空间基础零部件超精密抛光技术研究进展

轴承、齿轮、陀螺仪谐振子、反射镜等是实现航天器旋转支撑、动力传递、姿态控制、空间探测等功能的核心基础零部件,直接影响航天器的性能、寿命和可靠性。为了确保航天任务顺利进行,空间基础零部件必须拥有优异的使役性能、高的可靠性和长的寿命,其工作面的状态是关键影响因素。为此,基于制造角度,必须不断提高工作面的精度和表面质量。然而,空间基础零部件的工作面多为复杂曲面,且材料包含多种元素和金相组织,可控抛光难度大。从轴承、齿轮、陀螺仪谐振子、反射镜等4种空间基础零部件的特点出发,简要陈述了各自的超精密抛光需求及必要性,分类总结了现有的超精密抛光技术,如应用于轴承的双盘研磨抛光、电化学机械抛光、流变抛光,应用于齿轮的磨粒流抛光、流变抛光、电化学机械抛光,应用于陀螺仪谐振子的流变抛光、飞秒激光和离子束质量调平,以及应用于反射镜的磁流变抛光、计算机控制光学表面成型、气囊抛光、离子束修形抛光等,阐述了各种抛光技术的原理和效果,最后展望了超精密抛光技术的发展方向,以期为空间基础零部件的超精密加工提供借鉴。

环片硬度对金基合金导电环摩擦磨损性能的影响

通过摩擦磨损试验、寿命试验和表界面分析方法研究了不同硬度的AuAgCu合金环片与AuNi合金刷丝在大气环境下的摩擦特性和磨损形貌特征.结果表明,随着导电环环片硬度由200.4 HV提高到243.6 HV,摩擦系数显著降低,环片磨痕宽度有所减小;环片与刷丝接触部位均存在典型的黏着磨损形貌特征,刷丝磨损区域形貌不规则,但硬环的磨损区域呈现出明显的犁削状划痕形貌;硬度不同的环片与刷丝对摩产生的磨屑均为薄片状且无团聚,磨屑成分与环片金属材料成分一致.此外,通过寿命试验前、后导电环环片和刷丝的质量分析可知,环片硬度的提高可显著降低导电环环片的磨损量.可见,在一定范围内提高导电环环片硬度,可以获得较好的减摩抗磨效果,为后续电接触材料对偶摩擦副的配副提供了试验和理论依据.

碳纳米管填充多孔聚合物材料含油性能研究

基于碳纳米管所特有的表面效应、管状结构以及极高的力学强度,将碳纳米管引入到多孔聚合物材料中,采用冷压烧结方法成功制备出不同碳纳米管含量的多孔聚酰亚胺聚合物材料,并对聚合物材料的孔隙性能、微观结构和含油性能进行研究。结果表明:碳纳米管的加入对多孔聚合物材料的孔隙率有一定的提高,填充碳纳米管的多孔聚酰亚胺聚合物材料孔隙率最高达到了42.2%;碳纳米管可以粘附在聚酰亚胺微球表面,有助于提高聚合物孔隙表面的吸附性能;与不含碳纳米管的多孔聚合物材料相比,添加碳纳米管后材料的含油率和含油保持率有较大的提高。

一种含柔性轴的超声电机定位特性研究

为了进一步提高超声电机的定位精度,满足航空航天驱动机构对高定位精度的迫切需求,采用柔性轴提高超声电机运行稳定性,并基于电机瞬态响应特性,实现超声电机的高精度定位性能。超声电机具有响应快的特点,具有实现高定位精度的可能,但由于其步进特性不清晰,运行波动较大,其潜力尚未被完全挖掘。针对该问题,首先探索超声电机的步进特性,得到不同负载下电机的步进规律,然后采用连续模式和步进模式相结合的控制策略,实现了超声电机的高精度定位特性。研究结果表明:采用柔性轴后,电机步进波动大幅降低,电机定位精度可达0.48″,所需的定位时间小于1.34 s.

基于粒子群算法的阻抗控制在机械臂柔顺控制中的应用

阻抗控制策略是实现机械臂的末端力柔顺控制的一种重要方法.然而,针对阻抗控制参数的确定,目前尚缺乏通用算法.粒子群算法具有概念简单、易行、鲁棒性好等特点,适用于阻抗控制参数的确定与优化.通过分析基于力反馈的笛卡尔空间阻抗控制结构,采用粒子群算法整定阻抗控制参数.结合阻抗控制自身特点对粒子群算法做了相应改进,并通过仿真验证了优化后的阻抗控制算法可实现对七自由度机械臂的柔顺控制且具有较好的鲁棒性.

基于模糊C-均值的空间机构轴系健康评估方法

针对现有轴承健康评估方法在空间机构轴系上应用难度大的问题,提出了一种基于模糊C-均值聚类的空间机构轴系健康评估方法。首先,定义了新特征参数——特征谱线明显度;其次,提取了优良、故障两类典型轴系及待评估轴系振动实测信号峭度和包络频谱特征谱线明显度;然后,以峭度和特征谱线明显度两种特征参数为输入,通过模糊C-均值聚类模型获得了各待评估轴系对优良轴系类的隶属度;最后,根据隶属度计算轴系健康指数。应用实例表明,该方法既可对轴系健康状态正确排序,又可在高转速下给出可靠的健康指数,验证了该方法的可行性和有效性。

微观加工形貌对三维线接触Stribeck曲线与疲劳寿命的影响

齿轮的传递效率和寿命与齿面成形方式紧密相关,针对圆柱齿轮常见的剃削、磨削、珩磨、抛光四种加工方式,采用三维线接触混合润滑分析模型,结合Zaretsky接触疲劳寿命计算方法,系统分析了高速到极低速工况下,界面摩擦系数对接触疲劳寿命的影响,以及不同微观加工形貌作用下三维线接触Stribeck曲线与疲劳寿命的变化规律.研究表明:全膜润滑状态下,界面摩擦对疲劳寿命的影响较小,各类组合表面的摩擦系数基本一致,但各组合表面疲劳寿命差异较大,抛光组合表面的疲劳寿命最优;在混合润滑状态下,各类组合表面的摩擦系数变化差异明显,而相对疲劳寿命差异明显减小,其中,磨削组合表面摩擦系数较大,抛光组合表面摩擦系数最小;值得注意的是,研究表明界面摩擦系数和疲劳寿命不是表面粗糙度的简单函数,不随界面粗糙度值的大小变化而单调变化.

基于振动参数聚类融合的空间轴承故障辨识方法研究

轴承是飞轮和控制力矩陀螺(CMG)等空间惯性执行机构的核心部件,其健康状态直接影响整机性能和使用寿命。当前,由于轻载轴承在正常运转时也可能产生类似于微弱故障特征的现象,导致单一故障特征参数难以辨识正常和微弱故障状态。针对这一问题,本文提出了一种基于振动参数聚类融合的轴承微弱故障辨识方法。首先,通过轴承振动实验获得数据;然后,基于特征频率比值等方法对振动信号进行特征参数的提取;在此基础上,利用K-Medoids算法对正常样本进行聚类,并根据3σ法则构建正常运转的安全边界;最后,计算不同轴承故障数据的超限概率,根据概率大小进行故障状态的识别。结果表明,该方法对轴承正常和微弱故障的辨识是可行和有效的。

空间轴承多孔聚酰亚胺保持架尺寸稳定性研究

空间轴承常用的多孔聚酰亚胺含油保持架机械强度低、吸附性强,在制备和使用过程中易受各种内外应力和温湿环境的影响,导致尺寸不稳定。通过测量各种工况下保持架尺寸的变化值,实验研究溶剂清洗、含油状态以及温度循环变化和环境湿度变化等对保持架尺寸稳定性的影响。结果表明:多孔聚酰亚胺保持架溶剂清洗时会因材料孔隙吸附溶剂而使内外径尺寸增大,因此清洗后应充分干燥处理;多孔聚酰亚胺保持架含油状态与不含油状态尺寸基本一致;多孔聚酰亚胺保持架热稳定性好,内外径尺寸不会随着频繁的高低温热循环而发生改变;多孔聚酰亚胺保持架对湿度敏感,环境湿度越大保持架尺寸变化越大。

微颗粒对超声空蚀影响的试验研究

为了探明微颗粒对超声空蚀影响的具体机制,使用超声振动空蚀试验装置对45钢在四种不同的微颗粒-纯水的悬浊液中的空蚀行为进行了研究,使用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜观测空蚀后的样品表面,对空蚀坑的数量分布及微观结构进行分析,结果表明空蚀破坏程度与SiO_(2)悬浊液浓度有重要关联.SiO_(2)悬浊液存在1个临界浓度,小于临界浓度时,空蚀破坏程度随浓度的增加而增大;大于临界浓度时,空蚀破坏程度随浓度的增加而减弱.空蚀破坏程度随粒径的增大而减弱,但空蚀坑的坑径随微颗粒粒径的增大而增大.相比于纯水介质,添加SiC、Al_(2)O_(3)和SiO_(2)微颗粒均会加剧空蚀破坏程度,其中,SiC微颗粒对空蚀破坏的促进最为显著.相比之下,Al微颗粒添加后空蚀破坏却明显减弱,起到了抑制超声空蚀的作用,这可能与不同颗粒所负荷不同电荷类型有关.

1种双配副摩擦试验机及其在多孔聚酰亚胺摩擦磨损测试方面的应用

在轴承中存在2类摩擦副,滚动体与内外沟道以及滚动体与保持架,尤其在采用聚合物保持架的轴承中,这2类摩擦副的性质完全不同,2类配副之间的相互影响不可忽略.目前,市面上的标准摩擦试验机均采用单配副,并不能很好地模拟轴承内部的摩擦.针对此问题,本文中研制了双配副摩擦试验机,并对该试验机进行了标定和校准.采用该试验机研究了多孔含油聚酰亚胺(iPPI)轴承保持架材料的发黑过程,对比了单配副和双配副下iPPI材料的摩擦磨损特性.结果表明,研制的双配副摩擦试验机能够较为真实地模拟保持架材料表面的磨损发黑现象,而单配副摩擦试验难以重现这种发黑现象.采用能谱分析(EDS)和拉曼(Raman)光谱分析单配副和双配副下iPPI的磨损表面,发现iPPI表面的发黑物质为α-Fe_(2)O_(3)和Fe_(3)O_(4).研制的双配副摩擦试验机测试精度高、重复性好,是1种模拟轴承内部摩擦的有效工具.

动量轮微振动机理及仿真

动量轮是卫星等航天器姿态控制和精度保持的关键机械部件,其微振动严重影响卫星姿态稳定度和成像精度。动量轮的非均匀、非连续几何构形和旋转效应会引起结构系统的参数激励和载荷激励。针对具有非均匀力学特征参数的动量轮结构系统动力学模型,通过分析动力学方程中各矩阵参数的扰动,进行动量轮微振动机理的研究。仿真和试验结果表明:动量轮结构系统内部存在基频和高频激励,其中基频主要来自支点动载荷,高频来自轴承碾压作用;轮缘的局部振动会随转速形成前后行波。

多孔棉布-酚醛轴承保持架的应变速率敏感性

为了分析研究多孔棉布-酚醛轴承保持架的应变速率敏感性,使用纳米压痕仪测量其在应变速率为0.01~0.05 s^(−1)时的硬度和弹性模量,通过Kelvin-Voigt模型对材料的黏弹性进行分析,研究了材料在不同应变速率下的应变硬化效应和应变局部软化效应.研究结果表明:随着应变速率提高,多孔棉布-酚醛材料的硬度和弹性模量先增加后减小;当应变速率从0.01 s^(−1)增加到0.05 s^(−1),多孔棉布-酚醛材料硬度和弹性模量的增加与材料的应变硬化现象有关;当应变速率从0.05 s^(−1)增加到0.30 s^(−1),蠕变位移显著增加,接触刚度快速降低,形变以热的形式消耗在压头与材料的接触界面,压头接触区材料从黏弹性向黏性转变,局部材料黏度降低,硬度和弹性模量快速减小;多孔棉布-酚醛的硬度和弹性模量随应变速率的变化是应变硬化效应和应变局部软化效应竞争的结果.

成型工艺对多孔PI材料摩擦学及力学性能的影响

为探索冷压定容烧结成型工艺对多孔聚酰亚胺(PI)材料摩擦性能和力学性能的影响,采用正交实验设计方法,研究了密度、烧结温度、保温时间对多孔PI材料含油性能、摩擦因数、拉伸强度和冲击强度的影响。通过综合考虑甩油后摩擦因数和冲击强度,优化了多孔PI材料的成型工艺。实验结果表明:随着密度的减小,材料表面孔洞增大,内部孔洞支架变稀疏,含油率明显增大,但含油保持率较低,摩擦因数相对较高,拉伸强度和冲击强度显著下降;当烧结温度为350℃时,冲击强度较高;保温60 min即可保证不同密度多孔PI材料的强度;优化制备工艺后,材料含油率为12.0%,离心甩油2 h后摩擦因数为0.092,冲击强度为105.9 kJ/m 2,拉伸强度为74.2 MPa。

混合润滑下短齿啮合对行星齿轮接触疲劳的影响

少齿差行星齿轮为避免齿顶干涉,通常会减小齿高,这可能会导致齿面实际接触宽度小于理论赫兹接触宽度,降低齿面接触强度.鉴于此,为研究少齿差行星传动短齿制对齿轮接触疲劳的影响,综合考虑了轮齿接触宽度、楔形间隙、齿宽有限长和齿面粗糙度等因素,建立少齿差行星齿轮短齿啮合的混合润滑统一方程,求解出啮合齿对间的压力分布、摩擦系数和轮齿接触区次表面应力分布,根据Zaretsky接触疲劳寿命计算模型,对不同工况下不同啮合位置的轮齿接触疲劳寿命进行预测.结果表明:接触宽度在少齿差行星齿轮的疲劳寿命预测中不容忽视,短齿啮合模型下的楔形间隙对啮入和啮出过程的疲劳寿命有不同影响.

一种空间轴承的自适应共振解调故障诊断方法

针对传统共振解调故障诊断方法中需依赖主观经验和反复调试选取合适带通滤波器参数的问题,以及包络信号频谱中随机成分对分辨故障特征频率的干扰问题,提出一种空间精密轴承的自适应共振解调故障诊断方法.一方面,根据振动信号功率谱计算重心频率和频率标准差,进而以此确定带通滤波器的中心频率和带宽,实现自适应带通滤波;另一方面,通过频谱平均方法弱化包络信号频谱中的随机成分,使得故障特征谱线清晰度加强.模拟故障信号和实测振动信号的诊断结果表明该方法算法简单,效率高,对保持架磨损故障诊断效果良好,验证了其可行性和有效性.

基于多变量时间序列的接触状态聚类分析

针对机器人轴孔装配任务中接触状态的分类问题,该文提出了一种基于多变量时间序列的聚类方法。该方法利用深度时间聚类网络对装配过程中的接触状态变量进行编码,然后使用复杂度不变性度量对时间序列片段进行划分。该方法避免了对接触过程进行准静态分析,因此在实际中具有一定的通用性。并且利用时间序列的方式有利于提取接触状态变量的时间关联特性,从而使得聚类的结果更加鲁棒。实验结果和预期一致,验证了该算法的正确性和有效性。

冰刀热物性参数对固液界面结构影响

为了探明冰刀热物性参数对固液界面结构的影响,建立了冰刀-冰面滑动摩擦热-结构耦合模型,对摩擦过程进行数值模拟。结果表明,在一定范围内减小冰刀导热系数、比热容都有利于冰面水膜的形成,过度降低热物性参数,对冰面水膜的形成不利,最优冰刀材料导热系数为0.53 W/(m·K),此时界面最高温度为51.1℃,冰面水膜长度为181.58 mm,水膜厚度为1.09 mm;最优冰刀比热容为25.0 J/(kg·K),此时界面最高温度为45.6℃,冰面水膜长度为170.43 mm,水膜厚度为0.65 mm。

等静压成型对多孔聚酰亚胺保持架成孔性能的影响研究

针对空间高精密轴承用多孔聚酰亚胺保持架的等静压成型要求,开展了聚酰亚胺模塑粉的等静压法制备多孔材料的成型工艺研究。从聚酰亚胺模塑粉自身的结构特性、包套软硬质地、冷、热等静压成型工艺调控(温度、压强、时间)等角度,系统研究了结构因素和冷、热等静压工艺因素对多孔聚酰亚胺材料成孔性能的影响,并通过其微观形貌演变提出了聚酰亚胺模塑粉在冷等静压过程中的主要致密化机制为前期的粒子靠近及重排和中后期的剪切变形,在热等静压过程中主要致密化机制为高温高压下的剪切变形和塑性变形,同时利用封存其中的气体受热膨胀实现扩孔,结果表明,冷等静压工艺对最终多孔聚酰亚胺材料的成孔性能的影响更为根本,热等静压的最高温度提高和保压时间延长有利于获得更大的孔径,为后续采用等静压法制备多孔含油保持架材料并根据应用条件进行成孔性能的精确调控提供了科学依据。

角接触球轴承-转子加减速过程动力学分析

角接触球轴承的动态性能对轴承-转子系统的性能至为关键。考虑轴承各元件的相互作用建立了角接触球轴承-转子系统的动力学分析模型,模型中钢球与滚道间的摩擦力采用弹流润滑理论计算,钢球与保持架间的作用等效为高刚度弹簧,引导套圈与保持架间摩擦力采用短轴轴承理论计算,基于四阶Runge-Kutta实现了动力学模型的快速求解。研究了润滑油的密度和粘度、引导方式和轴向预紧力对轴承启动加速和停止减速过程以及打滑的影响。结果表明:高密度和大粘度润滑油将使启动加速变慢而使停止减速变快;内圈引导时轴承的启动加速最慢;轴向预载不足将导致轴承在启动及稳定运转阶段产生严重打滑。