УСТРОЙСТВО КРЕПЛЕНИЯ АМОРТИЗИРОВАННОГО БЛОКА ДАТЧИКОВ К КОРПУСУ ОСНОВНОГО ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности, к навигационным гироскопическим приборам и может найти применение для крепления в основном объекте амортизированных блоков измерения первичной информации бесплатформенных инерциальных навигационных систем, работающих в условиях жестких ударных и линейных ускорений.
Предлагаемая полезная модель является вспомогательным устройством для применения полезной модели «Амортизированный блок датчиков первичной информации бесплатформенных инерциальных навигационных систем» (патент RU №421364 U1, МПК G01C 21/00, опубликованный 20.10.2012).
Блок датчиков по патенту RU №121364 U1 содержит амортизируемый корпус с защищаемыми датчиками первичной информации (с малогабаритными акселерометрами и динамически настраиваемыми гироскопами), элементы электромонтажа, блочные части соединителей электроподводки и съема информации, а также четыре встроенные в корпус амортизирующие опоры, выполненные в форме тел вращения, с возможностью их крепления в корпус основного объекта. Амортизирующие опоры укомплектованы полыми стойками и упругими элементами в виде однотипных резиновых втулок в форме тел вращения. Верхний конец стойки выполнен с развальцовкой на шайбе с опорой на буртик. Нижний конец стойки - в виде установочной втулки цилиндрической формы с торцом перпендикулярным продольной оси стойки.
Блок датчиков в корпус основного объекта устанавливают на базовые элементы: плоскость, к которой прижимаются торцы установочных втулок, и четыре выступающих над плоскостью цилиндра (фиксатора), с которыми сопрягаются внутренние диаметры этих втулок. К корпусу основного объекта блок датчиков крепится четырьмя крепежными винтами (например, с цилиндрическими головками). Винты проходят через полые части стоек и вворачиваются в четыре выступающих цилиндрических фиксатора. Головка каждого винта, совместно с установленной под нее защитной деталью (например, шайбой), поджимает развальцовку стойки к корпусу основного объекта. При этом защитная деталь обеспечивает защиту развальцовки от повреждений при затяжке крепежного винта.
Таким образом, устройство крепления блока датчиков по патенту RU №121364 U1, характеризующееся конструкцией места и комплекта крепежа, содержит корпус основного объекта в виде базовой плоскости с четырьмя выступающими над плоскостью цилиндрическими фиксаторами с концентрично расположенными в них резьбовыми отверстиями, четыре крепежных винта (с защитными деталями, прилегающими к развальцовке), которые проходят через полые части стоек и вворачиваются в резьбовые отверстия цилиндрических фиксаторов, прижимая развальцовки стоек через защитные детали к корпусу основного объекта.
Как следует из материалов патента RU №121364 U1, технологические операции настройки блока датчиков позволяют с высокой точностью совместить положение центра масс амортизируемого корпуса блока с его геометрическим центром и центром жесткости равножестких амортизаторов. При этом полагалось, что центр масс амортизируемого корпуса блока датчиков под воздействием ударных ускорений по какой-либо оси блока будет перемещаться колебательно с затуханием по этой же оси. Иначе говоря, предполагалось, что полые стойки амортизаторов с крепежными винтами (опорные сборки) абсолютно жесткие элементы.
Реальная работа опорных сборок существенно отличается: при воздействии на блок датчиков ударных боковых ускорений, превышающих определенный уровень, из-за консольного расположения блока датчиков, происходит поворот этих сборок с изгибом крепежных винтов. Ситуация усугубляется фактом значительного превышения длины каждой опорной сборки над ее диаметром.
При одновременном воздействии на блок датчиков боковых и продольных ударных и линейных ускорений, в сечениях винтов в районе резьбы непосредственно перед цилиндрическими фиксаторами возникают значительные изгибные и растягивающие напряжения. Наличие продольных ускорений, приводящих к возникновению дополнительных растягивающих (сжимающих) усилий в нарезных частях винтов, вибрация при автономной работе основного объекта еще более усугубляет ситуацию, приводя к возникновению усталостных разрушений, которые начинаются в местах наибольшей концентрации напряжений (в резьбе) (И.А. Биргер и др. Расчет на прочность деталей машин. Справочник - М., Машиностроение, 1993).
Для повышения боковой жесткости опорных сборок при центрировании крепежного винта в полости стойки можно обеспечить плотное прилегание поверхностей опорного винта и стойки. При этом, естественно, винт должен легко перемещаться в полости стойки: взаимодействие поверхностей должно осуществляться по посадке с минимальным зазором, но при относительно небольшой длине сопрягающихся поверхностей (обычно 2,5-3,5 диаметра).
Однако и в этом случае слабым местом все равно остается резьбовая часть крепежного винта непосредственно перед цилиндрическими фиксаторами: длина резьбовой части должна гарантированно обеспечить плотное поджатие развальцовки полой стойки, что требует гарантированного выступа резьбы над верхней плоскостью цилиндрического фиксатора. Этот факт приводит к тому, что, несмотря на доработку конструкции в части плотного прилегания крепежного винта к внутренней цилиндрической поверхности стойки, при наличии значительных боковых ускорений максимальные напряжения возникают именно в сечении выступающей резьбы, что (в определенных условиях) может привести к неодинаковой остаточной изгибной деформации крепежных винтов и к изменению углового положения блока датчиков в составе объекта.
Здесь сразу необходимо отметить, что все наши рассуждения велись для случая, когда базовая плоскость основного объекта с выступающими над плоскостью цилиндрическими фиксаторами представляет собой единое целое.
С другой стороны, несущую часть приборов автономно движущихся объектов для уменьшения их массы, как правило, изготавливают из алюминиевых сплавов. Понятно, что в условиях значительных ударных и линейных ускорений резьбовое соединение стального крепежного винта с цилиндрическим фиксатором из алюминиевого сплава не представляется надежным (особенно, если учесть возможность переустановки блока в процессе изготовления).
Задачей настоящей модели является повышение надежности соединения блока датчиков с корпусом основного объекта (в условиях воздействия на объект значительных боковых ударных ускорений) и исключение погрешностей измерения текущей информации, вызванных неодинаковой остаточной изгибной деформацией опорных сборок с изменением углового положения блока датчиков (разговор идет о единицах угловых минут).
Рассмотрим простой пример.
2
Предположим, что после бокового удара угловое положение продольной оси блока датчика в плоскости, походящей через вертикальную и продольную оси основного объекта, изменилось на 3' (Δδ). В этом случае при последующем движении объекта (например, в течение t=300 с) на его продольную ось будет проектироваться ускорение свободного падения (на широте и долготе Москвы - 9,8156 м/с), что приведет к погрешности ΔS измерения продольной координаты (S) (Справочник по элементарной математике, механике и физике - Минск, Наука и техника, 1971, стр.92):
0
0
2
ΔS=V*t+a*t/2, V=0, а=g*Δδ, Δδ=3/(60*57,3) [рад].
Итак: ΔS=9,8156*3*90000/(60*57,3*2)=385,4 м.
Для выявления конструктивных решений крепления амортизируемой аппаратуры, которые можно было бы использовать для решения поставленной задачи, рассмотрим известные конструкции.
Известны резино-металлические амортизаторы типа «Втулка». (B.C. Ильинский. Защита аппаратов от динамических воздействий - М., Энергия, 1970, с.252, рис.6.69). Упругий элемент амортизатора выполнен из резины в виде втулки с кольцевым пазом, в который установлен защищаемый (амортизируемый) корпус. Внутри упругого элемента размещена опорная сборка, состоящая из стальной втулки с фланцем и шпильки. Упругий элемент устанавливается в защищаемый (амортизируемый) корпус с последующей установкой стальной втулки и ее развальцовкой для крепления опорной шайбы. Крепление амортизатора на плоское основание с резьбовым отверстием осуществляется с помощью крепежного комплекта амортизатора, содержащего указанную шпильку, проходящую сквозь стальную втулку и ввернутую в основание, гайку (и шайбу) на другом конце шпильки, прижимающую развальцовку к основанию.
Понятно, что, при использовании данного амортизатора в качестве амортизирующей опоры для какого-либо блока датчиков, будут также присущи его подвеске рассмотренные недостатки крепления блока датчиков по патенту RU №121364 U1.
Для устройства крепления, примененного в полезной модели «Упругодемпфирующее устройство» (патент RU №33626 U1, МПК F16F 13/00, опубликован 27.10.2003), где крепежный комплект (вместо шпильки и гайки с шайбой) выполнен в виде болта с плоской шайбой, присущи все указанные недостатки комплекта для «Втулки».
Известны и другие типы амортизаторов с особенностями их крепления, например, (В.Б. Капрпушин. Вибрации и удары в радиоаппаратуре - М., Советское радио, 1971, стр.270-313; Ю.А. Суровцев. Амортизация радиоэлектронной аппаратуры М., Советское радио, 1974, стр.113-136). Однако, всем им свойственны недостатки, рассмотренные выше, либо они не могут вписаться в конструкцию блока по патенту RU №121364 U1.
Иначе говоря, для решения поставленной задачи требуется оригинальная конструкция узла крепления блока датчиков по патенту RU №121364 U1. При этом само устройство крепления по патенту RU №121364 U1 принимаем за прототип.
Технический результат предлагаемой полезной модели направлен на решение поставленной задачи и заключается в создании конструкции крепления известного блока датчиков, обеспечивающей повышение надежности соединения блока датчиков с корпусом основного объекта и исключение погрешностей измерения текущей информации (вызванных неодинаковой остаточной изгибной деформацией опорных сборок с изменением углового положения блока датчиков после боковых ударных воздействий) за счет увеличения боковой жесткости крепления блока.
Технический результат достигается тем, что в устройстве крепления амортизированного блока датчиков (по патенту RU №21364 U1) к корпусу основного объекта, содержащем корпус основного объекта, выполненный из алюминиевого сплава и представляющий собой базовую плоскость с четырьмя выступающими над плоскостью цилиндрическими фиксаторами с концентрично расположенными в них резьбовыми отверстиями, четыре крепежных винта, проходящие через полые части стоек блока и вворачивающиеся в резьбовые отверстия цилиндрических фиксаторов, прижимая головками крепежных винтов развальцовки стоек через защитные детали к корпусу основного объекта,
предложено: корпус основного объекта выполнить с четырьмя приливами с резьбовыми отверстиями;
продольные оси резьбовых отверстий четырех приливов выполнить в непосредственной близости от крепежных винтов с продольными осями, параллельными продольным осям этих винтов, а сами резьбовые отверстия выполнить в плоскостях, проходящих через продольные оси крепежных винтов, расположенных по диагоналям блока датчиков;
каждый цилиндрический фиксатор выполнить из стали в виде съемной цилиндрической втулки, крепящейся к плоскости параллельной базовой плоскости корпуса объекта четырьмя крепежными винтами с потайной головкой;
между торцом установочной втулки блока и базовой плоскостью основного объекта расположить шайбу из материала более прочного, чем материал корпуса (алюминиевый сплав) и с диаметром большим диаметра торцевой части втулки;
каждый крепежный винт выполнить с посадочным цилиндром, примыкающим к головке крепежного винта и с цилиндрической частью, центрирующей стойку блока (центрирование осуществить по посадке с минимальным зазором);
четыре прилива корпуса основного объекта связать с посадочными цилиндрами четырех крепежных винтов стальной пластиной, для чего стальную пластину выполнить с внешним периметром в форме квадрата;
на диагоналях пластины выполнить четыре посадочных цилиндрических отверстия с диаметром посадочных цилиндров крепежных винтов и четыре посадочных конических отверстия под винты с потайной головкой, совпадающие с резьбовыми отверстиями приливов;
стальную пластину на четырех приливах закрепить четырьмя винтами с потайной головкой таким образом, чтобы посадочные цилиндрические отверстия пластины зафиксировали посадочные цилиндры крепежных винтов, при этом сопряжение посадочных цилиндрических отверстий с посадочными цилиндрами крепежных винтов проводить по посадке с минимальным зазором;
также предложено головку каждого крепежного винта выполнить в виде шестигранного равностороннего параллелепипеда;
посадочный цилиндр крепежного винта расположить над головкой, а между нижней частью головки и центрирующим цилиндром выполнить цилиндрическую проточку с диаметром меньшим диаметра фиксирующего цилиндра;
защитную деталь выполнить в виде шайбы с расположением ее между головкой крепежного винта и развальцовкой стойки;
также предложено стальную пластину, предназначенную для связи четырех приливов корпуса с посадочными цилиндрами четырех крепежных винтов, использовать также в качестве защитной детали, так чтобы головка каждого винта прижимала к корпусу развальцовку каждой стойки через указанную пластину;
головку каждого из крепежных винтов выполнить в форме цилиндра со шлицом на торце;
посадочный цилиндр крепежного винта расположить под головкой с возможностью его взаимодействия по посадке с минимальным зазором с посадочным цилиндрическим отверстием стальной пластины, а между посадочным цилиндром крепежного винта и его центрирующей частью выполнить цилиндрическую проточку с диаметром меньшим диаметра центрирующей части;
стальную пластину выполнить с внутренней конфигурацией, обеспечивающей доступ к элементам электроподводки и съема информации с блока датчиков;
в узле крепления пластины к приливам корпуса между пластиной и рабочими поверхностями приливов использовать металлические шайбы (из набора по толщине), компенсирующие погрешность установки пластины.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На Фиг.1 показаны элементы узла крепления блока датчиков по патенту RU №421364 U1 в соответствии с формулой и описанием, на фиг.2, фиг.3 и фиг.4, фиг.5 приведены два варианта предлагаемых конструктивных решения крепления амортизированного блока датчиков.
На фиг.1 показан продольный разрез одного из узлов крепления блока датчиков по патенту RU №121364 U1.
Здесь амортизируемый корпус 1, в котором расположены защищаемые приборы (не показаны), балансировочный груз 2, элементы электромонтажа, узлы запитки и съема информации (не показаны), установлен через упругий элемент, включающий две резиновые втулки 3, к полым стойкам 4. Верхний конец полой стойки 4 выполнен с развальцовкой 4 а на шайбе 5 с коническим отверстием. Нижний конец стойки 4 выполнен в виде установочной втулки 46 цилиндрической формы. В соответствии с описанием к патенту RU №121364 U1, элементами фиксации и крепления блока датчиков к выполненному из алюминиевого сплава корпусу 6 основного объекта, являются базовые элементы корпуса (установочная плоскость 7 и цилиндрические фиксаторы 8), а также прижимные комплекты 9, включающие крепежные винты 9а и защитные детали в виде шайб 96. Винты 9а прижимают развальцовки 4 а стоек 4 через шайбы 96 к корпусу 6 основного объекта.
На фиг.2 и фиг.3 приведена одна из предлагаемых конструкций крепления блока датчиков к корпусу основного объекта.
В предлагаемой конструкции корпус 6 основного объекта выполнен с четырьмя приливами 10 с резьбовыми отверстиями 11. Продольные оси резьбовых отверстий 11 четырех приливов 10 параллельны продольным осям крепежных винтов 12 (измененной конструкции), находятся в непосредственной близости от них и лежат в плоскостях (проходящих через продольные оси крепежных винтов 12), расположенных по диагоналям блока датчиков.
Цилиндрические фиксаторы 8 корпуса 6 основного объекта выполнены в виде съемных направляющих втулок 13, с концентрично расположенными в них резьбовыми отверстиями 13а. Материал направляющих втулок 13 - сталь, что обеспечивает надежность резьбового соединения «винт-направляющая втулка». Каждая съемная направляющая втулка 13 вставляется в гнездо 6а корпуса 6 и крепится к нему четырьмя крепежными винтами 14 с потайной головкой (показаны только два винта). Между установочной втулкой 46 и корпусом 6 основного объекта проложена стальная шайба 15 с диаметром большим диаметра торца полой установочной втулки 46. Назначение шайбы 15 - предотвратить смятие установочной плоскости 7 корпуса и обеспечить достаточный свободный ход амортизируемому корпусу 1 при воздействии на объект жестких ударов по продольной оси корпуса (вдоль продольных осей крепежных винтов 12). Крепежный винт 12 с головкой 12а вворачивается в резьбовое отверстие 13а втулки 13. Для того чтобы обеспечить центрирование установочных втулок 4б, цилиндрическая часть 12б (центрирующий цилиндр) крепежного винта 12 выполнена относительно внутреннего диаметра стойки 4 по посадке с минимальным зазором, но при ограниченной длине сопрягающихся поверхностей (обычно 2,5-3,5 диаметра). Для свободного продвижения винта 12 в полости стойки 4 без заеданий, диаметр части винта от центрирующей части 12б до начала резьбы выполняют с диаметром меньшим диаметра центрирующего цилиндра 12б.
В предлагаемой конструкции головку 12а каждого крепежного винта 12 выполняют в виде шестигранного равностороннего параллелепипеда. Выше шестигранной головки 12а в конструкции винта 12 предусмотрен посадочный цилиндр 12в, а между нижней частью головки 12а и центрирующим цилиндром 12б выполняется проточка 12г (в виде цилиндра с диаметром меньшим диаметра центрирующего цилиндра 12б), что обеспечивает надежную работу центрирующей части винта.
Прижатие развальцовки 4а стойки 4 к корпусу 6 основного объекта осуществляют крепежным винтом 12 через защитную деталь, выполненную в виде шайбы 16, исключающую повреждение развальцовки при закручивании крепежного винта.
Четыре прилива 10 корпуса 6 основного объекта связывают с посадочными цилиндрами 12в четырех крепежных винтов 12 стальной пластиной 17, для чего стальную пластину выполняют с внешним периметром в форме квадрата. На диагоналях пластины выполняют четыре посадочных цилиндрических отверстия 18 (с диаметром посадочных цилиндров 12в крепежных винтов 12) и четыре посадочных конических отверстия 19, совпадающие с резьбовыми отверстиями 11 приливов 10.
Стальную пластину 17 на четырех приливах 10 закрепляют четырьмя винтами 20 с потайной головкой таким образом, чтобы посадочные цилиндрические отверстия 18 пластины 17 зафиксировали посадочные цилиндры 12в крепежных винтов 12, при этом сопряжение посадочных цилиндрических отверстий с посадочными цилиндрами крепежных винтов выполняют по посадке с минимальным зазором.
Таким образом, разработанная конструкция объединяет в одно целое корпус 6 основного объекта и крепежные винты 12, увеличивая жесткость опорных узлов блока датчиков в боковых направлениях и исключает возможность появления остаточной угловой деформации крепежных винтов.
Для компенсации погрешности установки пластины на рабочие поверхности приливов для узла крепления предусмотрены металлические шайбы 21 из набора по толщине.
Сборка конструкции осуществляется следующим образом. В корпус 6 основного объекта устанавливают четыре направляющих втулки 13, приворачивая их винтами 14. На направляющие втулки 13 устанавливают шайбы 15 и блок датчиков по патенту RU №421364 U1. Далее, установив шайбы 16 под головки 12а крепежных винтов 12, эти винты (с предварительно нанесенной краской на резьбу) вворачивают в резьбовые отверстия 13а втулок 13 (с затяжкой тарированным моментом). К блочным частям соединителей электроподводки и съема информации, приворачивают ответные кабельные части 22. Далее, устанавливают пластину 17, фиксируя посадочные цилиндры 12в посадочными цилиндрическими отверстиями 18 пластины, а затем связывают ее с рабочими поверхностями приловов 10 винтами 20. В случае перекоса посадочных цилиндрических отверстий 18 пластины 17 относительно посадочных цилиндров 12в (из-за отклонения размеров приливов 10 в пределах допусков) используют металлические шайбы 21 (из набора по толщине), которые устанавливают между пластиной 17 и рабочей поверхностью приливов 10.
Преимуществом рассмотренной конструкции является допустимость ее работы в очень широком диапазоне рабочих температур, чему способствует свобода перемещения опоры в продольном направлении (в направлении оси опоры).
Недостатком конструкции является ее несколько увеличенный габарит в направлении продольных осей крепежных винтов. В случае дефицита места на объекте этот недостаток можно исключить, если конструкцию крепления выполнить в варианте, приведенном на фиг.4 и фиг.5.
В предлагаемой конструкции стальная пластина 17 выполняет также функцию защитной детали, так что головки 12а винтов 12 прижимают развальцовки 4а стоек 4 к корпусу 6 через пластину 17. Стальная пластина 17 имеет внутреннюю конфигурацию, позволяющую установить ее непосредственно на четыре развальцованных узла полых стоек 4 под соединители электроподводки и съема информации (с кабельными частями 22), находящиеся на амортизируемом корпусе 1 блока датчиков.
Головка 12а каждого крепежного винта выполнена цилиндрической со шлицом 23 на торце головки 12а. Посадочный цилиндр 12в крепежного винта 12 расположен под цилиндрической головкой 12а с возможностью его взаимодействия (по посадке с минимальным зазором) с посадочным цилиндрическим отверстием 18 стальной пластины. Между посадочным цилиндром 12в крепежного винта 12 и его центрирующей частью 12б выполнена проточка 12г (в виде цилиндра с диаметром меньшим диаметра центрирующей части 12б).
Стальная пластина 17, с одной стороны, притянута к корпусу 6 четырьмя крепежными винтами с цилиндрической головкой, а, с другой стороны, связана с четырьмя приливами 10 корпуса 6 четырьмя винтами 20 с потайной головкой.
Таким образом, и во втором варианте конструкции пластина объединяет в одно целое корпус основного объекта и крепежные винты, увеличивая жесткость опорных узлов блока датчиков в боковых направлениях и исключая возможность появления остаточной угловой деформации крепежных винтов.
Преимуществом рассмотренной конструкции является уменьшенные габариты в направлении продольных осей крепежных винтов.
Сборка конструкции осуществляют следующим образом. В корпус основного объекта устанавливают четыре направляющих втулки 13, приворачивая их винтами 14. На направляющие втулки 13 устанавливают шайбы 15 и блок датчиков по патенту RU №421364 U1. На блоке датчиков располагают пластину 17 таким образом, чтобы продольные оси ее посадочных цилиндров совпали с продольными осями полых стоек 4 блока датчиков. После чего отверткой, прикладывая тарированный момент, вворачивают крепежные винты 12 (с предварительно нанесенной краской на резьбу). Сборка устройства крепления блока датчиков к корпусу основного объекта завершается креплением пластины 17 к рабочим поверхностям приливов 10 винтами 20. В случае перекоса при поджатии пластины 17 винтами 20, используют металлические шайбы 21 (из набора по толщине), которые устанавливают между пластиной 17 и рабочей поверхностью приливов 10. Далее к элементам электроподводки и съема информации блока датчиков приворачивают ответные кабельные части 22.
Таким образом, варианты предложенного устройства крепления амортизированного блока датчиков к корпусу основного объекта выполняют поставленную задачу.
Предложенные конструкции прошли апробацию с положительными результатами.