固體潤滑軸承的變預載跑合系統(tǒng)設(shè)計與試驗

朱 奎，史士財，司圣潔，吳劍威，劉 宏

(哈爾濱工業(yè)大學 機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150080)

近年來，隨著人類對外太空探索活動的進一步加深，空間技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，并對人類社會產(chǎn)生越來越深遠的影響。對于人類探索空間的各種飛行器，如衛(wèi)星、飛船等來說，在其回轉(zhuǎn)機構(gòu)上使用的軸承成為決定飛行器性能的關(guān)鍵因素。由于太空的高真空、高輻射、高低溫環(huán)境，使用常規(guī)的油、脂潤滑軸承難以滿足要求。而固體潤滑比油脂潤滑的化學穩(wěn)定性好,不會因輻射而發(fā)生變質(zhì)[1]，且具有使結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化、對溫度不敏感等優(yōu)點[2]，故常采用固體潤滑軸承，在滿足使用要求的同時也使得軸承組件得以簡化。文中研究的軸承采用共濺射MoS2基固體薄膜對內(nèi)、外圈溝道進行潤滑。

1 MoS2固體潤滑

共濺射MoS2基固體薄膜指的是以MoS2為主體，添加少量軟金屬或其合金、稀土等的復合材料為靶材，在高真空中濺射沉積于指定基體上而形成的具有自潤滑性能的薄膜[1]。MoS2的潤滑性能是由其具有的層狀晶體結(jié)構(gòu)決定的。由于不同分子層之間的S原子與Mo原子之間的結(jié)合力很弱，因而產(chǎn)生了一個低剪切力的平面，受到很小的剪切力即可使分子層間發(fā)生斷裂，形成滑移面。濺射于金屬表面的分子層所產(chǎn)生的滑移面使原來相對滑移的兩金屬表面的MoS2基固體薄膜將直接接觸轉(zhuǎn)化為MoS2分子層的相對滑移，從而降低了摩擦系數(shù)，減少了磨損[3]。MoS2固體潤滑特別適合在真空環(huán)境中使用[4]。

MoS2經(jīng)射頻濺射后與溝道基體形成的層狀結(jié)構(gòu)為致密層、過渡層和柱狀層。其中的致密層和過渡層為有效潤滑鍍層[5]，柱狀層由于組織結(jié)構(gòu)疏松，既影響潤滑性能又容易吸潮、氧化、剝落。另外，經(jīng)過濺射處理后軸承內(nèi)、外溝道上均有MoS2濺射膜，使溝道表面粗糙度提高，軸承的摩擦力矩和振動增大[5]。

MoS2固體潤滑軸承需要進行跑合試驗，軸承跑合實際上是一個磨合過程，其作用是：(1)去除無效的柱狀層鍍層，留下起潤滑作用的過渡層和致密層，降低摩擦系數(shù)；(2)通過滾壓提高軸承內(nèi)、外圈表面質(zhì)量，減小活動軸系的力矩波動。經(jīng)過跑合的軸承安裝到主機上之后即可直接進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。

2 軸承跑合系統(tǒng)的設(shè)計

跑合平臺系統(tǒng)包括機械系統(tǒng)、電路控制和軟件3個部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。軟件部分實現(xiàn)跑合平臺與人的接口，操作者通過PC機發(fā)出加載、跑合等指令，觀測加載壓力和跑合圈數(shù)等?？刂齐娐穼崿F(xiàn)跑合平臺的加載電動機和跑合電動機的控制以及壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集。機械系統(tǒng)執(zhí)行跑合功能。

圖1 跑合平臺系統(tǒng)框圖

2.1 機械部分

跑合平臺機械部分整體采用立式結(jié)構(gòu)(圖2)，主要包括加載、跑合兩部分。兩個部分均使用步進電動機作為動力，在滿足使用功能的同時大大節(jié)省了成本。

圖2 跑合平臺機械結(jié)構(gòu)圖

通常使用的加載方式有重力、氣動、電動等方式。其中氣動加載方式結(jié)構(gòu)復雜，實現(xiàn)及維護成本較高；重力加載過于笨重，操作復雜。電動加載方式結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，故本跑合系統(tǒng)采用電動加載方式。加載電動機通過加載絲杠驅(qū)動力傳感器組件實現(xiàn)對軸承組件的加載。為了提高加載載荷的分辨率，在力傳感器組件與加載螺母之間設(shè)計有壓縮彈簧，由于壓縮彈簧剛度相對較低，其可以將加載螺母的加載行程進行放大，從而提高加載載荷的分辨率。另外，直線軸承支架和跑合平臺上支承板之間裝有4根拉簧，用于平衡直線軸承支架和力傳感器組件的自重。在保證最大載荷的前提下，加載彈簧的剛度應該盡量小，以提高加載時的靈敏度。此處選擇的加載彈簧剛度為14.32 N/mm，拉簧的剛度為0.51 N/mm。直線軸承和直線導軌保證了載荷方向與直線導軌軸向平行，且加載時，加載壓頭與軸承工裝為點接觸，加載螺桿的旋轉(zhuǎn)運動不會引起壓力傳感器的側(cè)向位移，避免了側(cè)向力導致的加載不準確。剪切S梁型壓力傳感器抗側(cè)向力強，性能穩(wěn)定，精度較好，故采用該傳感器來測量加載力。選用了BK-2F測力傳感器，該傳感器具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。該力傳感器的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 BK-2F力傳感器技術(shù)參數(shù)

跑合部分主要包括跑合電動機和軸承組件。跑合電動機通過彈性聯(lián)軸器與安裝有被跑合軸承的軸相連，降低了電動機的波動對軸承的影響。待跑合的一對角接觸軸承以面對面方式安裝，預載荷通過加載圓盤施加到軸承外圈上。軸承組件采用模塊化設(shè)計，通過標準的平臺接口，對于不同型號的軸承只需設(shè)計相應的軸承安裝組件。

2.2 電動機控制系統(tǒng)

跑合平臺的電動機控制系統(tǒng)以GT_400運動控制卡為核心，該運動控制卡可以驅(qū)動四路直流、步進或者直流無刷電動機，并可以實現(xiàn)不同驅(qū)動口所驅(qū)動的電動機的電子齒輪運動。本系統(tǒng)選用其中的兩個驅(qū)動口分別控制加載電動機和跑合電動機。另外，傳感器數(shù)據(jù)采集使用PCI8735數(shù)據(jù)采集卡。

步進電動機通常采用開環(huán)控制，對于跑合電動機，由于負載轉(zhuǎn)矩較小，正常情況下電動機不會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，故采用開環(huán)控制。對于加載電動機，由于需要比較精確的壓力值，在步進電動機開環(huán)的情況下對壓力進行閉環(huán)控制，其控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。步進電動機控制是對其采用200細分，以使運動更平穩(wěn)。步進電動機步距角為1.8°，200細分后每個脈沖轉(zhuǎn)動1/40 000轉(zhuǎn)，加載絲杠的螺距為1 mm/轉(zhuǎn)，故理論上每次加載的最小單位為3.58×10-4N。

圖3 跑合平臺加載電動機控制框圖

2.3 軟件系統(tǒng)

跑合平臺的控制軟件為VC++6.0基于對話框所編寫的程序，主要有手動跑合和自動跑合兩大功能。軟件界面見圖4。

圖4 跑合平臺軟件界面

手動功能在改變載荷時需要手動輸入期望的載荷大小、跑合圈數(shù)等數(shù)據(jù)，整個過程中需要人的不斷參與。自動跑合在對每個軸承進行跑合時只需要讀入預先編寫的跑合條件文件，軟件即完成該軸承的跑合，完成后更換軸承組件進行下一個周期的跑合。自動跑合流程如圖5所示。

圖5 跑合平臺自動跑合流程圖

3 跑合試驗及分析

理想條件下，軸承運轉(zhuǎn)的軌跡為鋼球與套圈溝道點接觸形成的圓。在一定載荷下，鋼球和套圈接觸處發(fā)生變形，接觸面積變大，形成具有一定寬度的圓帶，同時由于軸承具有一定的彈性，跑合軌跡會沿軸承軸向發(fā)生一定的位移，載荷增加，位移變大。對于剛性預緊(即定位預緊)方式，軸承預緊力對溫度比較敏感，不同溫度下，剛性預緊軸承組件將工作在不同的預緊力下，軸承運動的軌跡也不同，所以對于剛性預緊軸承需要采用變預載的方式進行跑合。跑合過程中預載荷在一定范圍內(nèi)(大于軸承工作載荷范圍)有規(guī)律地變化，每個載荷值跑合后都會在軸承軸向的不同位置產(chǎn)生一條帶狀跑合軌跡，多條具有一定寬度的跑合軌跡形成寬度大于正常工作的跑合溝道的軌跡，使得軸承在正常使用時跑合溝道始終處于預先跑合過的軌跡內(nèi)。

由于變預載跑合過程中載荷變化是不連續(xù)的，如果載荷變化間距太小則影響跑合效率，而載荷變化間距太大則可能導致兩次跑合的帶狀軌跡間位移過大，產(chǎn)生間隙，形成多軌跡現(xiàn)象，無法滿足跑合要求。因此應根據(jù)不同型號的軸承剛度等因素合理制定變載荷跑合時的預載荷值。

跑合試驗必須保證軸承處在潔凈環(huán)境中，試驗選擇在萬級潔凈間中完成。在軸承跑合前，首先須對軸承各部件(內(nèi)、外圈、鋼球和保持架)進行精心地清洗和檢查，以保證跑合過程中溝道內(nèi)不會有雜物，然后將軸承組件安裝于跑合平臺后進行跑合。試驗使用S6706A軸承，其額定載荷為80 N，額定轉(zhuǎn)速為150 r/min。跑合過程中載荷隨時間先增加后減小，包含軸承加載和卸載的過程。跑合完成的標記為軸承的摩擦力矩變小且波動減小，因此一般要求軸承跑合裝置需要實時采集軸承的摩擦力矩信息。但由于本跑合軸承的軸向載荷超出一般摩擦力矩儀的范圍，故文中對軸承進行跑合時是按照經(jīng)驗給定的跑合轉(zhuǎn)數(shù)。跑合過程如表2所示。

表2 S6706A軸承跑合過程

加載電動機對軸承施加期望大小的載荷后停止工作，跑合電動機開始跑合。軸承跑合時采用加速跑合方式，以減少跑合時間，提高跑合效率。在每次改變負載后，跑合電動機以300 r/min的轉(zhuǎn)速驅(qū)動軸承正、反向旋轉(zhuǎn)各跑合一定的圈數(shù)，實際跑合速度曲線如圖6所示。跑合完成后同樣需要對軸承進行清洗，以去除跑合剝落的柱狀層。

圖6 跑合過程中速度曲線

圖7所示為跑合后的軸承外圈溝道表面60倍顯微組織。圖7中間亮色帶狀區(qū)域為跑合后的軸承溝道，兩側(cè)淺色為MoS2基體顏色。由圖可知，通過加載跑合，軸承的MoS2固體潤滑膜致密層外露，且未露出軸承底材，內(nèi)圈溝道變得光亮，表面粗糙度變好；而預載荷范圍外的地方則保持原來顏色和性質(zhì)。另外，跑合區(qū)未出現(xiàn)多軌跡現(xiàn)象，跑合效果良好。

圖7 放大60倍的外圈溝道

4 結(jié)束語

文中設(shè)計的變預載軸承跑合系統(tǒng)可滿足航天用軸承的跑合要求。通過跑合，軸承固體潤滑膜的潤滑效果得以改善，進而提高了軸承工作的可靠性。但設(shè)計的軸承跑合系統(tǒng)中無法實時采集軸承的摩擦力矩，因而可能出現(xiàn)軸承過跑合或者跑合不夠的情況，而經(jīng)驗給定的跑合圈數(shù)對于不同的軸承不可能完全適宜。對于跑合不夠的軸承，再次進行跑合后可以得到改善，而對于過跑合軸承則無法進行補償，過跑合的軸承會降低軸承的使用壽命。因此，下一步的改進工作將圍繞在實時檢測軸承的摩擦力矩上，使跑合裝置得到進一步地完善。