空間機(jī)構(gòu)用推力滾針軸承摩擦阻力矩分析

田昀，王曉北，劉立成，謝文，李咚咚

(1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；2.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

1 引言

針對(duì)目前航天任務(wù)中連接環(huán)節(jié)多，火工品多，沖擊大等問題，設(shè)計(jì)了一種非火工、低沖擊連接和分離裝置(簡(jiǎn)稱分離裝置)，該裝置是一種基于能量正交轉(zhuǎn)換原理的記憶合金(Shape Memory Alloys， SMA)觸發(fā)分離裝置，如圖1所示，主要由SMA觸發(fā)機(jī)構(gòu)和連接分離機(jī)構(gòu)兩部分組成。SMA觸發(fā)機(jī)構(gòu)用SMA絲提供觸發(fā)力，再通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)依次釋放和傳遞驅(qū)動(dòng)力矩，從而解除對(duì)非自鎖分離螺母的限位。連接分離機(jī)構(gòu)則是裝置中承載連接力約束的功能執(zhí)行部件，由主承力螺桿和分離螺母組成非自鎖梯形螺紋副配合[1]。

當(dāng)分離螺母解除限位后，螺母旋轉(zhuǎn)推動(dòng)主承力螺桿沿分離方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)被連接件的分離，工作原理如圖2所示。根據(jù)分離裝置承載力要求選用AXK4565型推力滾針軸承作為分離螺母的軸向支承軸承， 推力滾針軸承的摩擦阻力會(huì)阻礙解鎖狀態(tài)下分離螺母的回轉(zhuǎn)，從而影響解鎖時(shí)間、分離沖擊等分離性能?；趥鹘y(tǒng)計(jì)算方法得到的軸承摩擦阻力矩是定值，但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)不同工況下的摩擦阻力矩不同，這會(huì)影響機(jī)構(gòu)裝置解鎖動(dòng)作的穩(wěn)定性與可靠性。在此基于分離裝置中推力滾針軸承摩擦阻力矩的產(chǎn)生機(jī)理，建立摩擦阻力矩計(jì)算模型，并結(jié)合試驗(yàn)對(duì)摩擦阻力矩進(jìn)行分析。

1—SMA觸發(fā)機(jī)構(gòu)；2—連接組件；3—主承力螺桿；4—推力滾針軸承；5—飛輪螺母。

(a)壓緊狀態(tài) (b)分離狀態(tài)

2 推力滾針軸承摩擦阻力矩理論計(jì)算

2.1 產(chǎn)生機(jī)理

軸承摩擦阻力矩會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率，給系統(tǒng)帶來不必要的能量損失。對(duì)于航天器空間環(huán)境的特殊性，分離裝置用推力滾針軸承常采用的潤滑方式為軸承座圈表面粘接MoS2形成固體潤滑膜。根據(jù)其潤滑方式，該軸承摩擦阻力矩主要包括[2]：1)滾針與滾道之間因材料的彈性滯后引起的摩擦阻力矩；2)滾針與滾道之間的相對(duì)滑動(dòng)引起的摩擦阻力矩；3)滾針與保持架之間的接觸引起的摩擦阻力矩。

2.2 理論計(jì)算模型

2.2.1 運(yùn)動(dòng)分析

在解鎖狀態(tài)下，軸承座圈與殼體處于靜止?fàn)顟B(tài)，其角速度ωh=0，軸圈隨分離螺母以角速度ωs轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)帶動(dòng)滾針以角速度ωr繞自身軸線自轉(zhuǎn)。滾針與軸圈和座圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)分別如圖3和圖4所示[3]，圖中：r為滾針半徑，Lwe為滾針有效長(zhǎng)度，ri，re分別為軸承軸線距滾針的最短和最長(zhǎng)半徑，ωc為滾針與保持架的公轉(zhuǎn)角速度。根據(jù)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，可得軸圈速度v1、滾針在半徑y(tǒng)處的速度v2分別為

v1=yωs，

(1)

v2=rωr+yωc。

(2)

圖3 滾針與軸圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖

圖4 滾針與座圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖

滾針與軸圈的相對(duì)滑動(dòng)速度為

vs=yωs-(rωr+yωc)，

(3)

滾針與座圈的相對(duì)滑動(dòng)速度為

vh=yωc-rωr。

(4)

在滾動(dòng)過程中滾針沿其徑向的偏移(圖5)會(huì)導(dǎo)致滾針與保持架因接觸變形而產(chǎn)生彈性碰撞力，采用切片法[4]將滾針切為n片，則每片寬度為

w=Lwe/n，

(5)

第i片滾針的偏移量為

(6)

式中：β為滾針歪斜角；Δz為滾針偏移量。

圖5 滾針徑向偏移

第i片滾針對(duì)保持架的作用力為

(7)

A=1.36η0.9,

式中：Kc為常量,由試驗(yàn)確定，對(duì)于推力滾針軸承,Kc=67/Cp;Cp為保持架兜孔直徑；η為保持架與滾針之間的綜合彈性常數(shù)。

2.2.2 材料彈性滯后引起的摩擦阻力矩

在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，推力滾針軸承會(huì)因材料彈性滯后引起能量損失[5]，軸承與軸圈和座圈材料彈性滯后引起的能量損失分別為

(8)

式中：ξ為彈性滯后系數(shù)，對(duì)于AXK4565軸承，其值取0.01；Ffs，F(xiàn)fh分別為滾針與軸圈、座圈的法向接觸力；gs，gh分別為滾針與軸圈、座圈的彈性接觸變形量。

根據(jù)能量守恒定律，因材料彈性滯后引起的軸承摩擦阻力矩為

(9)

2.2.3 相對(duì)滑動(dòng)引起的摩擦阻力矩

滾針與軸圈和座圈相對(duì)滑動(dòng)引起的能量損失分別為[6]

式中：μ為滑動(dòng)摩擦因數(shù)；Ft為滾針?biāo)茌d荷。

根據(jù)能量守恒定律，因相對(duì)滑動(dòng)引起的軸承摩擦阻力矩為

(11)

2.2.4 滾針與保持架接觸引起的摩擦阻力矩

在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，滾針因偏移會(huì)與保持架接觸，進(jìn)而產(chǎn)生磨損，其能量損失[7]為

(12)

式中：Δvi為第i片滾針與保持架兜孔之間的相對(duì)滑動(dòng)速度。

根據(jù)能量守恒定律，因接觸引起的軸承摩擦阻力矩為

(13)

2.2.5 總摩擦阻力矩

推力滾針軸承總摩擦阻力矩為

MT=Md+Ms+Mc。

(14)

上述理論分析表明：對(duì)于使用工況復(fù)雜的分離裝置，在考慮同一軸承自身屬性參數(shù)變化不明顯的條件下，摩擦因數(shù)μ和軸承所受外載荷Ft會(huì)隨工況變化而變化，尤其是空間環(huán)境溫度變化較大，上述理論分析并不完全適用于空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)全生命周期的軸承摩擦阻力矩計(jì)算，需結(jié)合試驗(yàn)分析。

3 推力滾針軸承摩擦阻力矩試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)空間環(huán)境使用需求，結(jié)合上述軸承摩擦阻力矩理論分析，對(duì)分離裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)冗余設(shè)計(jì)，即在預(yù)緊力驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)螺紋副分離的同時(shí)，還要使分離彈簧也提供驅(qū)動(dòng)力，其驅(qū)動(dòng)力足以克服軸系摩擦阻力，使螺桿完全脫離分離螺母實(shí)現(xiàn)分離功能。但在樣機(jī)進(jìn)行高低溫(-70～+85 ℃)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)分離裝置在常溫和高溫階段分離功能正常，但在低溫段(-70～0 ℃)分離遲滯，說明低溫環(huán)境對(duì)分離裝置的軸系影響顯著，需對(duì)主要產(chǎn)生摩擦阻力距的軸承進(jìn)行分析?？紤]到分離裝置一般作為航天器艙段或載荷的壓緊釋放機(jī)構(gòu)在真空大預(yù)緊力和寬溫域下的空間環(huán)境下工作，對(duì)軸承進(jìn)行固體潤滑，由于推力滾針軸承主要承受軸向載荷，為防止大預(yù)緊力下出現(xiàn)冷焊，只涂覆推力滾針軸承的上下座圈，滾針和支架不潤滑。選用同一型號(hào)的普通滾針軸承和粘接MoS2薄膜的滾針軸承進(jìn)行試驗(yàn)，溫度從常溫(25 ℃)逐漸降至低溫(-70 ℃)，根據(jù)分離裝置工作原理設(shè)置不加載和分離彈簧加載70 N(分離彈簧理論設(shè)計(jì)最大值)2種工況。

3.2 試驗(yàn)方法

基于現(xiàn)有力矩試驗(yàn)設(shè)備條件，參考ASTMD 1478：2018 “Low-temperature torque of ball bearing”的測(cè)試原理(圖6)，測(cè)量AXK4565推力滾針軸承摩擦阻力矩。基于K1885扭矩試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，方案如圖7所示，傳感器量程為0～7 N·m，扭矩精度為0.001 N·m，箱內(nèi)溫度為-72.5～0 ℃，輸出軸承為D204深溝球軸承。輸出軸通過轉(zhuǎn)接軸帶動(dòng)被測(cè)軸承旋轉(zhuǎn)，被測(cè)軸承摩擦阻力矩作為驅(qū)動(dòng)力矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)接環(huán)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)接環(huán)帶動(dòng)軸承安裝板旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，軸承安裝板掛柱上的拉繩會(huì)產(chǎn)生拉力，阻止軸承安裝板旋轉(zhuǎn)，力傳感器測(cè)量值與作用力臂的乘積即為輸出軸承和被測(cè)軸承摩擦阻力矩之和。

1—電動(dòng)機(jī)；2—減速器；3—連接繩；4—傳感器；5—低溫箱；6—被測(cè)軸承。

1—輸出軸；2—輸出軸承；3—軸承安裝板；4—掛柱；5—被測(cè)軸承；6—轉(zhuǎn)接軸；7—連接環(huán)；8—拉繩；9—力傳感器；10—軸承安裝板。

3.3 結(jié)果分析

通過圖7的試驗(yàn)方案，首先在不安裝被測(cè)軸承情況下得到輸出軸承的摩擦阻力矩MO，然后安裝被測(cè)軸承測(cè)試輸出軸承和被測(cè)軸承的摩擦力矩之和MZ，則被測(cè)軸承的摩擦阻力矩MT=MZ-MO。不同溫度下AXK4565軸承的摩擦阻力矩測(cè)量結(jié)果如圖8所示：

1)彈簧加載下的軸承摩擦阻力矩大于未加載。這是因?yàn)檩d荷增加會(huì)使?jié)L針?biāo)艿妮d荷Ft增加，滾針與軸圈和座圈之間的法向接觸力Ff和彈性變形量g增加，使材料彈性滯后引起的摩擦阻力矩Md和相對(duì)滑動(dòng)引起的摩擦阻力矩Ms增大，則總摩擦阻力矩增大。在分離裝置軸向分離力提供驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)，也增加了軸承摩擦阻力矩，兩者要同時(shí)考慮，以免裝置分離性能下降。

2)低溫下的軸承摩擦阻力矩大于常溫。這是因?yàn)闇囟葘?duì)MoS2潤滑特性的影響[8]，導(dǎo)致25～-70 ℃時(shí)MoS2的摩擦因數(shù)逐漸增大，相對(duì)滑動(dòng)引起的摩擦阻力矩Ms和接觸引起的摩擦阻力矩Mc增大,軸承總摩擦阻力矩增大。

3)鍍膜軸承的摩擦阻力矩大于未鍍膜軸承。這是由于雖然MoS2鍍膜后的軸承摩擦因數(shù)減小，但鍍膜后的軸承表面MoS2結(jié)構(gòu)疏松，硬度和承載能力有限，且易在大氣環(huán)境中氧化成MoO3[9]，使軸承表面硬度降低，滾針與軸圈和座圈的接觸角增大，總摩擦阻力矩增大。涂覆后的軸承摩擦因數(shù)與涂覆工藝、試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)方法的不確定性有關(guān)，在工程應(yīng)用中要根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化。

4)鍍膜軸承在低溫-10 ～-70 ℃下摩擦阻力矩呈明顯增大的趨勢(shì)。

圖8 不同溫度下AXK4565軸承的摩擦阻力矩

較為代表性的軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦阻力矩如圖9、圖10所示，隨試驗(yàn)的進(jìn)行，摩擦阻力矩有增大趨勢(shì)，而在低溫、加載條件下這一現(xiàn)象更明顯。這是因?yàn)殡S試驗(yàn)的進(jìn)行，軸承內(nèi)部溫度升高，材料膨脹導(dǎo)致軸承內(nèi)部間隙減小，滾針與保持架的磨損加劇，摩擦阻力矩Mc增大，軸承總摩擦阻力矩增大；但由于溫度的變化對(duì)軸承材料的變形量影響較小，由內(nèi)部間隙變化引起的軸承摩擦阻力矩Mc增幅較小[10-11]。

圖9 MoS2鍍膜軸承在常溫25 ℃下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦阻力矩

圖10 MoS2 鍍膜軸承在低溫-70 ℃和彈簧加載條件下 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦阻力矩

綜上分析可知：在相同潤滑狀態(tài)下，環(huán)境溫度降低和外載荷增加是導(dǎo)致分離裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中摩擦阻力矩增加的主要因素。在分離裝置機(jī)構(gòu)的空間環(huán)境適用性設(shè)計(jì)中，增大克服摩擦阻力矩的驅(qū)動(dòng)力時(shí)，軸承摩擦阻力矩也會(huì)增加；故在分離裝置設(shè)計(jì)時(shí)要合理設(shè)計(jì)分離彈簧驅(qū)動(dòng)力的裕度，既要保證驅(qū)動(dòng)力克服軸承摩擦阻力距實(shí)現(xiàn)螺桿分離，也要滿足螺桿克服阻力脫出后的剩余動(dòng)能最小來降低分離沖擊。

4 結(jié)論

基于摩擦阻力矩理論計(jì)算模型和試驗(yàn)，分析了不同環(huán)境溫度、潤滑以及受力狀態(tài)下非自鎖螺紋連接和分離裝置AXK4565推力滾針軸承的摩擦阻力矩，結(jié)論及分離機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的工程措施如下：

1)低溫條件下軸承摩擦阻力矩大于常溫，加載條件下軸承摩擦阻力矩大于未加載，在設(shè)計(jì)分離驅(qū)動(dòng)力時(shí)，分離彈簧在提供裝置冗余分離驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)也產(chǎn)生了相應(yīng)的軸承摩擦阻力矩。根據(jù)實(shí)測(cè)軸系摩擦阻力矩的1.25倍裕度設(shè)計(jì)，可以保證分離裝置在寬溫域工況下克服摩擦阻力矩，實(shí)現(xiàn)可靠分離。

2)隨試驗(yàn)的進(jìn)行，軸承摩擦阻力矩呈增大趨勢(shì)，在低溫、加載條件下這一現(xiàn)象更明顯。在產(chǎn)品可重復(fù)使用設(shè)計(jì)時(shí)，要合理加大驅(qū)動(dòng)力的設(shè)計(jì)裕度，以滿足長(zhǎng)壽命使用要求。

此外，鍍膜軸承在低溫、加載條件下的試驗(yàn)結(jié)果有異常，摩擦阻力矩陡增，并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。對(duì)于需要保證在低溫下穩(wěn)定運(yùn)行的航天機(jī)構(gòu)部件，后續(xù)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際構(gòu)型、使用條件以及選用的材料屬性等影響因素，結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)一步分析。