輕量化高阻尼飛輪輪體的研制及應(yīng)用

熊　美，唐宏亮，沈　峰，申振豐，汪　琦

(1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109；2.上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112)

輕量化高阻尼飛輪輪體的研制及應(yīng)用

熊美1，唐宏亮1，沈峰2，申振豐1，汪琦1

(1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109；2.上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112)

摘要：改變以往金屬輪體的單一設(shè)計(jì)模式，首次利用無(wú)間隙的先進(jìn)連接設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料和金屬材料的直接連接。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝制造技術(shù)研究，研制了輕量化、高阻尼及動(dòng)平衡穩(wěn)定的復(fù)合材料飛輪輪體，可以更好地減緩承受太空環(huán)境對(duì)產(chǎn)品帶來(lái)的振動(dòng)與沖擊以保護(hù)軸承。該輪體已成功應(yīng)用于某衛(wèi)星型號(hào)模樣產(chǎn)品，促進(jìn)了復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：連接；動(dòng)平衡；輕量化

在長(zhǎng)壽命、高可靠的衛(wèi)星控制系統(tǒng)平臺(tái)中，對(duì)于其姿軌控系統(tǒng)的主要姿控執(zhí)行部件動(dòng)量飛輪，需要解決的主要問(wèn)題是輕量化和長(zhǎng)壽命。占飛輪整體質(zhì)量近45%的輪體承擔(dān)了飛輪減重的主要任務(wù)，它是飛輪輸出角慣量的重要零件。目前，衛(wèi)星國(guó)產(chǎn)輪體均為一體式結(jié)構(gòu)，多采用高強(qiáng)度鋼制造。雖然該結(jié)構(gòu)形式能夠滿足角動(dòng)量要求，但是輪體的質(zhì)量偏大，很難滿足今后輕量化衛(wèi)星平臺(tái)使用要求，亟待研制一種輕量化、高阻尼抗振及動(dòng)平衡穩(wěn)定的輪體。本文根據(jù)復(fù)合材料本身的性能優(yōu)勢(shì)，改變以往金屬輪體的單一設(shè)計(jì)模式，通過(guò)突破復(fù)合材料與金屬材料的連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輪體的輕量化、高阻尼及動(dòng)平衡穩(wěn)定的目標(biāo)。

1輕量化、高阻尼輪體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1材料設(shè)計(jì)

輪轂采用硬質(zhì)鋁合金材料(鋁7075)，輪緣采用0Cr18Ni9Ti不銹鋼材料，輪輻采用碳纖維復(fù)合材料T300方格布/T700單向布。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，復(fù)合材料采用蔡吳準(zhǔn)則[1]：f12=-0.5。

1.2輪體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪體主要包括輻條個(gè)數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、鋪層、輪輻與輪轂的連接和輪輻外緣。復(fù)合材料輪輻又分為內(nèi)輻圈、輻條和外輻圈等3個(gè)部分。內(nèi)輻圈主要用來(lái)連接輪輻和輪轂，外輻圈是輪輻和輪緣的過(guò)渡連結(jié)。其中，內(nèi)、外輪輻圈采用T700單向纖維保證環(huán)向強(qiáng)度，輻條采用T300織物保證徑向的強(qiáng)度和鋪覆工藝性。

將中心鋁合金輪轂和復(fù)合材料輪輻共固化成型，將加熱后的不銹鋼輪緣套在復(fù)合材料輪輻外，進(jìn)行膠接裝配。該輪體設(shè)計(jì)質(zhì)量為2.97 kg，輪體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、輪體預(yù)留空間及外形尺寸均滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3有限元分析

對(duì)旋轉(zhuǎn)和重力共同作用的輪體變形和受力進(jìn)行分析，旋轉(zhuǎn)速度為7 500 r/min。分析結(jié)論如下。

1)最大位移在輪緣底部，為0.049 5 mm，與輪輻連接處的輪緣位移為0.029 mm，位移云圖如圖1所示。

2)不銹鋼輪緣的最大Mises應(yīng)力為80.67 MPa，在輪緣底部，低于材料屈服極限(>200 MPa)；鋁合金輪轂的最大Mises應(yīng)力為23.64 MPa，在固定孔內(nèi)側(cè)，但遠(yuǎn)低于材料屈服極限(>400 MPa)。

3)復(fù)合材料(CFRP)輪輻最大蔡吳指數(shù)僅為0.14(偏安全)，在輻條與外輻圈的連接部位的T300層中；CFRP輪輻沿纖維方向最大應(yīng)力為52.66 MPa，低于T700拉伸強(qiáng)度(2 097 MPa)；CFRP輪輻垂直纖維方向最大應(yīng)力為3.56 MPa，低于T700拉伸強(qiáng)度(42 MPa)；CFRP輪輻面內(nèi)最大剪應(yīng)力為2.9 MPa，低于T300縱橫剪切強(qiáng)度(37.6 MPa)。

圖1　位移云圖

由有限元分析結(jié)果可知，在旋轉(zhuǎn)和重力共同作用下，輪體變形和應(yīng)力都非常小，因此結(jié)構(gòu)偏安全。

2輕量化、高阻尼輪體制造技術(shù)

仿真設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)，認(rèn)為復(fù)合材料輪輻與內(nèi)、外幅圈之間的連接為連續(xù)固定連接。工藝實(shí)現(xiàn)時(shí)，復(fù)合材料輪輻與內(nèi)輻圈和輻條由碳纖維布一體裁剪，為一體結(jié)構(gòu)；而輻條的鋪層通過(guò)錯(cuò)層插入的方式與外幅圈連接，即在外幅圈的鋪層中間隔層插入輻條的鋪層，達(dá)到一定的插入寬度。外輻圈纏繞構(gòu)成輻條的纖維布要翻起來(lái)覆蓋在纏繞層外成為整體，同時(shí)，在鋁合金輪轂上加開(kāi)溝槽，溝槽內(nèi)鋪放纖維，確保旋轉(zhuǎn)過(guò)程中扭矩或剪力的有效傳遞，并采用共固化的方式成型；因此，產(chǎn)品的實(shí)際連接強(qiáng)度與仿真時(shí)的固定連接極為接近。

2.1輪輻與鋁合金輪轂的連接技術(shù)

輕量化、高阻尼飛輪輪體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。在鋁合金輪轂上制作了很多內(nèi)寬外窄的倒梯形凹槽，由此增加輪輻與輪轂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。另外，對(duì)輪輻進(jìn)行裁布時(shí)，預(yù)留與輪輻接觸處的凸臺(tái)，形成與輪轂倒梯形槽相互配合的結(jié)構(gòu)。將原本僅由樹(shù)脂面內(nèi)剪切強(qiáng)度所控制的界面強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為由復(fù)合材料整個(gè)橫截面上的剪切強(qiáng)度所控制，而后者一般為前者的4～5倍；因此，通過(guò)界面形式的設(shè)計(jì)，大大提高了輪輻與輪轂共固化成型時(shí)的界面強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了輪輻與輪轂之間的有效連接。

圖2　輕量化、高阻尼飛輪輪體設(shè)計(jì)圖

2.2輪輻與不銹鋼輪緣的連接技術(shù)

復(fù)合材料輪輻與金屬輪緣的連接主要分為機(jī)械連接、膠接和二者兼有的混合連接。本文確定為熱緊配-膠接的混合連接模式：將外側(cè)的不銹鋼進(jìn)行加熱，使其發(fā)生膨脹，以便將復(fù)合材料輪輻壓入輪緣內(nèi)。

2.2.1輪緣加熱溫度的確定

過(guò)盈配合的過(guò)盈量δi：

δi=αR(T-T0)-t

(1)

式中，α是金屬輪緣的熱膨脹系數(shù)，α=11×10-6；R是輪緣半徑；T是加熱溫度；T0是室溫；t是輪輻壓入輪緣所需的間隙。

1)由變形計(jì)算過(guò)盈量。結(jié)合上述有限元分析，輪緣和輪轂之間的結(jié)合變形為0.029 mm，為了保證飛輪在臨界轉(zhuǎn)速的條件下，僅依靠預(yù)緊力的作用保持良好連接，過(guò)盈量應(yīng)>0.029 mm。

2)由裝配過(guò)盈量、工作溫度計(jì)算加熱溫度。輪體工作溫度最高達(dá)90 ℃，當(dāng)t取0.1 mm時(shí)，由式1計(jì)算得T≈200 ℃。

2.2.2連接可靠性驗(yàn)證

1)過(guò)盈量計(jì)算。當(dāng)工作溫度為25～90 ℃時(shí)，由式1計(jì)算得到，實(shí)際裝配后有效過(guò)盈量滿足δi≥0.009 mm。

2)壓緊力計(jì)算。徑向位移表達(dá)式[2]為：

(2)

式中，r是半徑變量；E是彈性模量；ν是泊松比；u是徑向位移；p0與p分別是連接件的內(nèi)、外接觸面應(yīng)力；a與b分別是連接件的內(nèi)、外半徑。

復(fù)合材料組合輪體的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　輪體材料參數(shù)

由式2計(jì)算得輪緣內(nèi)徑位移為：

式中，r1是輪緣外半徑；r2是接觸面半徑。

由式2計(jì)算得輪輻外徑位移為：

式中，r3是輪輻內(nèi)半徑。

裝配過(guò)盈量為δi=u1_in-u2_ex=1.447p1e-4(m)，則輪緣與輪輻接觸面應(yīng)力為p1=6.910 8e3δi≥0.062 (MPa)，壓緊力為Fτ=p1S≥569 (N)。

根據(jù)上述有效過(guò)盈量、有效壓緊力的計(jì)算，確定輪緣的加熱溫度T為200 ℃，當(dāng)降至工作溫度時(shí)，輪緣發(fā)生顯著收縮，而復(fù)合材料輪輻幾乎不發(fā)生收縮，由兩者的熱變形差異產(chǎn)生壓緊力，實(shí)現(xiàn)了熱緊配連接，保證了縱向連接的可靠性。

2.2.3膠接連接模式

當(dāng)輪體在n=6 000r/min最高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的慣性力為Fr=-mω2r，則：

式中，σr是剪切強(qiáng)度；S是接觸面積。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，使用的航天專業(yè)膠產(chǎn)生的膠接力>15 MPa，滿足使用要求，保證了橫向連接的可靠性。

2.3輕量化、高阻尼輪體制造

通過(guò)模壓成型將復(fù)合材料輪輻和鋁合金輪轂進(jìn)行一體化成型，將涂有航天專業(yè)粘合劑復(fù)合材料輪輻用壓機(jī)壓入加熱至200 ℃的不銹鋼輪緣中成型。輕量化、高阻尼飛輪輪體如圖3所示。

圖3　輕量化、高阻尼飛輪輪體

3輕量化組合輪體性能測(cè)試

1)裝入飛輪組件后，進(jìn)行正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，未發(fā)生失效，輪體剛度和強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖4所示。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，研制的輪體放大倍數(shù)3倍，與目前型號(hào)上應(yīng)用的金屬輪體(放大倍數(shù)7～10)相比，具有顯著的阻尼減振特性，可以更好地減緩承受的振動(dòng)和沖擊，對(duì)內(nèi)部組件軸承具有更好的保護(hù)作用。

圖4　隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)曲線

2)經(jīng)過(guò)熱真空測(cè)試，輪體經(jīng)受了在高溫60 ℃的環(huán)境下，以±20 Nms角動(dòng)量按正弦周期波動(dòng)方式，在±6 000 r/min之間來(lái)回加、減速考核，未發(fā)生震顫或失效，性能達(dá)標(biāo)。

3)研制的輪體被裝入電動(dòng)機(jī)一起進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試，殘余動(dòng)不平衡指標(biāo)達(dá)到0.218 g·cm2，滿足設(shè)計(jì)要求，該指標(biāo)達(dá)到同類輪體的國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。

4)輕量化輪體質(zhì)量實(shí)測(cè)為2.98 kg，質(zhì)量減輕15%，滿足型號(hào)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)與制造。

綜上所述，研制的輪體具有輕量化、高阻尼抗振性及動(dòng)平衡穩(wěn)定的特性，達(dá)到了預(yù)期的研制目標(biāo)。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念以及工藝制造方法，突破了復(fù)合材料與金屬的連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輪體的輕量化設(shè)計(jì)與制造。研制的輕量化、高阻尼飛輪輪體具有輕量化、動(dòng)平衡穩(wěn)定以及高阻尼抗振特性，可以更好地減緩承受的太空環(huán)境對(duì)產(chǎn)品帶來(lái)的振動(dòng)與沖擊，以保護(hù)內(nèi)部軸承組件，已成功應(yīng)用于某衛(wèi)星型號(hào)模樣產(chǎn)品，為上海航天控制技術(shù)研究所飛輪產(chǎn)品減重難題提出了很好的解決方向，也促進(jìn)了復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈真.復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2011.

[2] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1992.

責(zé)任編輯鄭練

Research and Application of the Lightweight and High-damping Flywheel Body

XIONG Mei1, TANG Hongliang1, SHEN Feng2, SHEN Zhenfeng1, WANG Qi1

(1.Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology, Shanghai 201109, China;

2.Shanghai Composites Science & Technology Co., Ltd., Shanghai 201112, China)

Abstract：The design pattern of the past single metal wheel body has been changed, making use of the connection with no clearance design concept, and breaking the connection technology of composites wheel rib and stainless steel of wheel rim. Through optimizing the structure change and craft manufacturing technology research, develop lightweight flywheel wheel body that has lightweight and the stability of dynamic balance and high damping, and can better slow down vibration and shock under the space environment in order to protect the bearings. The flywheel body has been successfully applied to the flywheel of some satellite, solve the problem of lightweight for the flywheel, and promot applications of the composite material in the field of aerospace.

Key words:connect, dynamic balance, lightweight

收稿日期：2015-04-27

作者簡(jiǎn)介：熊美(1978-)，女，副主任工藝師，高級(jí)工程師，碩士，主要從事衛(wèi)星產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TB 33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B