一種浮動(dòng)鎖銷式柔性氣浮組件的承載特性測(cè)試及分析

陳飛飛，王宏，許紅亮，黃利強(qiáng)，肖杰

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一種浮動(dòng)鎖銷式柔性氣浮組件的承載特性測(cè)試及分析

陳飛飛，王宏，許紅亮，黃利強(qiáng)，肖杰

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

為在空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)品集成與測(cè)試中合理使用氣浮組件，采用剛度試驗(yàn)臺(tái)模擬加載的方案對(duì)一種浮動(dòng)鎖銷式柔性氣浮組件的承載特性進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：浮動(dòng)鎖銷式柔性氣浮組件在未預(yù)壓縮狀態(tài)下，承載特性近似為線性彈簧壓縮模型；在預(yù)壓縮狀態(tài)下，初始承載特性近似為剛體，承載力超過(guò)氣浮組件的保持力后承載特性近似為線性彈簧壓縮模型。因此，為避免氣浮組件在承載過(guò)程中表現(xiàn)出的作用力與位移變化等特性對(duì)空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)特性、系統(tǒng)性能造成顯著的附加影響，氣浮組件在使用前應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品重力調(diào)節(jié)彈簧預(yù)壓縮量，并嚴(yán)格控制4組可調(diào)彈簧支撐組件的制造誤差；同時(shí)，在產(chǎn)品重力完全被卸載之前需要借助壓緊釋放機(jī)構(gòu)或剛性支撐工裝對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行約束。

空間機(jī)構(gòu)；微重力模擬；柔性氣浮組件；承載特性；測(cè)試試驗(yàn)

0 引言

空間機(jī)構(gòu)地面微重力模擬方法主要有跌落法、拋物線飛行法、水浮力法、氣浮法、懸吊法等[1]。其中氣浮法因結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)、對(duì)產(chǎn)品附加阻力小而被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星天線、太陽(yáng)電池陣、機(jī)械臂等空間機(jī)構(gòu)的微重力模擬展開(kāi)測(cè)試[1-3]。氣浮組件是氣浮法的關(guān)鍵執(zhí)行元件，主要由氣墊單元和支撐組件組成。氣墊單元上設(shè)計(jì)有通氣小孔，在供氣狀態(tài)下，氣墊單元與氣浮平臺(tái)之間會(huì)形成“氣膜”并保持一定剛度，通過(guò)支撐組件傳遞、托舉產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)空間機(jī)構(gòu)測(cè)試所需求的微重力模擬以及低阻尼運(yùn)動(dòng)。由于氣浮平臺(tái)平面度、水平度及氣浮平臺(tái)拼縫高度差的存在，產(chǎn)品展開(kāi)測(cè)試過(guò)程中氣浮組件支撐高度存在小幅度的波動(dòng)，而高剛度氣浮組件支撐高度的變化會(huì)引起作用力突變，產(chǎn)生附加阻尼，影響空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。此外，產(chǎn)品展開(kāi)測(cè)試過(guò)程中隨著機(jī)構(gòu)形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化，產(chǎn)品質(zhì)心位置會(huì)有小幅度變化，分配至氣浮組件上的承載力會(huì)有幾N至上百N的變化，將導(dǎo)致低剛度氣浮組件支撐高度的顯著變化，影響產(chǎn)品機(jī)械指向精度等系統(tǒng)性能。因此，有必要對(duì)氣浮組件承載特性進(jìn)行深入研究。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于剛性氣墊單元承載特性開(kāi)展了較多的研究：孫建輝等[4]基于氣體的運(yùn)動(dòng)方程、質(zhì)量連續(xù)性方程和狀態(tài)方程，對(duì)一種帶有均壓槽設(shè)計(jì)的環(huán)形剛性氣浮墊進(jìn)行建模，獲取了氣膜厚度與承載力之間的關(guān)系；董皓、張君安等[5-6]分別從試驗(yàn)與數(shù)值模擬角度系統(tǒng)分析了一種矩形空氣靜壓導(dǎo)軌氣浮墊的承載能力和剛度。而關(guān)于氣浮組件整體承載特性的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

本文結(jié)合工作原理以及不同工況下的加載測(cè)試，對(duì)一種浮動(dòng)鎖銷式柔性氣浮組件的整體承載特性進(jìn)行分析，獲取了彈簧預(yù)壓縮量、可調(diào)彈簧支撐組件制造誤差、氣墊氣膜厚度變化等因素對(duì)卸載前后產(chǎn)品狀態(tài)的附加影響規(guī)律，可為制定柔性氣浮組件使用規(guī)范并使其合理地應(yīng)用于空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)品微重力展開(kāi)測(cè)試提供參考。

1 浮動(dòng)鎖銷式柔性氣浮組件結(jié)構(gòu)和工作原理

為避免產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于氣浮組件支撐高度變化引起作用力突變，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)卡滯，要求氣浮組件具備一定的柔性自適應(yīng)能力。本文研究的一種柔性氣浮組件結(jié)構(gòu)（如圖1所示）主要由高剛度氣墊、產(chǎn)品連接板以及周向均布的4組可調(diào)彈簧支撐組件組成。其中可調(diào)彈簧支撐組件采用“彈簧?浮動(dòng)鎖銷”的柔性結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)鎖緊螺母調(diào)節(jié)彈簧壓縮量可以使氣浮組件具備一定程度的保持力。產(chǎn)品測(cè)試過(guò)程中當(dāng)分配至氣浮組件上的力小于此保持力時(shí)，依靠浮動(dòng)軸與導(dǎo)向軸之間的鎖銷定位，可以保證產(chǎn)品連接板與氣墊之間的高度保持不變，進(jìn)而保證氣浮組件支撐高度不變，保障產(chǎn)品測(cè)試精度；當(dāng)分配至氣浮組件上的力略大于此保持力時(shí)，產(chǎn)品連接板推動(dòng)4根浮動(dòng)軸沿著導(dǎo)向軸向下進(jìn)一步壓縮彈簧，使得產(chǎn)品與氣浮組件之間的作用力不會(huì)產(chǎn)生突變，保證展開(kāi)順暢。

2 承載特性測(cè)試方案

氣浮組件在承載過(guò)程中所表現(xiàn)出的作用力與位移變化等特性將直接影響空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性以及系統(tǒng)性能。為對(duì)浮動(dòng)鎖銷式柔性氣浮組件的承載特性進(jìn)行測(cè)試，采用剛度試驗(yàn)臺(tái)對(duì)氣浮組件的連接板進(jìn)行模擬加載，模擬展開(kāi)測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)品施加的負(fù)載，如圖2所示。加載過(guò)程為勻速加載，氣浮組件的位移量變化通過(guò)布置在連接板兩端的2個(gè)位移傳感器進(jìn)行采集，加載力通過(guò)剛度試驗(yàn)臺(tái)自帶的壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中，位移傳感器的分辨率為0.001mm，力傳感器分辨率為0.01N。

圖2 氣浮組件加載測(cè)試方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 未預(yù)壓縮狀態(tài)下的氣浮組件承載特性

浮動(dòng)鎖銷式柔性氣浮組件整體結(jié)構(gòu)基于4根彈簧并聯(lián)壓縮模型。對(duì)同一批次的4根彈簧分別進(jìn)行單向壓縮剛度系數(shù)測(cè)試，通過(guò)自由加載獲取其承載曲線（如圖3所示），加載速率為2mm/min。由圖3可見(jiàn)，這4根彈簧的承載曲線的線性擬合值都達(dá)到0.9996以上，說(shuō)明它們的彈簧剛度系數(shù)穩(wěn)定，剛度系數(shù)約為36.74N/mm，剛度偏差約4.7%。

采用該批次彈簧組裝氣浮組件，在彈簧未預(yù)壓縮狀態(tài)下，通過(guò)剛度臺(tái)對(duì)氣浮組件連續(xù)進(jìn)行3次加載，獲得氣浮組件的承載曲線，如圖4所示。由圖可見(jiàn)，浮動(dòng)鎖銷式柔性氣浮組件在未預(yù)壓縮狀態(tài)下的承載特性近似為標(biāo)準(zhǔn)的線性彈簧壓縮模型，剛度系數(shù)穩(wěn)定。由于氣墊組件在承受負(fù)載下壓過(guò)程中導(dǎo)向軸與彈簧、浮動(dòng)軸之間會(huì)產(chǎn)生摩擦，所以浮動(dòng)鎖銷式柔性氣浮組件的實(shí)際整體結(jié)構(gòu)剛度為172.3N/mm，略大于4根彈簧并聯(lián)組合后的理論剛度146.96N/mm。因此，實(shí)際彈簧預(yù)壓縮量的確定應(yīng)以氣浮組件整體實(shí)測(cè)剛度數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，以提高氣浮組件整體卸載精度。

3.2 不同預(yù)壓縮量下的氣浮組件承載特性

氣浮組件的可調(diào)彈簧支撐組件采用了“彈簧-浮動(dòng)鎖銷”的柔性結(jié)構(gòu)形式，以適應(yīng)不同重量產(chǎn)品的卸載需求。對(duì)不同彈簧預(yù)壓縮量下的氣浮組件進(jìn)行加載試驗(yàn)，加載速率為0.5mm/min，彈簧預(yù)壓縮量依次為3、5、7mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5可看出，不同彈簧預(yù)壓縮量下，氣浮組件的承載曲線的整體變化趨勢(shì)一致，大致可分為2段：第1段剛度較大，第2段剛度接近自由狀態(tài)，曲線拐點(diǎn)處的加載力值即氣浮組件的最大保持力。當(dāng)加載力小于最大保持力時(shí)，氣浮組件的承載特性近似于剛體；當(dāng)加載力大于最大保持力后，氣浮組件的承載特性近似為線性彈簧壓縮模型。

因此，為避免因高剛度可能帶來(lái)的作用力突變導(dǎo)致產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)卡滯以及氣浮組件卸載前后位移量變化太大而影響產(chǎn)品裝配精度，應(yīng)在氣浮組件使用前，根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際卸載力需求及氣浮組件整體實(shí)測(cè)剛度確定彈簧的預(yù)壓縮量，使產(chǎn)品卸載力與氣浮組件的保持能力相匹配。

3.3 不同制造誤差狀態(tài)下的氣浮組件承載特性

如圖1所示，氣浮組件采用周向均布的4組可調(diào)彈簧支撐組件連接氣墊與產(chǎn)品連接板，考慮到在同樣的彈簧壓縮量下、不同的可調(diào)彈簧支撐組件高度制造誤差可能會(huì)影響氣浮組件整體使用性能，選取2組不同制造誤差狀態(tài)的可調(diào)彈簧支撐組件進(jìn)行加載試驗(yàn)，加載速率為0.5mm/min。

試驗(yàn)前，將彈簧預(yù)壓縮量均調(diào)節(jié)為7mm，彈簧支撐組合A與組合B的可調(diào)彈簧支撐組件高度值參見(jiàn)表1。其中組合A的4組可調(diào)彈簧支撐組件高度較為一致（最大偏差0.06mm），組合B的制造偏差相對(duì)較大（最大偏差0.24mm）。加載試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

表1 可調(diào)彈簧支撐組件高度

從圖6可看出，可調(diào)彈簧支撐組件高度較為一致時(shí)（組合A）加載曲線分為2段：段加載力小于氣浮組件的保持力，氣浮組件近似于剛體；段加載力超過(guò)氣浮組件的保持力后，氣浮組件近似為線性彈簧壓縮模型?？烧{(diào)彈簧支撐組件高度一致性較差（組合B）時(shí)加載曲線分為4段：起始階段為3組彈簧受力狀態(tài)，在加載力未達(dá)到3組預(yù)壓縮彈簧形成的保持力前（段），氣浮組件表現(xiàn)為近似于剛體；加載力超過(guò)3組預(yù)壓縮彈簧形成的保持力后，3組彈簧被繼續(xù)壓縮，氣浮組件表現(xiàn)為段的線性彈簧壓縮模型；在第2階段末，第4組彈簧開(kāi)始受力，當(dāng)加載力未達(dá)到4組預(yù)壓縮彈簧形成的保持力前（段），氣浮組件依然表現(xiàn)為近似于剛體；加載力超過(guò)4組預(yù)壓縮彈簧形成的保持力后，彈簧被繼續(xù)壓縮，表現(xiàn)為段的近似線性彈簧壓縮模型。

彈簧支撐組合A在加載至其最大保持力1191.4N時(shí)僅發(fā)生0.033mm的位移，對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)附加影響甚微；而彈簧支撐組合B在加載至1191.4N時(shí)的對(duì)應(yīng)位移量則達(dá)到了0.311mm，將影響產(chǎn)品裝配精度、增加產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品展開(kāi)測(cè)試帶來(lái)不利影響。這種因制造誤差導(dǎo)致的4組彈簧未能在小位移下建立起理想工作模式的過(guò)渡狀態(tài)被稱為氣浮組件的空程?？臻g機(jī)構(gòu)產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)特性、系統(tǒng)性能對(duì)高度變化越敏感，空程所造成的附加影響越顯著。

因此，針對(duì)本文研究的浮動(dòng)鎖銷式柔性氣浮組件，必須對(duì)可調(diào)彈簧支撐組件的制造誤差進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免空程現(xiàn)象，提高產(chǎn)品展開(kāi)可靠性。

3.4 承載過(guò)程中的氣膜厚度變化特性

根據(jù)氣浮組件的工作原理，氣浮組件實(shí)際使用過(guò)程中需要供氣，在氣墊單元與氣浮平臺(tái)之間形成氣膜。研究表明，不同氣膜厚度下剛性氣墊對(duì)應(yīng)的承載能力不同[4-5]，因此在產(chǎn)品重力完全作用在氣浮組件的過(guò)程中，氣浮組件與氣浮平臺(tái)之間的膜厚會(huì)發(fā)生變化，而這一高度變化量可能會(huì)影響產(chǎn)品裝配精度，增加產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力。為研究氣浮組件在承載過(guò)程中的氣膜厚度變化特性，在供氣狀態(tài)下，采用圖2所示方案對(duì)氣浮組件進(jìn)行加載測(cè)試，氣壓為0.6MPa，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖7可看出，加載過(guò)程中氣膜厚度由0.3mm壓縮至0.1mm，然后逐漸穩(wěn)定，而這0.2mm的高度差將導(dǎo)致產(chǎn)品裝配精度發(fā)生變化。

為確保產(chǎn)品展開(kāi)試驗(yàn)的可靠性，必須制定合理的安裝工藝流程，在產(chǎn)品重力完全作用在氣浮組件之前，借助產(chǎn)品本身的壓緊釋放機(jī)構(gòu)[7]或剛性支撐工裝對(duì)產(chǎn)品高度狀態(tài)進(jìn)行剛性約束；然后再調(diào)整分配至氣浮組件上的支撐力，使得氣膜厚度調(diào)整至產(chǎn)品支撐力對(duì)應(yīng)的氣膜厚度范圍；之后方可進(jìn)行產(chǎn)品的氣浮展開(kāi)測(cè)試。

4 結(jié)論

1）浮動(dòng)鎖銷式柔性氣浮組件在未預(yù)壓縮狀態(tài)下承載特性近似為標(biāo)準(zhǔn)的線性彈簧壓縮模型，由于氣墊組件承受負(fù)載下壓過(guò)程中結(jié)構(gòu)摩擦的存在，氣浮組件的剛度會(huì)略大于4根彈簧并聯(lián)組合后的理論剛度，實(shí)際彈簧預(yù)壓縮量的確定應(yīng)以氣浮組件整體實(shí)測(cè)剛度數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，以提高氣墊組件的控制精度。

2）在預(yù)壓縮狀態(tài)下，浮動(dòng)鎖銷式柔性氣浮組件的初始承載特性近似為剛體；承載力超過(guò)氣浮組件的保持力后，承載特性近似為線性彈簧壓縮模型。不同預(yù)壓縮量下，氣浮組件對(duì)應(yīng)的保持力不同。為避免因高剛度可能帶來(lái)的作用力突變，氣浮組件在使用前應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品重量調(diào)節(jié)彈簧預(yù)壓縮量，使得產(chǎn)品重力與氣浮組件保持力相匹配。

3）多組可調(diào)彈簧支撐組件高度制造誤差將導(dǎo)致氣浮組件在承載過(guò)程中存在空程現(xiàn)象，影響產(chǎn)品展開(kāi)可靠性，故應(yīng)在使用前對(duì)彈簧支撐組件的高度制造誤差進(jìn)行嚴(yán)格控制及選配。

4）因逐漸加載過(guò)程中氣膜厚度會(huì)產(chǎn)生較大變化，應(yīng)明確氣浮組件安裝工藝流程，在產(chǎn)品重力完全卸載之前需借助產(chǎn)品自身壓緊釋放機(jī)構(gòu)或剛性支撐工裝對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行約束，然后再進(jìn)行氣膜厚度的調(diào)整，以避免影響產(chǎn)品展開(kāi)的可靠性。

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（編輯：張艷艷）

Experimental analysis of the bearing characteristics of a floating lockpin type flexible flotation device

CHEN Feifei, WANG Hong, XU Hongliang, HUANG Liqiang, XIAO Jie

(Shanghai Institute of Aerospace Systems Engineering, Shanghai 201109, China)

In order to use theflotation device reasonably in the product integration and the test of the space mechanism, the bearing characteristics of a floating lockpin type flexible flotation device are tested by using a stiffness test bed under an analog loading. The results show that the bearing characteristics of the flotation device can be approximated by a linear spring compression model for the flotation device not being pre-compressed. When the flotation device is pre-compressed, the bearing characteristics of the flotation device can be approximated by a rigid body in the initial stage. As the bearing capacity exceeds the holding force of the flotation device, the bearing characteristics of the flotation device can be approximated by a linear spring compression model. In order to avoid the serious influence of the change of force and displacement in the loading process of the flotation device on the motion characteristics and the system performance of the space mechanism, the spring pre-compression of the flotation device should be adjusted according to the gravity product before the flotation device is used. In addition, the manufacturing errors of four groups of adjustable spring support assemblies should be strictly controlled. Moreover, the product should be constrained by using a release mechanism or a rigid support device before the gravity of the product is completely balanced.

space mechanism; microgravity simulation; flexible flotation device; bearing characteristics; measurement and test

V416.8

A

1673-1379(2017)06-0631-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.06.010

陳飛飛（1988—），男，碩士學(xué)位，從事空間結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)集成測(cè)試研究工作。E-mail: 315401411@qq.com。

2017-05-10；

2017-11-22

上海航天技術(shù)研究院材料與工藝自主研發(fā)項(xiàng)目“平面SAR天線多環(huán)閉環(huán)鏈機(jī)構(gòu)裝配精度預(yù)測(cè)及調(diào)整技術(shù)研究”（編號(hào)：Z13065）