氣象衛(wèi)星掃描機(jī)構(gòu)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)

王健，趙俊宏，王偉成，許冬冬，王淦泉

(1.洛陽軸承研究所有限公司,河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039；4.中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083)

氣象衛(wèi)星在氣候預(yù)測、環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)對氣候變化等方面具有重要作用，掃描機(jī)構(gòu)作為氣象衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的重要組成部件，主要用于獲取圖像信息[1]，其支承軸承的質(zhì)量及可靠性將直接影響整個(gè)遙感系統(tǒng)所獲取的圖片質(zhì)量以及運(yùn)行壽命。掃描機(jī)構(gòu)部件一般采用薄壁窄系列的航天精密配對角接觸球軸承作為支承，以保證較高的旋轉(zhuǎn)精度和較小的摩擦力矩,軸承摩擦力矩的大小和波動(dòng)性直接決定了航天軸承的旋轉(zhuǎn)精度，從而決定了空間飛行器的定位和導(dǎo)向精度[2]。

衛(wèi)星掃描機(jī)構(gòu)軸承在太空中不停地往復(fù)搖擺(200×106)，同時(shí)還要在高低溫交替、真空、失重、輻射等惡劣條件下工作，因此軸承必須具有高精度、長壽命和高可靠性。為提高衛(wèi)星掃描機(jī)構(gòu)軸承的設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，為衛(wèi)星配套軸承的產(chǎn)品研發(fā)和理論分析提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)參考，開發(fā)了一種氣象衛(wèi)星掃描機(jī)構(gòu)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)，現(xiàn)介紹其主體設(shè)計(jì)以及軸承試驗(yàn)情況。

1 試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.1 軸承工況參數(shù)

衛(wèi)星掃描機(jī)構(gòu)的精密配對角接觸球軸承(薄壁窄系列)的工況參數(shù)見表1。

表1 角接觸球軸承的工況參數(shù)Tab.1 Working condition parameters of angular contact ball bearing

1.2 試驗(yàn)機(jī)參數(shù)及指標(biāo)

根據(jù)軸承使用工況以及主機(jī)指標(biāo)需求，試驗(yàn)機(jī)參數(shù)及指標(biāo)見表2。

表2 試驗(yàn)機(jī)參數(shù)及指標(biāo)Tab.2 Parameters and indexes of tester

2 試驗(yàn)機(jī)組成

試驗(yàn)機(jī)由雙真空罐設(shè)備主體、真空系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。

2套獨(dú)立的雙真空罐設(shè)備主體(A#，B#真空罐)可分別安裝4組軸承試驗(yàn)組件，能同時(shí)進(jìn)行8組軸承的模擬試驗(yàn)。2套設(shè)備主體和真空系統(tǒng)共用1套電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)抽真空、加熱溫度、軸承運(yùn)動(dòng)的控制以及真空度、加熱溫度、軸承外圈溫度、擺速(轉(zhuǎn)速)、擺角、擺動(dòng)次數(shù)(轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù))、摩擦力矩、試驗(yàn)時(shí)間等參數(shù)的采集和記錄，并具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、回放以及調(diào)用功能，試驗(yàn)機(jī)工作原理如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)機(jī)工作原理框圖Fig.1 Working principle block diagram of tester

2.1 雙真空罐設(shè)備主體

設(shè)備主體是整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的主要機(jī)械部分，主要包括床身框架及平臺(tái)、雙工位真空罐、試驗(yàn)軸承組件、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、磁流體密封傳動(dòng)裝置和齒輪傳動(dòng)裝置等，如圖2所示。

1—真空分子泵；2—床身框架；3—真空罐；4—觀察窗；5—軸承試驗(yàn)組件；6—齒輪傳動(dòng)裝置；7—磁流體密封傳動(dòng)裝置；8—?jiǎng)傂月?lián)軸器；9—伺服電動(dòng)機(jī)；10—機(jī)械泵。圖2 試驗(yàn)機(jī)雙真空罐設(shè)備主體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of test main body in double vacuum tank for tester

設(shè)備采用定軸輪系的平面齒輪機(jī)構(gòu)完成主運(yùn)動(dòng)，由交流伺服電動(dòng)機(jī)通過剛性聯(lián)軸器及磁流體密封傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)真空罐內(nèi)的主動(dòng)齒輪運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)齒輪再帶動(dòng)與之嚙合的4個(gè)從動(dòng)齒輪運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比為34∶25，轉(zhuǎn)向相反。從動(dòng)齒輪與軸承試驗(yàn)組件的主軸安裝在一起，2套試驗(yàn)軸承安裝在主軸上，通過控制伺服電動(dòng)機(jī)擺動(dòng)或整圈轉(zhuǎn)動(dòng)間接帶動(dòng)試驗(yàn)軸承往復(fù)擺動(dòng)或整圈轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理如圖3所示。

1—伺服電動(dòng)機(jī)；2—聯(lián)軸器；3—磁流體密封傳動(dòng)裝置；4—主動(dòng)齒輪；5—從動(dòng)齒輪；6—軸承試驗(yàn)組件。圖3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖Fig.3 Schematic diagram of transmission mechanism

2.1.1 軸承試驗(yàn)組件

軸承試驗(yàn)組件是試驗(yàn)主體的核心部分，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，由試驗(yàn)軸承、試驗(yàn)主軸、外圈殼體、加載彈簧、加熱絲、輔助支承、從動(dòng)齒輪、扭矩傳感器和溫度傳感器等組成。

1—滑動(dòng)支承；2—從動(dòng)齒輪；3—端蓋；4—密封環(huán)；5—迷宮環(huán)；6—試驗(yàn)軸承；7—中隔環(huán)；8—密封蓋；9—扭矩傳感器固定板；10—過渡銅套；11—靜態(tài)扭矩傳感器；12—彈簧壓蓋；13—加載彈簧；14—彈簧座；15—軸承測溫傳感器；16—?dú)んw；17—加熱絲。圖4 軸承試驗(yàn)組件結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of bearing test assembly

2套試驗(yàn)軸承成對安裝在試驗(yàn)主軸上，背對背(DB)配置，與軸小間隙配合，由加載彈簧對軸承施加預(yù)緊力(由力傳感器測得)。軸承組件外圈殼體上端連接小量程扭矩傳感器，用來測試2套軸承的摩擦力矩。在軸承組件的外圈殼體圓周面上纏繞柔性的加熱絲，由于試驗(yàn)所需溫度不高(常溫～50 ℃)，因此加熱器外接直流電源進(jìn)行加熱，通過金屬間的熱傳遞將熱傳遞至軸承。外殼體上安裝3支溫度傳感器，1支測環(huán)境溫度，2支測軸承外圈溫度。

2.1.2 伺服電動(dòng)機(jī)選型計(jì)算

為滿足衛(wèi)星掃描機(jī)構(gòu)軸承試驗(yàn)過程中擺速、擺角、轉(zhuǎn)速以及加速時(shí)間等參數(shù)精確控制的要求，本試驗(yàn)機(jī)選用控制精度、低頻特性、矩頻特性、運(yùn)行可靠性和響應(yīng)速度等方面性能優(yōu)越的伺服電動(dòng)機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的匹配、扭矩及功率計(jì)算來確定伺服電動(dòng)機(jī)參數(shù)。

1)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

試驗(yàn)主體總的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL主要包括：4組軸承組件試驗(yàn)主軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1、主動(dòng)齒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2以及磁流體密封傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J3，折算到電動(dòng)機(jī)端的總負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

(1.5+13.4+13.1)×10-3=28×10-3kg·m2，

式中：m1為4組軸承組件試驗(yàn)主軸上的質(zhì)量, 3.333 kg；m2為主動(dòng)齒的質(zhì)量, 21.876 kg；m3為磁流體密封傳動(dòng)裝置的質(zhì)量, 5.345 kg；R1為4組軸承組件試驗(yàn)主軸平均當(dāng)量半徑, 0.03 m；R2為主動(dòng)齒平均當(dāng)量半徑, 0.035 m；R3為磁流體密封傳動(dòng)裝置平均當(dāng)量半徑, 0.07 m。

不同的機(jī)械系統(tǒng)，慣量匹配的選擇原則不同，一般廠家給定樣本中，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM的比值不大于15[3]，因此

JM≥JL/15=1.867×10-3kg·m2。

2)扭矩和功率計(jì)算

按試驗(yàn)安裝的最大代表型號軸承(φ80 mm×φ110 mm×16 mm)在最大載荷500 N時(shí)估算軸承摩擦力矩并計(jì)算電動(dòng)機(jī)端的負(fù)載扭矩和擺動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)條件下的最大功率。

軸承摩擦力矩M為

電動(dòng)機(jī)功率P為

式中：μ為軸承摩擦因數(shù)，0.005；F為軸承載荷，500 N；d為軸承內(nèi)徑，80 mm；η為機(jī)械效率，0.415；n為轉(zhuǎn)速, 300 r/min。

由以上計(jì)算可知，設(shè)備傳動(dòng)為低速、中扭矩、小功率、中慣量機(jī)械模型。根據(jù)實(shí)際電動(dòng)機(jī)型號和節(jié)能原則所選伺服電動(dòng)機(jī)額定功率1.5 kW，額定轉(zhuǎn)矩8.12 N·m，最大轉(zhuǎn)矩24.4 N·m，帶電磁制動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2×10-3kg·m2，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，分辨率262 144 p/rev，可滿足要求。

2.1.3 齒輪傳動(dòng)裝置

試驗(yàn)機(jī)采用齒輪傳動(dòng)的一拖四方式，由1個(gè)驅(qū)動(dòng)端驅(qū)動(dòng)4組軸承試驗(yàn)單元。齒輪裝置由從動(dòng)齒輪、試驗(yàn)主軸、牽引齒輪、驅(qū)動(dòng)軸、壓蓋、帶孔螺栓銷、主動(dòng)齒輪、彈簧、調(diào)節(jié)螺栓和螺母組成，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于齒輪傳動(dòng)的兩嚙合齒輪副間存在側(cè)隙，在試驗(yàn)擺動(dòng)運(yùn)行換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊和傳動(dòng)延遲誤差[4]，因此試驗(yàn)機(jī)主動(dòng)齒輪采用雙片薄齒輪錯(cuò)齒法消除擺動(dòng)過程中的齒側(cè)間隙，從動(dòng)齒輪采用高強(qiáng)度、自潤滑非金屬材料(聚酰亞胺添加MoS2)，解決真空下齒輪副的潤滑問題。

1—從動(dòng)齒輪；2—試驗(yàn)主軸；3—牽引齒輪；4—驅(qū)動(dòng)軸；5—壓蓋；6—帶孔螺栓銷；7—主動(dòng)齒輪；8—彈簧；9—調(diào)節(jié)螺栓；10—螺母。圖5 齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of gear transmission

2.1.4 磁流體密封傳動(dòng)裝置

試驗(yàn)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)通過磁流體密封傳動(dòng)裝置與真空罐內(nèi)的主動(dòng)齒輪相連，拖動(dòng)試驗(yàn)組件運(yùn)轉(zhuǎn)，磁流體密封傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。磁流體密封由永磁體、轉(zhuǎn)軸、磁極、磁流體和磁回路組成，如圖7所示。其工作原理是利用磁流體對磁場的響應(yīng)特性在密封間隙內(nèi)形成1個(gè)O形液體密封環(huán)，將密封間隙充滿而達(dá)到密封的目的[5]，可滿足真空度1×10-6Pa，泄漏率小于1×10-12Pa·m3/s，耐壓范圍0.2～0.7 MPa，溫度范圍-10～100 ℃的要求，廣泛應(yīng)用于真空系統(tǒng)的動(dòng)密封。

1—轉(zhuǎn)軸；2—軸承；3—密封圈；4—?dú)んw；5—磁流體。圖6 磁流體密封傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of magnetic fluid sealing transmission device

圖7 磁流體密封原理Fig.7 Principle of magnetic fluid seal

2.2 真空系統(tǒng)

極限真空度是指真空系統(tǒng)能夠達(dá)到的最高真空度，是真空系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)[6]。為模擬2個(gè)真空腔內(nèi)的真空度達(dá)到優(yōu)于1×10-4Pa的極限真空度技術(shù)目標(biāo)，試驗(yàn)機(jī)采用動(dòng)態(tài)抽真空法，抽真空系統(tǒng)原理如圖8所示。2臺(tái)復(fù)合分子泵垂直安裝在2個(gè)真空腔體下面，縮短抽氣的行程，分子泵的排氣口分別通過波紋管、電磁壓差式充氣閥與2臺(tái)前級機(jī)械泵相連，分子泵開啟前先由機(jī)械泵粗抽真空，電磁壓差式充氣閥與機(jī)械泵接在同一電源上，與機(jī)械泵同時(shí)開啟與關(guān)閉，當(dāng)泵停止工作或突然斷電時(shí)，閥門能自動(dòng)將真空系統(tǒng)封閉，保持其真空度，并將大氣通過閥的節(jié)流孔經(jīng)泵進(jìn)氣口充入泵腔，從而避免泵油逆流污染真空系統(tǒng)。在分子泵抽氣管道上連接電離規(guī)和放氣閥用來監(jiān)測真空腔內(nèi)真空度和腔體充氣。

1—機(jī)械泵；2—電阻規(guī)(低真空測試)；3—電極引線(強(qiáng)電)；4—電極引線(弱電)；5—磁流體密封傳動(dòng)裝置；6—觀察窗；7—鐘罩；8—電離規(guī)(高真空測試)；9—電磁放氣閥；10—復(fù)合分子泵；11—波紋管；12—電磁壓差式充氣閥。圖8 抽真空系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic diagram of vacuum pumping system

2.3 電控系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)電控系統(tǒng)采用工控機(jī)+PLC+伺服驅(qū)動(dòng)器的控制模式。工控機(jī)作為上位機(jī)，是系統(tǒng)的測控與通信中心；PLC是下位機(jī)，完成相關(guān)的模擬量與開關(guān)量的通信與控制，PLC與信號采集控制板卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、溫控儀、真空計(jì)等組成系統(tǒng)的開關(guān)量、模擬量的控制采集單元，溫度傳感器、扭矩傳感器、位移傳感器及拉壓力傳感器等組成系統(tǒng)的傳感器單元。電控系統(tǒng)原理如圖9所示：通過上位機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)按照規(guī)定的運(yùn)動(dòng)方式帶動(dòng)試驗(yàn)軸承旋轉(zhuǎn)；由機(jī)械泵、分子泵、真空度傳感器及控制單元完成試驗(yàn)腔體真空排氣的測控功能；由工控機(jī)、溫控儀、固態(tài)繼電器及加熱器組成溫度控制單元完成真空腔內(nèi)的溫度控制；由溫度傳感器、扭矩傳感器及采集卡等組成數(shù)據(jù)采集模塊完成試驗(yàn)過程測試信號的采集處理。

圖9 試驗(yàn)機(jī)電控系統(tǒng)原理圖Fig.9 Schematic diagram of electronic control system for tester

試驗(yàn)設(shè)備采用C++Builder編制測控軟件，軟件控制程序主界面如圖10所示，試驗(yàn)設(shè)備軟件程序用于完成運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)設(shè)定，如轉(zhuǎn)速、擺速、擺角、加速時(shí)間等，對運(yùn)動(dòng)過程中的測試參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，如軸承溫度、試驗(yàn)溫度、扭矩及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)等，并能記錄以及實(shí)時(shí)顯示相關(guān)參數(shù)，便于觀察及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理等。

圖10 試驗(yàn)設(shè)備測控軟件程序主界面Fig.10 Main interface of measurement and control software program for test equipment

3 裝機(jī)試驗(yàn)

對某型號氣象衛(wèi)星掃描機(jī)構(gòu)軸承進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)件為含油保持架的精密薄壁角接觸球軸承，外形尺寸φ65 mm×φ85 mm×10 mm。真空罐內(nèi)試驗(yàn)安裝結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 真空罐內(nèi)試驗(yàn)安裝結(jié)構(gòu)Fig.11 Installation configuration in vacuum tank for test

試驗(yàn)條件：每組試驗(yàn)2套軸承，背對背、過渡配合安裝，軸承預(yù)緊力(110±15)N，試驗(yàn)真空度優(yōu)于1×10-4Pa，環(huán)境溫度不超過50 ℃，擺速10°/s，加減速時(shí)間0.2 s，擺角±4.75°，擺動(dòng)次數(shù)200×106次。根據(jù)試驗(yàn)后軸承的尺寸精度、游隙值變化，溝道及保持架兜孔磨損等情況綜合判定軸承是否通過試驗(yàn)。

A#，B#兩罐中共計(jì)安裝16套(8組)軸承，試驗(yàn)過程中由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄數(shù)據(jù)及曲線，測試結(jié)果數(shù)據(jù)曲線節(jié)選如圖12、圖13所示，軸承外圈溫度19～25 ℃，摩擦力矩-0.2～0.2 N·m。試驗(yàn)后軸承的尺寸精度、游隙值變化，溝道及保持架兜孔磨損均滿足要求。

(a) A#真空罐

(a) A#真空罐

經(jīng)試驗(yàn)測試運(yùn)行，試驗(yàn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),工作可靠，溫度、扭矩等信號測試準(zhǔn)確，試驗(yàn)機(jī)的功能和指標(biāo)滿足軸承的試驗(yàn)要求。

4 結(jié)束語

介紹了氣象衛(wèi)星掃描機(jī)構(gòu)軸承真空試驗(yàn)機(jī)的功能指標(biāo)要求、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及組成部分，并通過具體代表型號軸承的裝機(jī)試驗(yàn)考核了試驗(yàn)機(jī)在真空模擬、溫度模擬、擺動(dòng)運(yùn)行控制、信號測試能力等方面的指標(biāo)及可靠性。試驗(yàn)機(jī)總體方案設(shè)計(jì)合理，電氣測控系統(tǒng)原理正確，軟件系統(tǒng)界面清晰，操作方便，功能齊全，可為衛(wèi)星掃描機(jī)構(gòu)軸承的設(shè)計(jì)及裝機(jī)使用提供參考。