопрочного и легкого материала, например, титанового сплава, то не представляется сложным найти баланс между прочностью трубчатой конструкции штанги и центробежными силами на уровне 1000g. Что же касается восприятия центробежной силы канатной системой, то в данном случае следует учитывать высокую несущую способность на растяжение каната как конструкции, намного превосходящей по прочности эквивалентную по назначению и нагрузке сварную или литую металлоконструкцию. Замена металлической конструкции платформы (см. аналог и прототип) канатной системой дает возможность значительно увеличить нагрузку на испытуемое изделие, т.е. увеличить функциональные возможности центрифуги. Изгибные напряжения, возникающие в штанге (штангах) от действия ее собственного веса и частично веса площадки и канатов, могут быть легко компенсированы расчетом ее оптимальных форм и размеров.