Способ определения моментов инерции изделия и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к машиностроению и может быть использована для определения моментов инерции различных изделий, в том числе крупногабаритных и маложестких, имеющих ограничения на установку в наклонном положении, например крупногабаритных космических аппаратов. При реализации способа изделие устанавливают на платформу колебательного устройства и производят определение момента инерции изделия по периодам колебаний изделия относительно вертикальной продольной оси изделия. Для определения моментов инерции относительно наклонных осей производят поворот оси колебаний колебательного устройства без изменения вертикального положения изделия. Устройство содержит колебательную систему и узел поворота изделия относительно оси колебаний платформы. Дополнительно оно снабжено узлом поворота корпуса, угол поворота которого выбирается равным и противоположно направленным углу поворота оси планшайбы. Технический результат, достигаемый от реализации группы изобретений, заключается в расширении функциональных возможностей за счет обеспечения определения моментов инерции крупногабаритных и маложестких изделий при обеспечении вертикального положения изделия, что практически исключает деформацию от наклона изделия и сопутствующие такой деформации погрешности измерений. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Группа изобретений относится к машиностроению и может быть использована для определения моментов инерции различных изделий, в том числе крупногабаритных и маложестких, имеющих ограничения на установку в наклонном положении, например крупногабаритных космических аппаратов.

Известен реализуемый устройством способ определения моментов инерции изделия, заключающийся в том, что изделие устанавливают на платформу колебательного устройства в вертикальном положении и производят измерение периода упругих крутильных колебаний изделия на платформе относительно вертикальной оси. Затем изменяют взаимное угловое положение изделия и оси колебаний и повторяют измерение периода свободных колебаний изделия на платформе. По периодам колебаний расчетным путем определяют моменты инерции изделия (см. патент РФ 2017103, кл. G01M 1/10, 1994 г., - наиболее близкий аналог для способа).

Недостатком известного способа является то, что при проведении измерений требуется наклонять изделие из вертикального положения для обеспечения изменения взаимного углового положения изделия и оси колебаний. При наклоне маложестких изделий под действием гравитационных сил происходит деформация формы изделий, приводящая к снижению точности определения действительных значений их моментов инерции.

Известно устройство, для определения момента инерции, содержащее корпус, размещенную в нем платформу с возможностью упругих крутильных колебаний относительно корпуса, связывающий корпус и платформу упругий элемент, например торсион. Для закрепления изделия в вертикальном положении устройство оснащено планшайбой, соединенной с платформой посредством узла поворота оси планшайбы относительно оси колебаний платформы (см. патент РФ 2017103, кл. G01M 1/10, 1994 г., - наиболее близкий аналог для устройства).

Недостатком известного устройства является то, что в нем не обеспечивается необходимая для маложестких изделий возможность сохранения вертикального положения изделия при различных угловых положениях оси колебаний относительно изделия.

Техническим результатом группы изобретений является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения определения моментов инерции крупногабаритных и маложестких изделий при обеспечении вертикального положения изделия, что практически исключает деформацию от наклона изделия и сопутствующие такой деформации погрешности измерений.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе, заключающемся в том, что изделие устанавливают на платформу колебательного устройства в вертикальном положении и производят измерение периода упругих крутильных колебаний изделия на платформе относительно вертикальной оси, затем измеряют взаимное угловое положение изделия и оси колебаний и повторяют измерение периода свободных колебаний изделия на платформе, по периодам колебаний расчетным путем определяют моменты инерции изделия, при этом изменение взаимного углового положения оси колебаний и изделия производят посредством поворота оси колебаний без изменения вертикального положения изделия.

Отличительным признаком предлагаемого способа от наиболее близкого аналога является операция изменения взаимного углового положения оси колебаний и изделия, которую производят не наклоном изделия, а посредством поворота оси колебаний без изменения вертикального положения изделия.

В устройстве, реализующем предлагаемое техническое решение, содержащем корпус, размещенную в нем платформу с возможностью упругих крутильных колебаний относительно корпуса, связывающий корпус и платформу упругий элемент, например торсион, планшайбу для закрепления изделия в вертикальном положении, соединенную с платформой посредством узла поворота оси планшайбы относительно оси колебаний платформы, имеется дополнительный узел поворота корпуса, угол поворота которого выбирается равным и противоположно направленным углу поворота оси планшайбы.

Отличительным признаком предлагаемого устройства от наиболее близкого аналога является то, что устройство дополнительно снабжено узлом поворота корпуса, угол поворота которого выбирается равным и противоположно направленным углу поворота оси планшайбы. Узел поворота оси планшайбы относительно оси колебаний платформы наклоняет изделие, а узел поворота корпуса компенсирует угол наклона изделия. В результате изделие остается в вертикальном положении.

При осуществлении способа на заявленном устройстве не требуется производить наклон изделия из вертикального положения для обеспечения изменения взаимного углового положения изделия и оси колебаний, который приводит к снижению точности определения действительных значений моментов инерции маложестких изделий из-за деформации их формы в наклонном положении под действием гравитационных сил.

Сущность заявленной группы изобретений поясняется графическими материалами, на которых:

на фиг.1 показано устройство при измерении периода колебаний относительно вертикальной оси;

на фиг.2 показано устройство при измерении периода колебаний относительно наклонной оси колебаний при вертикальном расположении изделия;

на фиг.3 проиллюстрирована геометрическая картина движения суммарного центра масс колеблющейся системы вокруг оси колебаний.

Устройство для определения моментов инерции изделия содержит корпус 1, размещенную в нем платформу 2 с возможностью упругих крутильных колебаний относительно корпуса, связывающий корпус и платформу упругий элемент 3 - торсион, планшайбу 4 для закрепления изделия 5 в вертикальном положении, соединенную с платформой посредством узла 6 поворота оси х (штрихпунктирная линия 7) планшайбы относительно оси (штрихпунктирная линия 8) колебаний платформы, и узел 9 поворота корпуса, компенсирующего угол наклона планшайбы.

Способ посредством представленного выше устройства осуществляется следующим образом. Изделие 5 устанавливают на платформу 4 в вертикальном положении и производят измерение периода упругих крутильных колебаний изделия на платформе относительно вертикальной оси 8. Возможность колебаний обеспечивается упругим элементом, связывающим корпус 1 и платформу 2, например торсионом 3. Для уменьшения трения между корпусом и платформой по патрубку 11 в карманы 12 нагнетается сжатый воздух для создания аэростатического подвеса платформы.

В начальном положении оси 7 и 8 могут совпадать, как показано на фиг.1. Затем с помощью узла 6 вращением изделия с планшайбой относительно оси 10 изменяют взаимное угловое положение изделия и оси колебаний 8. Оси 10 и 7 расположены под углом друг к другу, поэтому после поворота планшайбы с изделием на 180° вокруг оси 10 ось 7 планшайбы и ось 8 колебаний займут взаимное угловое положение, показанное на фиг.2. Одновременно с поворотом узла 6 с помощью узла поворота 9 производится компенсация наклона изделия поворотом корпуса 1 вокруг оси 13 на угол, при котором корпус наклоняется на угол, равный и противоположно направленный углу поворота оси 7 планшайбы относительно оси 8 колебаний. В результате ось 8 колебаний наклоняется, как показано на фиг.2, а изделие 5 остается в вертикальном положении. В этом положении измеряют период упругих крутильных колебаний изделия относительно наклонной оси 8.

Расчет моментов инерции производится следующим образом.

В начальном положении (фиг.1) колебания изделия с оснасткой происходят по закону унифиляра:

где J_изд - момент инерции изделия относительно вертикальной оси колебаний, J_о1 - момент инерции оснастки, колеблющейся вместе с изделием, φ - угловая координата отклонения унифиляра от среднего положения, коэффициент жесткости торсиона унифиляра.

Из уравнения (1) период Т₁ крутильных колебаний равен:

откуда момент инерции изделия относительно вертикальной продольной оси равен:

На фиг.3 проиллюстрирована геометрическая картина движения суммарного центра масс (ЦМ) колеблющейся системы вокруг оси колебаний (оси х) в наклонном положении оси колебаний при вертикальном положении изделия (фиг.2), приведен вид вдоль оси колебаний на перпендикулярную оси х плоскость, в которой находится суммарный центр масс изделия и колеблющейся оснастки.

Малые колебания изделия с оснасткой происходят по закону:

где J_o2 - момент инерции оснастки, колеблющейся вместе с изделием в положении, показанном на фиг.2, р - суммарный вес изделия и колеблющейся вместе с ним оснастки, α - угол наклона оси колебаний, r - радиус окружности, по которой движется при колебаниях суммарный центр масс (центр тяжести) вокруг оси колебаний, β - угол между радиусом r и осью у системы координат платформы 2, φ_о - угол положения равновесия, при котором крутильный момент закрутки торсиона равен моменту, создаваемому приложенной к центру масс силой тяжести относительно наклонной оси колебаний. В состоянии покоя (в положении равновесия) выполняется равенство:

cφ_о=psinα·rcosβ.

Учитывая это равенство и то, что для малых колебаний sinφ≈φ, cosφ≈1, уравнение малых колебаний приведем к виду

Из уравнения (2) период Т малых колебаний равен

откуда момент инерции изделия относительно вертикальной продольной оси равен:

Таким образом, предлагаемый способ определения моментов инерции, в котором изменение взаимного углового положения оси колебаний и изделия производят посредством поворота оси колебаний без изменения вертикального положения изделия, позволяет измерять моменты инерции изделий относительно различных пространственных осей, не прибегая к наклону изделий, а предлагаемое устройство для определения моментов инерции изделий, дополнительно снабженное узлом поворота корпуса, угол поворота которого выбирается равным и противоположно направленным углу поворота оси планшайбы, позволяет осуществить предлагаемый способ.

1. Способ определения моментов инерции изделия, заключающийся в том, что изделие устанавливают на платформу колебательного устройства в вертикальном положении и производят измерение периода упругих крутильных колебаний изделия на платформе относительно вертикальной оси, затем изменяют взаимное угловое положение изделия и оси колебаний и повторяют измерение периода свободных колебаний изделия на платформе, по периодам колебаний расчетным путем определяют моменты инерции изделия, отличающийся тем, что изменение взаимного углового положения оси колебаний и изделия производят посредством поворота оси колебаний без изменения вертикального положения изделия.

2. Устройство для определения моментов инерции изделия, содержащее корпус, размещенную в нем платформу с возможностью упругих крутильных колебаний относительно корпуса, связывающий корпус и платформу упругий элемент, например торсион, планшайбу для закрепления изделия в вертикальном положении, соединенную с платформой посредством узла поворота оси планшайбы относительно оси колебаний платформы, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено узлом поворота корпуса, угол поворота которого выбирается равным и противоположно направленным углу поворота оси планшайбы.