关节精密轴系刚度和摩擦力矩性能退化试验装置的制作方法

本发明涉及在高低温和交变温度环境下的一种轴系刚度和摩擦力矩性能退化试验装置，具体涉及一种关节精密轴系刚度和摩擦力矩性能退化试验装置。

背景技术：

空间探索、开发和利用逐步深入，航天技术发展迅猛。航天特种装备的功能逐渐多样化和专一化，结构也日渐复杂化。由于空间环境的严酷性、苛刻性和在轨维护的困难性，要求航天特种机构的具有高精度和高可靠性；空间特种装备关节精密轴系工作于空间环境，各种故障因素，包括高低温、交变温度、工作载荷、装配过盈量、初始预紧力及服役延时等都将影响其可靠性，进而影响机构的功能和精度可靠性，决定着艰巨和复杂航天任务的成败。

在空间温度作用下，由于组成机构的零部件膨胀系数的差异性，导致其热效应缺乏一致性，配合表面挤压协调或产生间隙分离，从而导致预紧力过大或不足，引起空间轴承运转时振动或卡死。在初始预紧和工作载荷的耦合作用下，轴系刚度发生变化并可能引起轴系精度失效。随着在轨服役时间的延长，空间轴承固体润滑膜磨损逐渐加剧，导致工作间隙增大引发精度失效。在特殊的工作环境中，空间精密轴系的失效模式和失效机理与地面环境中的轴系有很大的差异。目前大规模在空间进行试验探究空间精密轴系失效模式不现实，急需在地面先通过理论分析和试验模拟环境对空间精密轴承的影响及失效机理进行研究。

技术实现要素：

本发明旨在通过小型化设计，提供一种轴系可更换、可局部改装、可局部或整体进行环境温变处理、可在地面模拟环境中对关节精密轴系刚度和摩擦力矩性能退化进行研究的试验装置。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种关节精密轴系刚度性能退化试验装置，其包括驱动和传动装置、转台轴系、被测轴系、被测轴系固定加载装置、微位移测量装置、机架，所述驱动和传动装置包括步进电机、联轴器、转台空心轴、电机架，所述步进电机通过联轴器与转台空心轴相连，并通过电机架与所述机架固连；所述转台轴系包括转台轴系锁紧螺母、转台空心轴、支撑座、支撑轴承、密封端盖、固定板、连接座，所述支撑座与支撑轴承外圈配合，支撑座上端与密封端盖固接，支撑座下端与所述机架相连，所述支撑轴承内圈与转台轴系锁紧螺母和转台空心轴配合，所述固定板与连接座连接并固定在转台空心轴上；所述被测轴系上端与加载护帽连接，下端通过螺钉连接在连接座上，被测轴系轴承座和转台空心轴一起旋转；所述被测轴系固定加载装置包括紧定螺钉、加载护帽、加载力传感器、导向帽、导向套、加载螺母、加载螺栓、加载上板、上支柱、上板，所述加载护帽通过紧定螺钉固定在被测轴系上端，所述导向帽插入导向套，所述加载力传感器与导向帽、加载护帽螺纹连接，所述加载螺栓旋入加载螺母，加载螺栓底部抵靠在导向帽上，所述加载螺母和导向套固定连接在加载上板上，所述加载上板通过上支柱与上板连接，所述上板与所述机架相连；所述被测轴系固定加载装置对被测轴系施加轴向载荷，通过改变加载螺栓在加载螺母中的旋入量改变施加载荷的大小，通过导向套、导向帽、加载力传感器、加载护帽和紧定螺钉将轴向载荷传递到被测轴系主轴上，通过所述加载力传感器获得所施加轴向载荷的大小；所述微位移测量装置包括电涡流传感器探头和信号传输单元，所述电涡流传感器探头和信号传输单元通过器件固定架固定在转台空心轴上，所述微位移测量装置用于测量轴向载荷下的被测轴系主轴相对于轴承座的微小位移量，微小位移量信号通过电涡流传感器探头测得，并通过信号传输单元以无线传输方式传送到外部接收器。

所述导向套与导向帽的连接采用U型槽形式，二者可产生相对轴向移动但不能产生周向相对转动。

所述信号传输单元包括按环形分布安装在所述器件固定架上的电源、电涡流传感器前置器、稳压模块、AD转换器、无线传输模块，所述器件固定架固定在所述转台空心轴上。

所述被测轴系在安装尺寸许可范围内可实现替换，完成不同被测轴系的测量。

在所述上板和连接座之间安装止转销轴禁止转台空心轴和机架之间的相对转动，在被测轴系主轴和轴承座不发生相对转动的状态下完成静态轴系刚度的测量。

一种关节精密轴系摩擦力矩性能退化试验装置，其包括驱动和传动装置、转台轴系、被测轴系、摩擦力矩测量装置、机架，所述驱动和传动装置包括步进电机、联轴器、转台空心轴、电机架，所述步进电机通过联轴器与转台空心轴相连，并通过电机架与所述机架固连；所述转台轴系包括转台轴系锁紧螺母、转台空心轴、支撑座、支撑轴承、密封端盖、固定板、连接座，所述支撑座与支撑轴承外圈配合，支撑座上端与密封端盖固接，支撑座下端与所述机架相连，所述支撑轴承内圈与转台轴系锁紧螺母和转台空心轴配合，所述固定板与连接座连接并固定在转台空心轴上；所述被测轴系上端与加载护帽连接，下端通过螺钉连接在连接座上，被测轴系的轴承座和转台空心轴一起旋转；所述摩擦力矩测试装置所测试的摩擦力矩数据通过测力方式获得，通过偏置力的方式获得摩擦力矩的力值，其包括紧定螺钉、加载护帽、上板、连接线、测量力传感器、传感器固定板、传感器支架，所述加载护帽通过紧定螺钉与被测轴系主轴固连，所述测量力传感器通过连接线连接紧定螺钉末端，所述测量力传感器通过传感器固定板、传感器支架固定在上板上，所述上板与机架固连。

所述被测轴系的安装采用悬臂结构，悬臂结构通过对成对安装的支撑轴承施加适当的预紧力获得足够的刚度。

所述传感器支架通过螺栓与上板连接，传感器支架可相对水平移动；所述传感器固定板通过螺栓与传感器支架连接，传感器固定板可相对竖直移动，通过调整水平和竖直移动实现安装在传感器固定板上的测量力传感器与紧定螺钉末端对准，减小测量误差。

所述被测轴系在安装和调整尺寸许可范围内可实现替换，完成不同被测轴系的测量。

本发明的有益效果是：在交变温度下的轴系刚度和摩擦力矩性能退化试验装置在被测空间精密轴系轴向载荷和轴承初始预紧力作用下，承受高低温和交变温度、延时磨损作用下，测量轴系的刚度变化曲线，研究轴系刚度性能退化规律。无载荷作用时，轴系承受高低温和交变温度、延时磨损作用，测量轴系的摩擦力矩变化曲线，研究轴系摩擦力矩性能退化规律。

本发明可以根据实验设计需要进行个性化组装。被测轴系能够安装在连接座上并且尺寸范围允许安装在加载护帽和连接座之间的，均可实现替换，完成不同被测轴系刚度的测量；被测轴系能够安装在连接座上并且尺寸范围允许通过传感器固定板和传感器支架的调整实现测量力传感器与紧定螺钉末端对准，均可实现替换，完成不同被测轴系摩擦力矩的测量。

本发明试验装置应用于模拟极端条件下特种装备关节精密轴系随着服役时间的延长刚度特性和摩擦力矩特性退化规律的实验研究，研究数据将对特种装备运动关节的研发设计及应用，奠定必要的理论验证和技术参考；为航天机构的在线控制和精度补偿提供必要的指导和支持。

附图说明

图1是本发明的关节精密轴系刚度性能退化试验装置总体结构示意图。

图2是关节精密轴系刚度性能退化试验装置的转台轴系电器件安装示意图。

图3是关节精密轴系刚度性能退化试验装置的止转销轴安装示意图。

图4是本发明的关节精密轴系摩擦力矩性能退化试验装置结构示意图。

图中：1-步进电机、2-联轴器、3-转台轴系锁紧螺母、4-转台空心轴、5-支撑座、6-支撑轴承、7-密封端盖、8-外壳、9-固定板、10-连接座、11-被测轴系、12-电涡流传感器探头、13-紧定螺钉、14-加载护帽、15-加载力传感器、16-导向帽、17-导向套、18-加载螺母、19-加载螺栓、20-六角薄螺母、21-加载上板、22-六角螺母、23-六角螺栓、24-垫圈、25-上支柱、26-紧定螺钉、27-六角薄螺母、28-上板、29-下支柱、30-六角螺母、31-六角螺栓、32-垫圈、33-六角螺母、34-六角螺栓、35-下板、36-内六角螺钉、37-垫圈、38-电机架、39-底座、40-电涡流传感器前置器、41-器件固定架、42-AD转换器、43-无线传输模块、44-稳压模块、45-电源、46-止转销轴、47-连接线、48-测量力传感器、49-传感器固定板、50-传感器支架。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例1的关节精密轴系刚度性能退化试验装置，其由驱动和传动装置、转台轴系、被测轴系、被测轴系固定加载装置、微位移测量装置、机架等组成。其中，驱动和传动装置包括步进电机1、联轴器2、转台空心轴4、电机架38；转台轴系包括转台轴系锁紧螺母3、转台空心轴4、支撑座5、支撑轴承6、密封端盖7、固定板9、连接座10；被测轴系固定加载装置包括紧定螺钉13、加载护帽14、加载力传感器15、导向帽16、导向套17、加载螺母18、加载螺栓19、加载上板21、上支柱25、上板28；微位移测量装置包括电涡流传感器探头12和由器件固定架41、电源45、电涡流传感器前置器40、稳压模块44、AD转换器42、无线传输模块43等组成的信号传输单元；机架包括外壳8、下支柱28、下板35、底座39，上述部件通过螺纹连接成整体。步进电机1固定在电机架38上，通过联轴器2带动转台空心轴4转动。转台空心轴4在支撑座5和支撑轴承6的支撑下旋转运动，支撑座5通过内六角螺栓36和垫片37与下板35固定连接。密封端盖7通过六角螺栓33和六角螺母34对支撑轴系进行密封，防止大型颗粒物落入轴系造成故障。转台空心轴4通过六角螺母30、垫片31、六角螺栓32与固定板9和连接座10固定连接，所述被测轴系11上端与加载护帽14连接，下端通过紧定螺钉26固定连接在连接座10上，被测轴系11轴承座和转台空心轴4一起旋转；本发明被测轴系11可用不同被测轴系替换，只要被测轴系能够安装在连接座10上并且尺寸范围允许安装在加载护帽14和连接座10之间的，均可实现替换，完成不同被测轴系的测量。通过被测轴系固定加载装置对被测轴系施加轴向载荷，通过改变加载螺栓19在加载螺母18中的旋入量改变施加载荷的大小，通过导向套17、导向帽16、加载传感器15、加载护帽14和紧定螺钉13将轴向载荷传递到被测轴系的主轴上。加载螺母18和导向套17通过六角螺母22、六角螺栓23和垫片24固定连接在上板28上。通过加载力传感器15获得所施加轴向载荷的大小。导向套17和导向帽16的连接采用U型槽形式，二者可产生相对轴向移动但不能发生周向相对转动。测量轴向载荷下的被测轴系主轴相对于轴承座的位移通过微位移测量装置获得。在电源45和稳压模块44的供电条件下，由安装在固定板9上的电涡流传感器探头12获得位移变化数据，通过电涡流传感器前置器40，AD转换器42，无线传输模块43将微位移数据传输出来供处理分析。上述电器件通过螺钉安装在器件固定架41上，如图2所示，器件固定架41通过螺钉固定在转台空心轴4上,电源45、电涡流传感器前置器40、稳压模块44、AD转换器42、无线传输模块43按环形分布安装在器件固定架41上。本发明还可以进行静态轴系刚度的测量，如图3所示，通过在上板28和连接座10之间安装止转销轴46禁止转台和支架之间的相对转动，在被测轴系主轴和轴承座不发生相对转动的状态下完成静态轴系刚度的测量。进行随着服役时间的延长磨损加剧导致的轴系刚度的变化规律实验研究时，在室温环境下，通过扳手调节加载螺栓19在加载螺母18中的旋入量改变施加载荷的大小，通过电涡流传感器探头12获得位移变化数据，从而获得轴系的载荷-位移曲线。测量时间控制在几分钟或十几分钟之内，以几小时或十几小时为一个测量周期，延时测量轴系载荷-位移曲线的变化规律，获得随着服役时间的延长磨损加剧导致的轴系刚度的变化规律。

实施例2：

本发明实施例2的一种关节精密轴系摩擦力矩性能退化试验装置，如图4所示，其由驱动和传动装置、转台轴系、被测轴系、摩擦力矩测量装置、机架等组成。其中驱动和传动装置、转台轴系、机架的结构及转台获得旋转动力的方式同上述轴系刚度性能退化试验装置实施方式，这里不再赘述。被测轴系11的安装采用悬臂结构，悬臂结构通过对成对安装的支撑轴承6施加适当的预紧力获得足够的刚度。摩擦力矩测试装置包括紧定螺钉13、加载护帽14、上板28、连接线47、测量力传感器48、传感器固定板49、传感器支架50；摩擦力矩数据通过测力方式获得，加载护帽14通过紧定螺钉13和被测轴系主轴固定连接，通过连接线37连接紧定螺钉16末端和测量力传感器48，通过偏置力的方式获得摩擦力矩的力值。传感器支架50通过螺栓与上板28连接，并可相对水平移动；传感器固定板49通过螺栓与传感器支架50连接，并可相对竖直移动。通过调整水平和竖直移动实现安装在传感器固定板49上的测量力传感器48与紧定螺钉13末端对准，减小测量误差。

被测轴系11能够安装在连接座上并且尺寸范围允许通过传感器固定板49和传感器支架50的调整实现测量力传感器48与紧定螺钉13末端对准，均可实现替换，完成不同被测轴系摩擦力矩的测量。

在不加载工况下，将本装置整体置于温控箱内，电机1转动，改变温控室内的温度模拟温度交变，可以获得交变温度和服役延时作用下摩擦力矩的变化规律，间接验证轴系在温变环境下出现预紧卡死或预紧不足的现象。