朱 奎，史士財(cái)，司圣潔，吳劍威，劉 宏

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

近年來(lái)，隨著人類對(duì)外太空探索活動(dòng)的進(jìn)一步加深，空間技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，并對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越深遠(yuǎn)的影響。對(duì)于人類探索空間的各種飛行器，如衛(wèi)星、飛船等來(lái)說(shuō)，在其回轉(zhuǎn)機(jī)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(rùn)滑軸承難以滿足要求。而固體潤(rùn)滑比油脂潤(rùn)滑的化學(xué)穩(wěn)定性好,不會(huì)因輻射而發(fā)生變質(zhì)[1]，且具有使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、對(duì)溫度不敏感等優(yōu)點(diǎn)[2]，故常采用固體潤(rùn)滑軸承，在滿足使用要求的同時(shí)也使得軸承組件得以簡(jiǎn)化。文中研究的軸承采用共濺射MoS2基固體薄膜對(duì)內(nèi)、外圈溝道進(jìn)行潤(rùn)滑。

1 MoS2固體潤(rùn)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(fù)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(rùn)滑性能的薄膜[1]。MoS2的潤(rùn)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(gè)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(lái)相對(duì)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(duì)滑移，從而降低了摩擦系數(shù)，減少了磨損[3]。MoS2固體潤(rùn)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(guò)渡層和柱狀層。其中的致密層和過(guò)渡層為有效潤(rùn)滑鍍層[5]，柱狀層由于組織結(jié)構(gòu)疏松，既影響潤(rùn)滑性能又容易吸潮、氧化、剝落。另外，經(jīng)過(guò)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(dòng)增大[5]。

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

2 軸承跑合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

跑合平臺(tái)系統(tǒng)包括機(jī)械系統(tǒng)、電路控制和軟件3個(gè)部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。軟件部分實(shí)現(xiàn)跑合平臺(tái)與人的接口，操作者通過(guò)PC機(jī)發(fā)出加載、跑合等指令，觀測(cè)加載壓力和跑合圈數(shù)等。控制電路實(shí)現(xiàn)跑合平臺(tái)的加載電動(dòng)機(jī)和跑合電動(dòng)機(jī)的控制以及壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集。機(jī)械系統(tǒng)執(zhí)行跑合功能。

圖1 跑合平臺(tái)系統(tǒng)框圖

2.1 機(jī)械部分

跑合平臺(tái)機(jī)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(gè)部分均使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，在滿足使用功能的同時(shí)大大節(jié)省了成本。

圖2 跑合平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

通常使用的加載方式有重力、氣動(dòng)、電動(dòng)等方式。其中氣動(dòng)加載方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)及維護(hù)成本較高；重力加載過(guò)于笨重，操作復(fù)雜。電動(dòng)加載方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，故本跑合系統(tǒng)采用電動(dòng)加載方式。加載電動(dòng)機(jī)通過(guò)加載絲杠驅(qū)動(dòng)力傳感器組件實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)有壓縮彈簧，由于壓縮彈簧剛度相對(duì)較低，其可以將加載螺母的加載行程進(jìn)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(tái)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(yīng)該盡量小，以提高加載時(shí)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(dǎo)軌保證了載荷方向與直線導(dǎo)軌軸向平行，且加載時(shí)，加載壓頭與軸承工裝為點(diǎn)接觸，加載螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不會(huì)引起壓力傳感器的側(cè)向位移，避免了側(cè)向力導(dǎo)致的加載不準(zhǔn)確。剪切S梁型壓力傳感器抗側(cè)向力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，精度較好，故采用該傳感器來(lái)測(cè)量加載力。選用了BK-2F測(cè)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(jiàn)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(dòng)機(jī)和軸承組件。跑合電動(dòng)機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器與安裝有被跑合軸承的軸相連，降低了電動(dòng)機(jī)的波動(dòng)對(duì)軸承的影響。待跑合的一對(duì)角接觸軸承以面對(duì)面方式安裝，預(yù)載荷通過(guò)加載圓盤施加到軸承外圈上。軸承組件采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)接口，對(duì)于不同型號(hào)的軸承只需設(shè)計(jì)相應(yīng)的軸承安裝組件。

2.2 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

跑合平臺(tái)的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)以GT_400運(yùn)動(dòng)控制卡為核心，該運(yùn)動(dòng)控制卡可以驅(qū)動(dòng)四路直流、步進(jìn)或者直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)不同驅(qū)動(dòng)口所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的電子齒輪運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)選用其中的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)口分別控制加載電動(dòng)機(jī)和跑合電動(dòng)機(jī)。另外，傳感器數(shù)據(jù)采集使用PCI8735數(shù)據(jù)采集卡。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常采用開(kāi)環(huán)控制，對(duì)于跑合電動(dòng)機(jī)，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，正常情況下電動(dòng)機(jī)不會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，故采用開(kāi)環(huán)控制。對(duì)于加載電動(dòng)機(jī)，由于需要比較精確的壓力值，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)的情況下對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，其控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制是對(duì)其采用200細(xì)分，以使運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角為1.8°，200細(xì)分后每個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)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(tái)加載電動(dòng)機(jī)控制框圖

2.3 軟件系統(tǒng)

跑合平臺(tái)的控制軟件為VC++6.0基于對(duì)話框所編寫的程序，主要有手動(dòng)跑合和自動(dòng)跑合兩大功能。軟件界面見(jiàn)圖4。

圖4 跑合平臺(tái)軟件界面

手動(dòng)功能在改變載荷時(shí)需要手動(dòng)輸入期望的載荷大小、跑合圈數(shù)等數(shù)據(jù)，整個(gè)過(guò)程中需要人的不斷參與。自動(dòng)跑合在對(duì)每個(gè)軸承進(jìn)行跑合時(shí)只需要讀入預(yù)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(jìn)行下一個(gè)周期的跑合。自動(dòng)跑合流程如圖5所示。

圖5 跑合平臺(tái)自動(dòng)跑合流程圖

3 跑合試驗(yàn)及分析

理想條件下，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的軌跡為鋼球與套圈溝道點(diǎn)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(shí)由于軸承具有一定的彈性，跑合軌跡會(huì)沿軸承軸向發(fā)生一定的位移，載荷增加，位移變大。對(duì)于剛性預(yù)緊(即定位預(yù)緊)方式，軸承預(yù)緊力對(duì)溫度比較敏感，不同溫度下，剛性預(yù)緊軸承組件將工作在不同的預(yù)緊力下，軸承運(yùn)動(dòng)的軌跡也不同，所以對(duì)于剛性預(yù)緊軸承需要采用變預(yù)載的方式進(jìn)行跑合。跑合過(guò)程中預(yù)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(gè)載荷值跑合后都會(huì)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(shí)跑合溝道始終處于預(yù)先跑合過(guò)的軌跡內(nèi)。

由于變預(yù)載跑合過(guò)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(dǎo)致兩次跑合的帶狀軌跡間位移過(guò)大，產(chǎn)生間隙，形成多軌跡現(xiàn)象，無(wú)法滿足跑合要求。因此應(yīng)根據(jù)不同型號(hào)的軸承剛度等因素合理制定變載荷跑合時(shí)的預(yù)載荷值。

跑合試驗(yàn)必須保證軸承處在潔凈環(huán)境中，試驗(yàn)選擇在萬(wàn)級(jí)潔凈間中完成。在軸承跑合前，首先須對(duì)軸承各部件(內(nèi)、外圈、鋼球和保持架)進(jìn)行精心地清洗和檢查，以保證跑合過(guò)程中溝道內(nèi)不會(huì)有雜物，然后將軸承組件安裝于跑合平臺(tái)后進(jìn)行跑合。試驗(yàn)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(guò)程中載荷隨時(shí)間先增加后減小，包含軸承加載和卸載的過(guò)程。跑合完成的標(biāo)記為軸承的摩擦力矩變小且波動(dòng)減小，因此一般要求軸承跑合裝置需要實(shí)時(shí)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(duì)軸承進(jìn)行跑合時(shí)是按照經(jīng)驗(yàn)給定的跑合轉(zhuǎn)數(shù)。跑合過(guò)程如表2所示。

表2 S6706A軸承跑合過(guò)程

加載電動(dòng)機(jī)對(duì)軸承施加期望大小的載荷后停止工作，跑合電動(dòng)機(jī)開(kāi)始跑合。軸承跑合時(shí)采用加速跑合方式，以減少跑合時(shí)間，提高跑合效率。在每次改變負(fù)載后，跑合電動(dòng)機(jī)以300 r/min的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)軸承正、反向旋轉(zhuǎn)各跑合一定的圈數(shù)，實(shí)際跑合速度曲線如圖6所示。跑合完成后同樣需要對(duì)軸承進(jìn)行清洗，以去除跑合剝落的柱狀層。

圖6 跑合過(guò)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?yàn)榕芎虾蟮妮S承溝道，兩側(cè)淺色為MoS2基體顏色。由圖可知，通過(guò)加載跑合，軸承的MoS2固體潤(rùn)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(yù)載荷范圍外的地方則保持原來(lái)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(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的變預(yù)載軸承跑合系統(tǒng)可滿足航天用軸承的跑合要求。通過(guò)跑合，軸承固體潤(rùn)滑膜的潤(rùn)滑效果得以改善，進(jìn)而提高了軸承工作的可靠性。但設(shè)計(jì)的軸承跑合系統(tǒng)中無(wú)法實(shí)時(shí)采集軸承的摩擦力矩，因而可能出現(xiàn)軸承過(guò)跑合或者跑合不夠的情況，而經(jīng)驗(yàn)給定的跑合圈數(shù)對(duì)于不同的軸承不可能完全適宜。對(duì)于跑合不夠的軸承，再次進(jìn)行跑合后可以得到改善，而對(duì)于過(guò)跑合軸承則無(wú)法進(jìn)行補(bǔ)償，過(guò)跑合的軸承會(huì)降低軸承的使用壽命。因此，下一步的改進(jìn)工作將圍繞在實(shí)時(shí)檢測(cè)軸承的摩擦力矩上，使跑合裝置得到進(jìn)一步地完善。