Устройство для индикации смещений оси ротора аэродинамического подшипника

 

Использование: в оптико-механической промышленности, а именно в средствах индикации угловых и радиальных отклонений оси ротора аэродинамического подшипника, в средствах фотозаписи для стендов испытаний - моделей космической и авиационной технике, преимущественно в тех случаях, где при аэродинамическом подвесе объекта требуется определять его реагирование на действие возмущающих факторов. Сущность изобретения: в устройстве для индикации смещений оси ротора аэродинамического подшипника, содержащем отражатель на его подвижной части, источник и приемник излучения, в сферической опоре выполнена полость, в которой размещено устройство для контроля положения подшипника в виде интеферометра. 4 ил.

Изобретение относится к оптико-механической промышленности, а именно к средствам индикации угловых и радиальных отклонений оси ротора аэродинамического подшипника, и может использоваться в средствах фотозаписи, для стендов испытаний - моделей космической и авиационной техники, преимущественно в тех случаях, где при аэродинамическом подвесе объекта требуется определять его реагирование на действие возмущающих факторов.

Наиболее близким техническим решением является "Вращающаяся опора для индикации угла", в котором содержатся несущая сборка, образующая шаровую полость, несущий сферический элемент в упомянутой полости с возможностью относительного вращения на газовой смазке и имеющий профильное углубление с отражающей поверхностью, устройство для направления луча света через прозрачный участок, представляющий собой линзу с нулевой светосилой, установленную в области взаимодействия луча с профильной отражающей поверхностью несущего сферического элемента, устройство для индикации углового смещения сферического элемента.

Данная опора на газовой смазке обеспечивает комплексные испытания объектов-моделей космических аппаратов и самолетов в вакуумной камере при воздействии на них возмущающих факторов. Подвес объектов без трения на газовом подшипнике и оптические средства измерения угла наклона вращающихся роторов подшипников на газовой смазке позволяет измерять угловые смещения объекта непосредственно на вращающемся несущем элементе, приводимом газовой турбинкой.

К недостаткам данной конструкции следует отнести ограниченные возможности ее использования, недостаточную компактность конструкции, сложность реализации и отсутствие возможности селектировать угловые и радиальные смещения. В частности, для фотозаписи использование данной опоры представляет затруднения: несущий сферический элемент-шар должен быть оснащен планшайбой для крепления компакт-диска, а снизу смонтирована выступающая конструкция с излучателем и фотоприемником. Трудности представляют и изготовление линзы из кварцевого стекла и точное изготовление профилированного углубления в сфере опорного шара, снабженного отражающей поверхностью.

Цель изобретения - повышение точности индикации отклонений оси вращения ротора в масштабе реального времени.

Это достигается тем, что в устройстве для индикации смещений оси ротора аэродинамического подшипника, содержащем источник излучения, отражатель, выполненный на подвижной поверхности подшипника и приемник излучения, в нем излучатель выполнен монохроматическим, а в сферической опоре выполнена полость, в которой размещены первая призма-кубик, расположенная за излучателем, по обе стороны от которой перед отражателем на подшипнике размещены вторая и третья призмы-кубики, образующие две ветви интерферометра, каждая из которых связана с приемником с помощью зеркала, четвертой призмы-кубика, двустороннего зеркала, размещенного на первой призме-кубике, коллиматора и объектива, при этом фотоприемник выполнен в виде матрицы и подключен к электронной схеме регистрации, включающей усилители, сумматор и аналого-цифровой преобразователь.

На фиг.1 показано предложенное устройство, общий вид; на фиг.2 - структурная схема управления; на фиг. 3 - схема блока управления; на фиг.4 - диаграмма, поясняющая работу регенеративно-дифференциального каскада.

Устройство содержит оптически связанный с источником 1 (фиг.1) монохроматического излучения коллиматор 2, объектив 3, опору вращения, в которой ротор 4 выполнен в виде отражающего оптического элемента, матрицу 5 фотоприемников 6, электрически связанную со схемой управления, включающей усилители 7, сумматор 8, аналого-цифровой преобразователь 9, призмы-кубики 10, 11 со светоделителями поверхностями 12. Сферическая поверхность ротора 4 аэростатического подшипника 13 в центральной части выполнена в виде отражающего пояса 14, а отражатели 15, вмонтированные в опору 16, оптически связаны с четвертой призмой-кубиком 17, имеющей светоделительную поверхность 18 с двухсторонним зеркалом 19, коллиматором 2 и объективом 3. Фотоприемники 6 объединены двумя группами 20 и 21, элементы которых смещены на π-фазу световой волны источника излучения относительно друг друга, запараллелены по каждой из групп и соединены анодами (фиг.2) с первым источником 22 отрицательного смещения, а объединенными катодами через усилители 7 - с входами сумматора 8, соединенного с аналого-цифровым преобразователем 9 (фиг.1).

Каждый усилитель 7 (фиг.2) включает операционный усилитель (ОУ) 23 с резистором 24 в цепи отрицательной обратной связи, неинвертирующий вход ОУ соединен с шиной "общий", а инвертирующий - с выходом регенеративно-дифференциального каскада 25 с последовательно соединенными транзисторами 26 в двух его ветвях при перекрестных связях баз двух транзисторов 26.1 и 26.2.

Транзисторы 26.2 и 26.4 в одной из ветвей последовательно соединены с LC-кнтуром 27, база транзистора 26.4 - с шиной "общий" 28, а объединенные эмиттерами транзисторы 26.1 и 26.2 через нагрузочный резистор 29 соединены со вторым источником 30 отрицательного смещения U_см2. Вход регенеративно-дифференциального каскада 25 подключен к средней точке делителя, образованного одной из групп фотоприемников 6 и резистора, соединенного с шиной "общий" 28.

Монохроматический луч 1 (W₁) (фиг.1) посредством светоделительной поверхности 12 призмы-кубика 10 расщепляется на лучи W₁' и W₂'. Луч W₂' отражается от первой отражающей поверхности двустороннего зеркала 19, отклоняется светоделительной поверхностью 12 на призму-кубик 11 (луч W₃') в направлении, противоположном по отношению к лучу W₁'. Аналогичным образом на светоделительных поверхностях второго и третьего призм-кубиков 11 и отражающей поверхности 14 ротора 4 осуществляется вторичное отклонение расщепленных монохроматических лучей и сведение их вместе посредством симметричных отражателей 15, четвертой призмы-кубика 17 и второй отражающей поверхности двустороннего зеркала 19. Посредством коллиматора 2 и объектива 3 в фокальной плоскости объектива формируется интерферограмма, градации которой соответствуют расположению фотоприемников 6, сдвинутых на π-фазу световой волны относительно друг друга.

Если оптическая разность хода δ расщепленных лучей соответствует δ = k λ, где λ - длина волны; k - число волн К = 0,1,2... при интерференции имеет место максимум, а при δ = (2k+1) λ/2 - минимум.

Работает предложенное устройство следующим образом.

Пусть давление Р газовой смазки подано в магистраль подшипника 13. В статическом состоянии ротора 4 осуществляются его центровка и всплытие относительно опоры 16 за счет истечения газовой смазки из жиклеров, равномерно распределенных по соответствующим поверхностям. Плоская поверхность подшипника стабилизирует угловое положение ротора 4.

В динамическом состоянии при возникающих отклонениях оси вращения от номинального положения имеют место смещения полос интерферограммы (фиг.1) ввиду возникающей разности хода расщепленных лучей в плечах интерферометра.

В соответствии со смещениями изменяется электрический сигнал фотопреобразования с эффектом осреднения на сумматоре 8 передних фронтов и срезов импульсных последовательностей, которые сдвинуты между собой на 180^о. На аналого-цифровом преобразователе 9 осуществляется преобразование аналогового сигнала по уровню в цифровой код.

Регенеративно-дифференциальный каскад 25 (фиг. 3) работает следующим образом. В отсутствии сигнала общий ток i_о распределяется поровну между ветвями с транзисторами 26 (фиг.4). Если имеет место приращение напряжения на входе, то это напряжение через эмиттерный повторитель на транзисторе 26.3 поступает на базу транзистора 26.2. В результате ток, протекающий через этот транзистор и через транзистор 26.4, начинает расти, а ток, протекающий через транзистор 26.1, падать. Как следствие, напряжение на эмиттере транзистора 26.3 будет увеличиваться, а ток его уменьшаться до тех пор, пока весь ток не будет протекать через транзисторы 26.2 и 26.4. Коллекторный ток транзисторов слабо зависит от напряжения, а коэффициент их усиления достаточно велик, положительная обратная связь и добавочное усиление также достаточно велико и превышает усилие обычного каскада, ввиду положительных обратных связей. На диаграмме фиг.3 даны зависимости токов i₃, i₄ транзисторов 26 в обеих ветвях от входного напряжения. Напряжение, необходимое для переключения каскада, составляет единицы милливольт. LC-контур 22 имеет параметры, компенсирующие входную емкость каскада.

Отклонения оси вращения ротора отображаются изменениями цифрового сигнала, причем отклонения в сотые доли микрометра индицируются устройством в опытном образце при диаметре сферической поверхности ротора в 76 мм. Это соответствует чувствительности устройства с оптическим рычагом ориентировочно в один метр.

Устройство позволяет осуществлять индикацию отклонений оси вращения непосредственно в процессе технологического процесса фотозаписи, так как встроенный в аэродинамический подшипник интерферометр обуславливает возможность компактности конструкции.

Изменения отклонений оси ротора в реальном масштабе времени позволяют осуществлять качественную фотозапись при 100% контроле.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДИКАЦИИ СМЕЩЕНИЙ ОСИ РОТОРА АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОДШИПНИКА, содержащего источник излучения, отражатель, выполненный на подвижной поверхности подшипника, и приемник излучения, отличающееся тем, что излучатель выполнен монохроматическим, а в сферической опоре выполнены полость, в которой размещены первая призма-кубик, расположенная за излучателем, по обе стороны от которой перед отражателем на подшипнике размещены вторая и третья призмы-кубики, образующие две ветви интерферометра, которые связаны с приемником с помощью зеркала, четрветой призмы-кубика, двустороннего зеркала, размещенного на первой призме-кубике, коллиматора и объектива, при этом фотоприемник выполнен в виде матрицы и подключен к электронной схеме регистрации, включающий усилители, сумматор и аналого-цифровой преобразователь.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4