一種旋轉(zhuǎn)失重模擬試驗裝置設(shè)計

黃 強(qiáng)，荊 江，王佳南，胡 鑫，高 越

（1. 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076； 2. 北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

0 引言

在部分航天產(chǎn)品的地面性能參數(shù)檢測中，需要檢驗其在自旋失重狀態(tài)下的性能參數(shù)是否滿足設(shè)計需求。傳統(tǒng)檢驗方法受限于使產(chǎn)品達(dá)到自旋失重狀態(tài)的裝置研制困難以及自旋失重試驗實施過程復(fù)雜，往往分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和失重模擬環(huán)境下的產(chǎn)品試驗檢測，導(dǎo)致環(huán)境模擬不夠真實全面，不能充分暴露產(chǎn)品設(shè)計缺陷和錯誤。

工程應(yīng)用上一般通過轉(zhuǎn)臺來實現(xiàn)產(chǎn)品自旋環(huán)境模擬，但是轉(zhuǎn)臺無法實現(xiàn)產(chǎn)品失重環(huán)境的模擬。常用的旋轉(zhuǎn)裝置一般是兩端對轉(zhuǎn)軸約束，此類裝置旋轉(zhuǎn)精度較高，轉(zhuǎn)速高，但難以再增加失重環(huán)境模擬機(jī)構(gòu)。另有一種轉(zhuǎn)軸一端不受約束的單端承載旋轉(zhuǎn)裝置，因其在加工和裝配中如存在細(xì)微誤差即可導(dǎo)致產(chǎn)品在轉(zhuǎn)動過程中不同軸，或如產(chǎn)品存在偏心問題則可使轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)軸系產(chǎn)生較大的偏心力，且偏心力會隨著產(chǎn)品質(zhì)量和轉(zhuǎn)速的增大而增大，而過大的離心力易對軸系和產(chǎn)品自身造成失穩(wěn)破壞，所以此類旋轉(zhuǎn)裝置對設(shè)計精度和加工精度的要求很高。但另一方面，單端承載旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)軸的另外一端不存在約束，因而比較容易增加失重環(huán)境模擬機(jī)構(gòu)。

使物體產(chǎn)生自由落體是模擬失重環(huán)境的常用手段，因此可以采取將自旋狀態(tài)下的產(chǎn)品釋放的方式使產(chǎn)品同時處于旋轉(zhuǎn)和失重狀態(tài)。目前我國未見可實現(xiàn)產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)和平穩(wěn)釋放的機(jī)構(gòu)。為此，需要研制一種旋轉(zhuǎn)釋放裝置，以實現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中迅速釋放產(chǎn)品的同時，還確保產(chǎn)品在下落過程中不發(fā)生大角度傾斜。

1 旋轉(zhuǎn)失重試驗裝置設(shè)計要求和設(shè)計思路

旋轉(zhuǎn)失重試驗裝置需要滿足質(zhì)量≥300 kg、長度0.5～1 m、直徑0.8～1.5 m 的圓柱形產(chǎn)品以轉(zhuǎn)速≥3.5 r/s 穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)；產(chǎn)品在旋轉(zhuǎn)過程中能被平穩(wěn)迅速釋放，且釋放過程中其水平傾斜度≤5°；在產(chǎn)品轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)動下落失重過程中，地面控制信號通過滑環(huán)可傳輸至轉(zhuǎn)動的產(chǎn)品上。

裝置設(shè)計思路（如圖1 所示）是根據(jù)自旋和失重兩個狀態(tài)將旋轉(zhuǎn)失重試驗裝置分解成單端承載旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動平穩(wěn)釋放機(jī)構(gòu)兩部分，且單獨進(jìn)行設(shè)計。單端承載旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)要求能保證產(chǎn)品穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動平穩(wěn)釋放機(jī)構(gòu)連接在單端承載旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的自由端，要求既能可靠地連接產(chǎn)品還可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的傳遞；當(dāng)產(chǎn)品達(dá)到指定轉(zhuǎn)速并接收到釋放信號后，可在極短時間內(nèi)釋放轉(zhuǎn)動的產(chǎn)品，且不能對產(chǎn)品造成額外擾動，保證產(chǎn)品下落平穩(wěn)。此外，釋放機(jī)構(gòu)需有較高的剛度，能保證產(chǎn)品同軸轉(zhuǎn)動，在偏心力作用下不發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。因此產(chǎn)品的轉(zhuǎn)動平穩(wěn)釋放是該裝置設(shè)計的關(guān)鍵之一。設(shè)計的旋轉(zhuǎn)失重試驗裝置如圖2 所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)失重試驗裝置設(shè)計思路Fig. 1 The design philosophy of the rotation and weightlessness test device

圖2 旋轉(zhuǎn)失重試驗裝置設(shè)計示意Fig. 2 Schematic diagram of the rotation and weightlessness test device

2 單端承載旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

單端承載旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由減速電機(jī)、變頻控制器、軸、軸承座、軸承、聯(lián)軸器及連接工裝等零部件組成，根據(jù)任務(wù)要求對各零部件進(jìn)行選型和設(shè)計。其中，由軸、軸承座和軸承組成的軸系在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中至關(guān)重要，需要滿足單端承載和轉(zhuǎn)動平穩(wěn)的要求。

2.1 電機(jī)選擇

產(chǎn)品轉(zhuǎn)動慣量60 kg·m，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)動摩擦力和外界阻力均較小，按減速電機(jī)啟動至指定轉(zhuǎn)速210 r/min 所需要時間計算出的電機(jī)功率如表1 所示，其中摩擦力矩按2 倍的安全系數(shù)計算。

表1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)計算Table 1 Calculation of rotation mechanism

由表1 可見，減速電機(jī)的扭矩遠(yuǎn)大于摩擦力矩。考慮加速至穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的時間、安裝空間及可選用的電機(jī)型號，選擇某公司生產(chǎn)的KF77 型號電機(jī)作為動力裝置，其功率為7.5 kW，扭矩為333 N·m。電機(jī)啟動和轉(zhuǎn)速由變頻器進(jìn)行控制，最大可實現(xiàn)4.1 r/s的轉(zhuǎn)速輸出。

2.2 軸系設(shè)計

可將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的軸理想化為旋轉(zhuǎn)懸臂梁。在旋轉(zhuǎn)過程中軸的強(qiáng)度需要大于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏心力、產(chǎn)品重力和扭矩三者作用在軸上的應(yīng)力之和?？紤]產(chǎn)品重力和扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力相較偏心力產(chǎn)生的彎矩很小，因此在軸直徑選取上主要考慮彎曲應(yīng)力。圓型截面的剖面模數(shù)和慣性矩分別為

式中為軸直徑。選用的軸材料為45#鋼，其屈服強(qiáng)度為355 MPa，許用安全系數(shù)[]取0.5，則其允許在產(chǎn)品重心位置處產(chǎn)生的偏移量為

DS18B20的所有處理都是從初始化開始的，初始化是單片機(jī)將總線拉低480μs然后釋放總線，DS18B20檢測到上升沿后再等待15～60μs后拉低總線，說明器件存在，拉低持續(xù)時間為60～240μs。

式中：為產(chǎn)品重心到軸端部的距離，取0.8 m；為產(chǎn)品質(zhì)量，取400 kg；為轉(zhuǎn)速，3.5 r/s。

按梁簡化計算得出最大允許偏移量所產(chǎn)生的離心力在產(chǎn)品重心處所產(chǎn)生的撓度為

計算不同軸徑的Δ和并進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3 所示。可見，當(dāng)軸徑＞0.04 m 時，允許偏移量始終大于最大撓度。為滿足設(shè)計要求，經(jīng)綜合考慮，選擇軸徑為0.05 m。

圖3 不同軸徑的偏移量和最大撓度Fig. 3 The offset and the maximum deflection for different shaft diameters

根據(jù)選擇的軸徑，對軸系中的深溝球軸承和推力軸承進(jìn)行選擇，考慮軸承裝配工藝，分別對軸和軸承座進(jìn)行設(shè)計。

軸設(shè)計中，考慮到聯(lián)軸器與軸、軸承與軸之間存在緊配合，為方便安裝可以將軸設(shè)計成變截面軸；推力軸承的上片內(nèi)徑小于下片，上片與軸為過盈配合，下片與軸為間隙配合。

為方便軸承的安裝，軸承座可以設(shè)計成上粗下細(xì)的變截面。推力軸承上片為轉(zhuǎn)動部件，應(yīng)保證其與軸承座為間隙配合；下片為不動部件，應(yīng)保證其與軸承座為過盈或者過渡配合。為保證軸系旋轉(zhuǎn)的同軸度和平穩(wěn)度，應(yīng)在軸系上下端各安裝一個徑向軸承。

軸系的設(shè)計如圖4 所示。

圖4 軸與軸承座組裝示意Fig. 4 Schematic diagram of assembly of shaft and bearing seat

2.3 軸系轉(zhuǎn)動應(yīng)力參數(shù)仿真

為對變截面軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核，利用ABAQUS軟件按照設(shè)計尺寸建立軸的模型，在低速旋轉(zhuǎn)、小變形情況下，忽略軸向位移對橫向振動的影響。將2 個徑向軸承和1 個止推軸承分別簡化成剛體，邊界均為剛性固定，選擇軸承與軸的摩擦系數(shù)為0.001。產(chǎn)品為剛體模型，質(zhì)量400 kg，轉(zhuǎn)動慣量為60 kg·m，質(zhì)心為(0 m, 0.001 m, -0.5 m)，坐標(biāo)原點為軸下端面中心點。模型裝配如圖5 所示。施加轉(zhuǎn)動角速度21 rad/s，軸系應(yīng)力參數(shù)計算結(jié)果如圖6 所示。可見，變截面軸下端與產(chǎn)品連接處應(yīng)力最大，為252 MPa，此外軸承安裝處應(yīng)力也較大。仿真結(jié)果表明，最大應(yīng)力小于軸強(qiáng)度，說明軸設(shè)計滿足要求。

圖5 轉(zhuǎn)動模型裝配圖Fig. 5 Assembly picture of the rotating model

圖6 軸系應(yīng)力參數(shù)計算結(jié)果Fig. 6 Calculation results of axial stress parameters

3 轉(zhuǎn)動平穩(wěn)釋放機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)動平穩(wěn)釋放機(jī)構(gòu)需要能連接和釋放產(chǎn)品，并保證在連接產(chǎn)品時轉(zhuǎn)動穩(wěn)定?，F(xiàn)在普遍采用火工品裝置進(jìn)行產(chǎn)品連接和解鎖，但這種分離裝置在爆炸解鎖的瞬間會釋放大量化學(xué)能，從而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的沖擊，且不可重復(fù)使用。目前試驗中常用的非火工解鎖裝置有電磁鐵和機(jī)械式釋放鉤。傳統(tǒng)電磁鐵需要一直通電，在轉(zhuǎn)動過程中可靠性較低。機(jī)械釋放鉤則在使用前通過機(jī)械方式鎖緊連接物，通電后由電磁力迅速打開機(jī)械鎖緊鉤，這種方式比傳統(tǒng)電磁鐵工作可靠性高，承載大。因此選用機(jī)械式釋放鉤作為釋放機(jī)構(gòu)的主要部件。

釋放機(jī)構(gòu)的設(shè)計參照2010 年發(fā)射的UNITEC-1立方星使用的包帶連接釋放裝置。該裝置包帶兩端通過螺栓相連，釋放時螺栓松開，包帶解鎖釋放衛(wèi)星，通過下法蘭中的圓柱彈簧推動實現(xiàn)納星釋放；為了防止納星自旋，通過納星本體下面的4 根圓柱對納星進(jìn)行導(dǎo)向。本文設(shè)計對該裝置進(jìn)行了改進(jìn)，通過釋放鉤和圓柱桿實現(xiàn)連接、傳動、釋放和平穩(wěn)功能?？紤]到若是單鉤連接則產(chǎn)品仍具有5 個自由度，而雙鉤連接僅具有1 個自由度，更有利于產(chǎn)品穩(wěn)定，但雙鉤解鎖若不同步則會造成產(chǎn)品下落時傾斜，因此，選用2 個同型號、釋放間隔差＜2 ms 的釋放鉤，每個釋放鉤的靜態(tài)承載≥5×10kg。2 個釋放鉤分別與產(chǎn)品對接工裝通過“回字形”螺釘連接。

由于機(jī)械式釋放鉤只能提供一個方向的自由度約束，在轉(zhuǎn)動狀態(tài)下無法保證產(chǎn)品穩(wěn)定，所以設(shè)計一套平衡裝置來約束其余自由度。該平衡裝置利用作用力與反作用力平衡的思路，設(shè)計了4 根可調(diào)節(jié)支撐力的頂桿，其一端固定在轉(zhuǎn)動裝置法蘭上，另外一端插入與產(chǎn)品連接的法蘭上的鍵槽孔內(nèi)；4 根桿上的螺母用于調(diào)節(jié)產(chǎn)品的水平度，通過這4 根桿可實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)力矩傳遞并保證產(chǎn)品與軸系同心。試驗測量結(jié)果表明：軸下端圓跳度為0.02 mm，產(chǎn)品最下端的圓跳度為2 mm，該精度滿足設(shè)計要求。設(shè)計的平衡裝置克服了釋放鉤連接難以平穩(wěn)轉(zhuǎn)動的技術(shù)難點。

為了傳輸釋放鉤解鎖信號和產(chǎn)品上的火工品點火信號，在轉(zhuǎn)軸上安裝了一個12 通道的滑環(huán)，其額定轉(zhuǎn)速為1000 r/min，最大允許通過電流為40 A。轉(zhuǎn)動平穩(wěn)釋放機(jī)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 平穩(wěn)釋放機(jī)構(gòu)Fig. 7 The mechanism for stable release

4 試驗驗證

將單端承載旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動平穩(wěn)釋放機(jī)構(gòu)采用上下連接的形式裝配組成旋轉(zhuǎn)失重試驗裝置（如圖8 所示）。

圖8 旋轉(zhuǎn)失重試驗裝置Fig. 8 The rotation and weightlessness test device

為了驗證該裝置的設(shè)計是否可滿足實際應(yīng)用，開展了高速旋轉(zhuǎn)失重試驗。試驗在外場進(jìn)行。整個試驗系統(tǒng)由龍門架、旋轉(zhuǎn)失重試驗裝置、產(chǎn)品和產(chǎn)品回收裝置組成（如圖9 所示）。

圖9 試驗系統(tǒng)示意Fig. 9 Schematic diagram of the test system

在較高轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速大小與裝置的振動頻率成正比。如果振動頻率與其固有頻率接近，則會造成結(jié)構(gòu)共振，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。為了避免共振現(xiàn)象產(chǎn)生，可以通過增加基座質(zhì)量來降低裝置的固有頻率并且減小振幅。此外，若發(fā)生傾斜，則旋轉(zhuǎn)失重試驗裝置除受重力外，還會受到由重力產(chǎn)生的分量，會造成轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)，因此需要保證整個試驗系統(tǒng)的垂直度——安裝旋轉(zhuǎn)失重裝置時通過水平儀進(jìn)行檢測，在4 個安裝點通過厚度1 mm 的墊片進(jìn)行整個裝置垂直度的調(diào)節(jié)。

試驗中通過增大龍門架質(zhì)量來防止試驗系統(tǒng)的晃動。大跨度龍門架采用2 個質(zhì)量分別約為4×10kg 的鑄塊（3.5 m×1.5 m×0.35 m）為基座，在每個基座上安裝2 個高2 m、質(zhì)量2×10kg 的斜立柱，在2 個斜立柱上分別安裝1 根長1 m、質(zhì)量7×10kg 的直立柱，采用2 根長6.3 m 的梁和3 根長4.2 m 的立柱拼接組成1 根長12.6 m 的橫梁。此時整個龍門架的質(zhì)量約1.8×10kg，固有頻率約為9.7 Hz。但是若不增加基座，整個系統(tǒng)質(zhì)量僅為6×10kg，固有頻率為16.9 Hz。當(dāng)轉(zhuǎn)動速度為3.5 r/s時，由偏心產(chǎn)生的激振力頻率為21.98 Hz。因此，通過增加龍門架質(zhì)量降低了整個系統(tǒng)的固有頻率，有效避免了結(jié)構(gòu)共振發(fā)生。

在產(chǎn)品正下端鋪設(shè)產(chǎn)品回收裝置，與產(chǎn)品連接的法蘭和轉(zhuǎn)動法蘭之間連接2 根長1 m 的回收繩，當(dāng)產(chǎn)品落到回收裝置上后，控制電機(jī)在2 s 內(nèi)停止轉(zhuǎn)動，此時回收繩會纏繞在一起變成一根，這樣保證了產(chǎn)品不發(fā)生大角度傾倒?；厥绽K長度可以根據(jù)產(chǎn)品允許傾斜角度和落高進(jìn)行確定。

試驗時，首先利用旋轉(zhuǎn)失重試驗裝置將產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)至指定轉(zhuǎn)速；當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，控制系統(tǒng)在0 s 發(fā)出釋放鉤解鎖信號，產(chǎn)品自由下落，處于自旋失重環(huán)境；0.2 s 后對產(chǎn)品發(fā)出火工品起爆信號，隨后由回收繩對剩余產(chǎn)品進(jìn)行回收。側(cè)拍及俯拍高速攝像記錄的試驗過程顯示，產(chǎn)品轉(zhuǎn)動下落平穩(wěn)，傾斜角度未超過1°，達(dá)到了試驗任務(wù)要求。產(chǎn)品自旋失重試驗取得成功。

值得一提的是，試驗過程中在利用轉(zhuǎn)動平穩(wěn)釋放機(jī)構(gòu)的支撐桿調(diào)節(jié)產(chǎn)品水平度時，需要較長的時間，故對原支撐桿設(shè)計方案提出改進(jìn)，改成一個調(diào)節(jié)座的形式，如圖10 所示，這樣只需調(diào)節(jié)中間一根支撐桿便可以來調(diào)節(jié)水平度，從而可縮短試驗時間。

圖10 調(diào)節(jié)座Fig. 10 Adjusting seat

5 結(jié)束語

本文通過將單獨設(shè)計的單端承載旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動平穩(wěn)釋放機(jī)構(gòu)組合成一套單端承載旋轉(zhuǎn)失重試驗裝置，可以實現(xiàn)同時模擬產(chǎn)品自旋和失重兩種環(huán)境，成功完成了國內(nèi)首例高轉(zhuǎn)速航天產(chǎn)品自旋失重試驗，解決了傳統(tǒng)試驗將這兩種環(huán)境分開考核不夠真實有效的問題。試驗中發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)產(chǎn)品水平度的時間較長，為此對原設(shè)計方案進(jìn)行了改進(jìn)。