王健，趙俊宏，王偉成，許冬冬，王淦泉

(1.洛陽軸承研究所有限公司,河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039；4.中國科學院 上海技術物理研究所，上海 200083)

氣象衛(wèi)星在氣候預測、環(huán)境監(jiān)測、防災減災和應對氣候變化等方面具有重要作用，掃描機構作為氣象衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的重要組成部件，主要用于獲取圖像信息[1]，其支承軸承的質量及可靠性將直接影響整個遙感系統(tǒng)所獲取的圖片質量以及運行壽命。掃描機構部件一般采用薄壁窄系列的航天精密配對角接觸球軸承作為支承，以保證較高的旋轉精度和較小的摩擦力矩,軸承摩擦力矩的大小和波動性直接決定了航天軸承的旋轉精度，從而決定了空間飛行器的定位和導向精度[2]。

衛(wèi)星掃描機構軸承在太空中不停地往復搖擺(200×106)，同時還要在高低溫交替、真空、失重、輻射等惡劣條件下工作，因此軸承必須具有高精度、長壽命和高可靠性。為提高衛(wèi)星掃描機構軸承的設計水平和產品質量，為衛(wèi)星配套軸承的產品研發(fā)和理論分析提供真實有效的數(shù)據(jù)參考，開發(fā)了一種氣象衛(wèi)星掃描機構軸承壽命試驗機，現(xiàn)介紹其主體設計以及軸承試驗情況。

1 試驗機的主要技術參數(shù)

1.1 軸承工況參數(shù)

衛(wèi)星掃描機構的精密配對角接觸球軸承(薄壁窄系列)的工況參數(shù)見表1。

表1 角接觸球軸承的工況參數(shù)Tab.1 Working condition parameters of angular contact ball bearing

1.2 試驗機參數(shù)及指標

根據(jù)軸承使用工況以及主機指標需求，試驗機參數(shù)及指標見表2。

表2 試驗機參數(shù)及指標Tab.2 Parameters and indexes of tester

2 試驗機組成

試驗機由雙真空罐設備主體、真空系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。

2套獨立的雙真空罐設備主體(A#，B#真空罐)可分別安裝4組軸承試驗組件，能同時進行8組軸承的模擬試驗。2套設備主體和真空系統(tǒng)共用1套電控系統(tǒng)，實現(xiàn)抽真空、加熱溫度、軸承運動的控制以及真空度、加熱溫度、軸承外圈溫度、擺速(轉速)、擺角、擺動次數(shù)(轉動圈數(shù))、摩擦力矩、試驗時間等參數(shù)的采集和記錄，并具有數(shù)據(jù)存儲、回放以及調用功能，試驗機工作原理如圖1所示。

圖1 試驗機工作原理框圖Fig.1 Working principle block diagram of tester

2.1 雙真空罐設備主體

設備主體是整個試驗機的主要機械部分，主要包括床身框架及平臺、雙工位真空罐、試驗軸承組件、伺服驅動系統(tǒng)、磁流體密封傳動裝置和齒輪傳動裝置等，如圖2所示。

1—真空分子泵；2—床身框架；3—真空罐；4—觀察窗；5—軸承試驗組件；6—齒輪傳動裝置；7—磁流體密封傳動裝置；8—剛性聯(lián)軸器；9—伺服電動機；10—機械泵。圖2 試驗機雙真空罐設備主體結構圖Fig.2 Structure diagram of test main body in double vacuum tank for tester

設備采用定軸輪系的平面齒輪機構完成主運動，由交流伺服電動機通過剛性聯(lián)軸器及磁流體密封傳動裝置驅動真空罐內的主動齒輪運動，主動齒輪再帶動與之嚙合的4個從動齒輪運動，傳動比為34∶25，轉向相反。從動齒輪與軸承試驗組件的主軸安裝在一起，2套試驗軸承安裝在主軸上，通過控制伺服電動機擺動或整圈轉動間接帶動試驗軸承往復擺動或整圈轉動，傳動機構原理如圖3所示。

1—伺服電動機；2—聯(lián)軸器；3—磁流體密封傳動裝置；4—主動齒輪；5—從動齒輪；6—軸承試驗組件。圖3 傳動機構原理圖Fig.3 Schematic diagram of transmission mechanism

2.1.1 軸承試驗組件

軸承試驗組件是試驗主體的核心部分，其結構如圖4所示，由試驗軸承、試驗主軸、外圈殼體、加載彈簧、加熱絲、輔助支承、從動齒輪、扭矩傳感器和溫度傳感器等組成。

1—滑動支承；2—從動齒輪；3—端蓋；4—密封環(huán)；5—迷宮環(huán)；6—試驗軸承；7—中隔環(huán)；8—密封蓋；9—扭矩傳感器固定板；10—過渡銅套；11—靜態(tài)扭矩傳感器；12—彈簧壓蓋；13—加載彈簧；14—彈簧座；15—軸承測溫傳感器；16—殼體；17—加熱絲。圖4 軸承試驗組件結構Fig.4 Structure of bearing test assembly

2套試驗軸承成對安裝在試驗主軸上，背對背(DB)配置，與軸小間隙配合，由加載彈簧對軸承施加預緊力(由力傳感器測得)。軸承組件外圈殼體上端連接小量程扭矩傳感器，用來測試2套軸承的摩擦力矩。在軸承組件的外圈殼體圓周面上纏繞柔性的加熱絲，由于試驗所需溫度不高(常溫～50 ℃)，因此加熱器外接直流電源進行加熱，通過金屬間的熱傳遞將熱傳遞至軸承。外殼體上安裝3支溫度傳感器，1支測環(huán)境溫度，2支測軸承外圈溫度。

2.1.2 伺服電動機選型計算

為滿足衛(wèi)星掃描機構軸承試驗過程中擺速、擺角、轉速以及加速時間等參數(shù)精確控制的要求，本試驗機選用控制精度、低頻特性、矩頻特性、運行可靠性和響應速度等方面性能優(yōu)越的伺服電動機作為主驅動，需要進行轉動慣量的匹配、扭矩及功率計算來確定伺服電動機參數(shù)。

1)負載轉動慣量/電動機轉動慣量

試驗主體總的負載轉動慣量JL主要包括：4組軸承組件試驗主軸上的轉動慣量J1、主動齒的轉動慣量J2以及磁流體密封傳動裝置的轉動慣量J3，折算到電動機端的總負載轉動慣量為

(1.5+13.4+13.1)×10-3=28×10-3kg·m2，

式中：m1為4組軸承組件試驗主軸上的質量, 3.333 kg；m2為主動齒的質量, 21.876 kg；m3為磁流體密封傳動裝置的質量, 5.345 kg；R1為4組軸承組件試驗主軸平均當量半徑, 0.03 m；R2為主動齒平均當量半徑, 0.035 m；R3為磁流體密封傳動裝置平均當量半徑, 0.07 m。

不同的機械系統(tǒng)，慣量匹配的選擇原則不同，一般廠家給定樣本中，負載轉動慣量JL與電動機轉動慣量JM的比值不大于15[3]，因此

JM≥JL/15=1.867×10-3kg·m2。

2)扭矩和功率計算

按試驗安裝的最大代表型號軸承(φ80 mm×φ110 mm×16 mm)在最大載荷500 N時估算軸承摩擦力矩并計算電動機端的負載扭矩和擺動、轉動條件下的最大功率。

軸承摩擦力矩M為

電動機功率P為

式中：μ為軸承摩擦因數(shù)，0.005；F為軸承載荷，500 N；d為軸承內徑，80 mm；η為機械效率，0.415；n為轉速, 300 r/min。

由以上計算可知，設備傳動為低速、中扭矩、小功率、中慣量機械模型。根據(jù)實際電動機型號和節(jié)能原則所選伺服電動機額定功率1.5 kW，額定轉矩8.12 N·m，最大轉矩24.4 N·m，帶電磁制動，轉動慣量2×10-3kg·m2，額定轉速1 000 r/min，分辨率262 144 p/rev，可滿足要求。

2.1.3 齒輪傳動裝置

試驗機采用齒輪傳動的一拖四方式，由1個驅動端驅動4組軸承試驗單元。齒輪裝置由從動齒輪、試驗主軸、牽引齒輪、驅動軸、壓蓋、帶孔螺栓銷、主動齒輪、彈簧、調節(jié)螺栓和螺母組成，具體結構如圖5所示。由于齒輪傳動的兩嚙合齒輪副間存在側隙，在試驗擺動運行換向時會產生沖擊和傳動延遲誤差[4]，因此試驗機主動齒輪采用雙片薄齒輪錯齒法消除擺動過程中的齒側間隙，從動齒輪采用高強度、自潤滑非金屬材料(聚酰亞胺添加MoS2)，解決真空下齒輪副的潤滑問題。

1—從動齒輪；2—試驗主軸；3—牽引齒輪；4—驅動軸；5—壓蓋；6—帶孔螺栓銷；7—主動齒輪；8—彈簧；9—調節(jié)螺栓；10—螺母。圖5 齒輪傳動結構圖Fig.5 Structure diagram of gear transmission

2.1.4 磁流體密封傳動裝置

試驗機伺服電動機通過磁流體密封傳動裝置與真空罐內的主動齒輪相連，拖動試驗組件運轉，磁流體密封傳動裝置結構如圖6所示。磁流體密封由永磁體、轉軸、磁極、磁流體和磁回路組成，如圖7所示。其工作原理是利用磁流體對磁場的響應特性在密封間隙內形成1個O形液體密封環(huán)，將密封間隙充滿而達到密封的目的[5]，可滿足真空度1×10-6Pa，泄漏率小于1×10-12Pa·m3/s，耐壓范圍0.2～0.7 MPa，溫度范圍-10～100 ℃的要求，廣泛應用于真空系統(tǒng)的動密封。

1—轉軸；2—軸承；3—密封圈；4—殼體；5—磁流體。圖6 磁流體密封傳動裝置結構圖Fig.6 Structure diagram of magnetic fluid sealing transmission device

圖7 磁流體密封原理Fig.7 Principle of magnetic fluid seal

2.2 真空系統(tǒng)

極限真空度是指真空系統(tǒng)能夠達到的最高真空度，是真空系統(tǒng)的一個重要指標[6]。為模擬2個真空腔內的真空度達到優(yōu)于1×10-4Pa的極限真空度技術目標，試驗機采用動態(tài)抽真空法，抽真空系統(tǒng)原理如圖8所示。2臺復合分子泵垂直安裝在2個真空腔體下面，縮短抽氣的行程，分子泵的排氣口分別通過波紋管、電磁壓差式充氣閥與2臺前級機械泵相連，分子泵開啟前先由機械泵粗抽真空，電磁壓差式充氣閥與機械泵接在同一電源上，與機械泵同時開啟與關閉，當泵停止工作或突然斷電時，閥門能自動將真空系統(tǒng)封閉，保持其真空度，并將大氣通過閥的節(jié)流孔經泵進氣口充入泵腔，從而避免泵油逆流污染真空系統(tǒng)。在分子泵抽氣管道上連接電離規(guī)和放氣閥用來監(jiān)測真空腔內真空度和腔體充氣。

1—機械泵；2—電阻規(guī)(低真空測試)；3—電極引線(強電)；4—電極引線(弱電)；5—磁流體密封傳動裝置；6—觀察窗；7—鐘罩；8—電離規(guī)(高真空測試)；9—電磁放氣閥；10—復合分子泵；11—波紋管；12—電磁壓差式充氣閥。圖8 抽真空系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic diagram of vacuum pumping system

2.3 電控系統(tǒng)

試驗機電控系統(tǒng)采用工控機+PLC+伺服驅動器的控制模式。工控機作為上位機，是系統(tǒng)的測控與通信中心；PLC是下位機，完成相關的模擬量與開關量的通信與控制，PLC與信號采集控制板卡、伺服驅動器、溫控儀、真空計等組成系統(tǒng)的開關量、模擬量的控制采集單元，溫度傳感器、扭矩傳感器、位移傳感器及拉壓力傳感器等組成系統(tǒng)的傳感器單元。電控系統(tǒng)原理如圖9所示：通過上位機與伺服驅動系統(tǒng)驅動伺服電動機按照規(guī)定的運動方式帶動試驗軸承旋轉；由機械泵、分子泵、真空度傳感器及控制單元完成試驗腔體真空排氣的測控功能；由工控機、溫控儀、固態(tài)繼電器及加熱器組成溫度控制單元完成真空腔內的溫度控制；由溫度傳感器、扭矩傳感器及采集卡等組成數(shù)據(jù)采集模塊完成試驗過程測試信號的采集處理。

圖9 試驗機電控系統(tǒng)原理圖Fig.9 Schematic diagram of electronic control system for tester

試驗設備采用C++Builder編制測控軟件，軟件控制程序主界面如圖10所示，試驗設備軟件程序用于完成運行參數(shù)的自動設定，如轉速、擺速、擺角、加速時間等，對運動過程中的測試參數(shù)進行監(jiān)控，如軸承溫度、試驗溫度、扭矩及電動機運行參數(shù)等，并能記錄以及實時顯示相關參數(shù)，便于觀察及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理等。

圖10 試驗設備測控軟件程序主界面Fig.10 Main interface of measurement and control software program for test equipment

3 裝機試驗

對某型號氣象衛(wèi)星掃描機構軸承進行裝機試驗，試驗件為含油保持架的精密薄壁角接觸球軸承，外形尺寸φ65 mm×φ85 mm×10 mm。真空罐內試驗安裝結構如圖11所示。

圖11 真空罐內試驗安裝結構Fig.11 Installation configuration in vacuum tank for test

試驗條件：每組試驗2套軸承，背對背、過渡配合安裝，軸承預緊力(110±15)N，試驗真空度優(yōu)于1×10-4Pa，環(huán)境溫度不超過50 ℃，擺速10°/s，加減速時間0.2 s，擺角±4.75°，擺動次數(shù)200×106次。根據(jù)試驗后軸承的尺寸精度、游隙值變化，溝道及保持架兜孔磨損等情況綜合判定軸承是否通過試驗。

A#，B#兩罐中共計安裝16套(8組)軸承，試驗過程中由計算機實時監(jiān)測并記錄數(shù)據(jù)及曲線，測試結果數(shù)據(jù)曲線節(jié)選如圖12、圖13所示，軸承外圈溫度19～25 ℃，摩擦力矩-0.2～0.2 N·m。試驗后軸承的尺寸精度、游隙值變化，溝道及保持架兜孔磨損均滿足要求。

(a) A#真空罐

(a) A#真空罐

經試驗測試運行，試驗機運轉平穩(wěn),工作可靠，溫度、扭矩等信號測試準確，試驗機的功能和指標滿足軸承的試驗要求。

4 結束語

介紹了氣象衛(wèi)星掃描機構軸承真空試驗機的功能指標要求、總體結構設計及組成部分，并通過具體代表型號軸承的裝機試驗考核了試驗機在真空模擬、溫度模擬、擺動運行控制、信號測試能力等方面的指標及可靠性。試驗機總體方案設計合理，電氣測控系統(tǒng)原理正確，軟件系統(tǒng)界面清晰，操作方便，功能齊全，可為衛(wèi)星掃描機構軸承的設計及裝機使用提供參考。