閆亞超，王建青，黨建軍，張培新

(西安航天精密機(jī)電研究所，西安 710100)

0 引 言

H型動(dòng)壓軸承[1-3]是二、三浮陀螺儀表[4]的核心組件，廣泛應(yīng)用于空間站、飛船、衛(wèi)星領(lǐng)域。H型動(dòng)壓軸承依靠動(dòng)壓效應(yīng)[5]，使陀螺電機(jī)在工作時(shí)轉(zhuǎn)、定子分開，軸承的轉(zhuǎn)、定子之間充滿壓縮氣體介質(zhì)，不發(fā)生接觸摩擦和磨損，理論工作壽命為無限長(zhǎng)。

動(dòng)壓軸承的軸向、徑向剛度[6]不僅決定了陀螺儀表的抗力學(xué)環(huán)境能力，同時(shí)也是保證陀螺儀精度的重要指標(biāo)，它直接影響陀螺儀的g2項(xiàng)誤差。然而，動(dòng)壓軸承間隙在2 μm左右，工作過程中受到外界擾動(dòng)的情況下，其工作間隙將會(huì)發(fā)生波動(dòng)。情況嚴(yán)重時(shí)，可能導(dǎo)致支承氣膜的失效，軸承卡死，導(dǎo)致陀螺功能喪失的重大問題。動(dòng)壓軸承裝配成動(dòng)壓電機(jī)后，動(dòng)壓電機(jī)的剛度值是評(píng)價(jià)篩選軸承的重要指標(biāo)。

圖1 H型動(dòng)壓軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

要實(shí)現(xiàn)動(dòng)壓軸承剛度的準(zhǔn)確測(cè)量，需要解決以下幾個(gè)方面的條件：

1)測(cè)試方法：對(duì)剛度測(cè)試的普遍方法是采用加載法[7]，其中加載法中又常采用反轉(zhuǎn)法、對(duì)滾法和離心法，目的是通過外部結(jié)構(gòu)給動(dòng)壓軸承的轉(zhuǎn)子施加載荷，通過測(cè)量不同載荷下的位移量來實(shí)現(xiàn)動(dòng)壓軸承剛度的測(cè)量。反轉(zhuǎn)法對(duì)外部驅(qū)動(dòng)軸的回轉(zhuǎn)精度要求很高；對(duì)滾法對(duì)轉(zhuǎn)子外圓精度和電機(jī)安裝精度要求很高，且對(duì)電機(jī)軸承具有破壞性的風(fēng)險(xiǎn)；采用離心法要求電機(jī)動(dòng)量矩方向與離心回轉(zhuǎn)方向完全一致，否則會(huì)產(chǎn)生陀螺力矩使電機(jī)回轉(zhuǎn)，嚴(yán)重的情況會(huì)破壞軸承。因此，要解決動(dòng)壓電機(jī)剛度準(zhǔn)確測(cè)量問題，首先要設(shè)計(jì)采用較為安全、可靠的測(cè)試方法。

2)測(cè)試精度：動(dòng)壓軸承的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 000 r/min，軸承工作間隙一般在2 μm左右，在外部載荷作用下，其轉(zhuǎn)子位移量在0.1 μm以內(nèi)。因此，測(cè)試儀器在高頻轉(zhuǎn)子擾動(dòng)下需要同時(shí)滿足測(cè)量精度為0.01 μm量級(jí)、測(cè)試分辨率為納米級(jí)別。此外，在測(cè)量時(shí)，儀器要與轉(zhuǎn)子測(cè)量面貼近；電機(jī)定子本身有一定的漏磁，要求測(cè)量?jī)x器具有一定的抗電磁干擾能力。

3)測(cè)試裝卡：測(cè)試裝卡的原則一方面是減少裝卡應(yīng)力對(duì)被測(cè)電機(jī)產(chǎn)生變形影響，另一方面是通過裝卡結(jié)構(gòu)本身的導(dǎo)熱穩(wěn)定性，改善因電機(jī)發(fā)熱造成的熱變形影響。

1 測(cè)試原理分析

1.1 H型動(dòng)壓軸承工作原理

H型動(dòng)壓軸承由徑向的軸頸軸承和軸向的止推軸承組成。軸頸軸承由整體圓柱形軸頸、與之相配合的圓筒形軸承和軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成收斂間隙的兩工作表面組成。由于氣體的粘性作用和摩擦，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)氣體進(jìn)入間隙并一起運(yùn)動(dòng)。在偏心力的作用下，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的氣體介質(zhì)在趨近圖2位置時(shí)，間隙最小，形成楔形氣膜。氣體被壓縮形成相應(yīng)的高壓區(qū)。該氣膜托起轉(zhuǎn)子，將軸頸和軸承的工作表面完全隔開，形成了無接觸的動(dòng)壓氣浮支承氣膜的軸頸軸承[8]。

圖2 軸頸軸承工作原理圖

止推軸承[9]由轉(zhuǎn)動(dòng)的止推面和不動(dòng)的螺旋槽止推面組成。由于氣體的粘滯作用和摩擦，止推面板轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)氣體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。氣流沿著螺旋槽中心方向泵進(jìn)(泵進(jìn)型螺旋槽)。當(dāng)氣流受到未開槽封閉區(qū)的阻擋時(shí)，出現(xiàn)壓力升高，并在有槽區(qū)和封閉區(qū)交界處壓力達(dá)到最大值。同時(shí)，在每個(gè)槽臺(tái)之間，還存在階梯效應(yīng)，即在開槽區(qū)，壓力沿周向成鋸齒形分布。這種泵進(jìn)效應(yīng)和階梯效應(yīng)，共同產(chǎn)生止推承載能力，止推軸承工作原理示意圖如圖3所示。

圖3 止推軸承工作原理圖

采用自重法，使高精度傳感器測(cè)頭與動(dòng)壓電機(jī)轉(zhuǎn)子外圓相對(duì)固定，轉(zhuǎn)子在重力和氣膜支承力的作用下，轉(zhuǎn)子質(zhì)心沿著重力方向發(fā)生偏心，將測(cè)頭與電機(jī)固定的整個(gè)裝置翻轉(zhuǎn)180°后，高精度傳感器測(cè)頭與動(dòng)壓電機(jī)轉(zhuǎn)子外圓相對(duì)位置發(fā)生位移變化，則可以認(rèn)為該位移的變化量為重力作用下產(chǎn)生的，進(jìn)而可以求出該狀態(tài)下的軸承剛度。

1.2 剛度測(cè)試系統(tǒng)原理

剛度測(cè)試時(shí)使用電容測(cè)微儀，其測(cè)試基本原理如圖4所示。當(dāng)被測(cè)零件表面與電容傳感器之間的間隙發(fā)生變化時(shí)，傳感器的電容量也發(fā)生相應(yīng)的變化，采用交流電橋可以精確地測(cè)量出電容變化量，進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)零件相對(duì)于電容傳感器的位移。

圖4 電容傳感器測(cè)試原理圖

傳感器為一個(gè)平板，被測(cè)件為另一個(gè)平板，它們構(gòu)成了一個(gè)平行板電容器。

(1)

(2)

從電路的角度分析，電容的容抗：

(3)

式中：ω為測(cè)量電路的電源頻率。

電容式測(cè)微儀原理方塊圖如圖5所示。根據(jù)運(yùn)算線路的原理，輸出電壓U0=k·h。從式(1)～式(3)可以得出，在有效測(cè)量范圍內(nèi)，電路輸出電壓正比于傳感器測(cè)量端面與被測(cè)量面之間的間隙。

如圖5所示，電容傳感器與被測(cè)件表面形成的電容容抗XC可以通過由標(biāo)準(zhǔn)電容、振蕩器、放大器組成的集成運(yùn)算放大電路轉(zhuǎn)換成電壓值U，電壓U經(jīng)整流濾波后可以進(jìn)行數(shù)字顯示以及輸送給PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、處理。

因此式(3)可以表示：

U=k·h

(4)

式中：k為測(cè)量標(biāo)定系數(shù)。

圖5 剛度測(cè)試系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

考慮到轉(zhuǎn)子的徑向外圓面和軸向端面為非理想的平面狀態(tài)，采用微動(dòng)坐標(biāo)臺(tái)對(duì)動(dòng)壓電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向外圓面和軸向端面進(jìn)行線性標(biāo)定，標(biāo)定后式(4)中的k表示為徑向標(biāo)定值kr和軸向標(biāo)定值ka。

1.3 剛度測(cè)試原理

動(dòng)壓軸承陀螺電機(jī)在工作時(shí)，轉(zhuǎn)子受到重力或外加載荷作用下將出現(xiàn)一定的偏心，可以將電容傳感器與動(dòng)壓電機(jī)的被測(cè)面相對(duì)固定，組成一個(gè)固定組合，如圖6、圖7所示。在氣體動(dòng)壓軸承陀螺電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，使之僅受重力的作用，當(dāng)電容測(cè)微儀在轉(zhuǎn)子正上方時(shí)，圖6(a)中的徑向位置狀態(tài)，可以通過圖5的測(cè)量方式得到輸出電壓Ua，轉(zhuǎn)動(dòng)電容傳感器與動(dòng)壓電機(jī)的被測(cè)面組成的固定組合，使電容測(cè)微儀在轉(zhuǎn)子正下方，圖6(b)中的徑向位置狀態(tài)，由于電容傳感器與被測(cè)量面的間隙h發(fā)生了變化，可以得到此時(shí)電壓值Ub，由此可以得到轉(zhuǎn)子在正向和反向作用力下的位移量：

Δh=(Ub-Ua)/k

(5)

根據(jù)剛度計(jì)算的定義，動(dòng)壓軸承的剛度：

(6)

式中：m為被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

圖6 電機(jī)徑向剛度測(cè)試示意圖

圖7 電機(jī)軸向剛度測(cè)試示意圖

2 測(cè)試裝卡分析

剛度測(cè)試工裝是保證測(cè)量精度的重要部分，對(duì)于動(dòng)壓電機(jī)剛度測(cè)試，其應(yīng)滿足以下幾條原則：

①工裝要有較高的抗變形能力、較好的導(dǎo)熱性，因?yàn)椴牧媳旧淼木€脹系數(shù)為10(1/℃)×10-6左右，測(cè)頭本身對(duì)溫度變化也十分敏感；在電機(jī)軸安裝孔位置要有較好的耐磨性能，保證電機(jī)與工裝拆裝過程中不失安裝精度。

②工裝設(shè)計(jì)時(shí)固定測(cè)頭部分盡量簡(jiǎn)單牢靠，提高測(cè)頭安裝孔與電機(jī)軸安裝孔的平行度，盡量減小組合安裝，避免精度誤差的疊加，以保證測(cè)頭端面與被測(cè)面的平行度。

2.1 裝卡結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

如圖8(a)所示，原工裝對(duì)測(cè)頭的裝卡采用組合方式，主要靠端面定位、螺紋配合和螺釘壓緊測(cè)頭等方式。原工裝在不斷的拆裝過程中，必定會(huì)造成測(cè)頭端面對(duì)被測(cè)面的平面度喪失，試驗(yàn)可以明顯看出測(cè)頭與被測(cè)端面不平行；在測(cè)頭壓緊方面，由于測(cè)頭表面長(zhǎng)期被擰壓，其外圓圓度已經(jīng)喪失，壓緊測(cè)頭時(shí)其固定方式并非線接觸。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)工裝時(shí)，連線本身會(huì)牽動(dòng)測(cè)頭發(fā)生微量的偏移，造成測(cè)量間隙的改變，形成誤差，在試驗(yàn)過程中經(jīng)常發(fā)生此現(xiàn)象。

改進(jìn)后工裝如圖8(b)所示。盡量讓工裝簡(jiǎn)單，加工時(shí)只需保證測(cè)頭放置孔與壓軸孔的平行度和垂直度即可，測(cè)頭采用V型塊壓緊，在測(cè)頭出線一側(cè)設(shè)計(jì)卡線裝置，使側(cè)頭在翻轉(zhuǎn)過程中保持穩(wěn)定。

圖8 剛度測(cè)量工裝

2.2 裝卡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

采用ANSYS對(duì)原工裝的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，圖9(a)是原工裝，圖9(b)是擬改進(jìn)工裝，按照靜態(tài)下僅受重力作用時(shí)的結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行分析。

圖9 重力影響下的結(jié)構(gòu)仿真

在兩個(gè)ANSYS算例中建立的電機(jī)模型相同，只改變工裝的結(jié)構(gòu)形式和材料，由圖9的對(duì)比結(jié)果來看，電機(jī)本身結(jié)構(gòu)受到重力影響后必定會(huì)發(fā)生撓性變形，但其變形量非常小，工裝改進(jìn)前后其變形量由10 nm變?yōu)? nm，沒有明顯變化；裝卡測(cè)頭位置由3.3 nm變化為1.3 nm左右，其變化量占剛度位移量的百分之幾，沒有大的影響。

2.3 裝卡結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)變分析

結(jié)合上述改進(jìn)后的工裝，采用仿真方法來對(duì)比分析，改進(jìn)前后對(duì)電機(jī)表面的熱變形以及固定測(cè)頭處的變形影響。這里將定子作為發(fā)熱源，周圍氣體為靜態(tài)，環(huán)境溫度為22 ℃。

圖10為原工裝的溫度場(chǎng)穩(wěn)態(tài)圖和熱通量穩(wěn)態(tài)圖。其中，最高溫度發(fā)生在定子線包上Tmax=27.87 ℃，工裝卡測(cè)頭位置溫度為22.56 ℃，轉(zhuǎn)子外圓溫度為27.52 ℃，最大熱通量發(fā)生在電機(jī)軸與壓板連接處。

圖11為改進(jìn)工裝的溫度場(chǎng)穩(wěn)態(tài)圖和熱通量穩(wěn)態(tài)圖。其中，最高溫度發(fā)生在定子線包上Tmax=27.54 ℃，工裝卡測(cè)頭位置溫度為22.48 ℃，轉(zhuǎn)子外圓溫度為27.31 ℃，最大熱通量發(fā)生在電機(jī)軸與壓板連接處。

圖12、圖13是電機(jī)發(fā)熱引起的變形圖，可見，最大變形發(fā)生在轉(zhuǎn)子外圓上。上述仿真結(jié)果對(duì)比如表1所示。

圖10 原工裝的溫度場(chǎng)穩(wěn)態(tài)圖和熱通量穩(wěn)態(tài)圖

圖11 改進(jìn)工裝的溫度場(chǎng)穩(wěn)態(tài)圖和熱通量穩(wěn)態(tài)圖

圖12 原工裝熱應(yīng)變圖

圖13 改進(jìn)工裝熱應(yīng)變圖

表1 改進(jìn)前后對(duì)比

分析表1數(shù)據(jù)可以看出，改進(jìn)后的工裝對(duì)電機(jī)溫度分布稍有改變，但改觀不明顯，對(duì)轉(zhuǎn)子外圓的熱應(yīng)變以及卡測(cè)頭處的應(yīng)變改善明顯，有助于改善測(cè)頭溫漂和測(cè)量穩(wěn)定性。

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表2為剛度測(cè)試系統(tǒng)分析改進(jìn)后的測(cè)試結(jié)果與采用振動(dòng)掃描試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。可以看出，兩者最大誤差約為5.0%，而根據(jù)目前的測(cè)試手段和設(shè)計(jì)余量來看，其計(jì)算結(jié)果具有一定的參考意義。

表2 試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)H型動(dòng)壓軸承剛度測(cè)試的需求，本文采用高精度電容傳感器建立軸承剛度測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)影響動(dòng)壓軸承剛度測(cè)試的裝卡工裝進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和溫度場(chǎng)分析，并進(jìn)行了改進(jìn)提升。采用自重法剛度測(cè)試，對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，該測(cè)試方法能夠滿足H型動(dòng)壓軸承的精密測(cè)量，對(duì)動(dòng)壓軸承剛度值的評(píng)價(jià)篩選具有重要意義。