飞轮用轴承组件摩擦力矩特性研究

轴承组件是飞轮中最重要和最关键的部件之一,其摩擦力矩的大小和波动量直接影响飞轮产品的性能.采用研制的摩擦力矩测试仪对轴承组件的启动摩擦力矩和低速摩擦力矩进行了测试,并进行了理论分析.试验结果表明:启动摩擦力矩较大的轴承组件在工作转速下的电流也较大,但并不成严格的比例关系;轴承组件的启动摩擦力矩随预载的增加而增加,并且在试验范围内呈线性变化趋势;随着转速的增加,轴承组件摩擦力矩的测试值存在两个极小值点,现有理论公式没有预测出该两点,相同转速下,组件处于升速时的摩擦力矩大于组件处于降速时的摩擦力矩.     

控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩特性研究

控制力矩陀螺轴承组件是空间飞行器姿态控制系统的核心部件，其轴承的性能直接影响着空间飞行器姿态控制系统的控制精度和使用寿命，甚至危及空间飞行器安全.对于控制力矩陀螺轴承组件，轴承摩擦力矩大小及其波动性是轴承的关键性能指标，针对空间飞行器控制力矩陀螺轴承组件，在滚动轴承摩擦学和动力学基础上，建立六自由度控制力矩陀螺轴承组件非线性动力学微分方程组，并采用预估 校正的GSTIFF(Gear stiff)变步长积分算法进行求解，对其在有/无重力的工作环境、公 自转工况、轴承预紧力以及保持架兜孔间隙对轴承摩擦力矩幅值及其波动性的影响进行分析.分析结果表明：预紧力对轴承组件摩擦力矩影响显著，预紧力过大或过小都不利于降低摩擦力矩及其波动性，对于本文分析的轴承组件最佳预紧力为50~55N；保持架稳定性受重力影响显著，无重力时自转工况下保持架较稳定；过小的兜孔间隙会使摩擦力矩增大，过大的兜孔间隙会使摩擦力矩波动性增大，存在最优兜孔间隙使得摩擦力矩及其波动性都较小，针对本文分析型号的轴承组件，间隙比应控制在0.6~0.8之间.     

飞轮轴承润滑最佳油量的估算方法及实验验证

卫星姿控飞轮通常采用一对精密油润滑角接触球轴承进行旋转支撑.由于飞轮长寿命、高可靠、高精度要求和独特的空间环境,轴承采用微量油润滑.润滑油过多和不足都将导致飞轮轴承摩擦力矩增大和寿命降低,因此存在轴承润滑最佳油量.基于弹流润滑理论,提出了飞轮轴承润滑最佳油量的理论计算方法,并通过球-盘摩擦副进行实验验证.实验结果验证了飞轮轴承润滑最佳油量理论计算方法的有效性.     

空间站大型伸展机构动力学研究中的若干问题

由于空间站大型伸展机构运动中的时变性，其拓扑构形和系统的自由度都是变化着的，因而问题较定常构形动力学问题复杂得多。文章对航天伸展机构进行分类，并研究所组成的各类运行副，约束特点和约束方程及轨道、姿态、伸展运动的几何和运动描述；考虑柔性结构效应及热变形的动力学分析模型；还对连接间隙、摩擦、限位内碰撞、预应力、重力场及空气阻力的干扰进行分析；最后讨论了试验研究结论。     

混合润滑下弧齿锥齿轮啮合路径对传动#br# 及接触特性的影响#br#

为研究弧齿锥齿轮真实润滑状态下不同啮合路径对其传动误差、接触应力及摩擦力的影响，结合混合润滑分析方法，研究弧齿锥齿啮合过程中齿面摩擦系数的演变，并与传统经验公式进行了对比.在此基础上，建立考虑混合润滑摩擦与安装位置参数的弧齿锥齿传动接触模型，研究啮合路径对弧齿锥齿动态传动误差与接触压力的影响，进一步系统分析了不同啮合路径下弧齿锥齿齿面的摩擦力变化及趋势.研究表明：在弧齿锥齿啮入到啮出的过程中，齿面混合润滑摩擦系数呈现先增大后减小的趋势，且传统经验公式对弧齿锥齿轮节锥母线附近的摩擦系数预测误差较大；在一定程度上齿面摩擦会导致接触压力的上升，且中部接触时弧齿锥齿传动误差优于大端接触和小端接触；受轴向分力变化的影响，齿面摩擦力与摩擦系数变化规律差异较大，在啮入到啮出过程中，齿面摩擦力出现两个峰值，在节点附近会呈现减小趋势.     

转动副临界角分析及其在四连杆机构中的应用

滑动配合条件下,转动副（R副）通过接触面间的相对滑动提供一个转动自由度。由于接触面间的摩擦和间隙共同作用,R副会在一个小的摆角范围内发生自锁,这一摆角将在机构平衡时带来连杆长度误差和连杆偏角误差。本文指出了R副中临界角的存在,讨论了使得R副实现自锁的临界角范围,在考虑接触变形和不考虑接触变形2种条件下对临界角进行了计算,并以一平面四连杆机构作为应用算例,综合对比了铰链间隙、接触变形和摩擦因素对所在连杆机构输出精度的影响。算例结果表明,在一般的精度计算中铰链间隙及连杆弹性变形起主要影响作用,铰链本身的接触变形量可忽略。      

静压气浮轴承工程设计方法研究

静压气浮轴承是惯性器件测试平台回转支撑轴系的关键部件，其承载能力和回转精度对惯性器件测试的准确性有着重要的影响，目前，静压气浮轴承设计、计算过程复杂，为提高设计效率，简化设计方法，在满足静压气浮轴承性能的条件下，推导了静压气浮轴承工程计算公式，在此基础上，设计了一款双向止推空气轴承，确定了几何参数，计算了空气静压径向轴承、空气静压止推轴承的轴承承载力、刚度、耗气量及摩擦力矩，并与有限元仿真结果进行了对比分析，验证了该设计方法的有效性。     

轴向柱塞泵球面摩擦副冲铆工艺优化的有限元分析及试验验证

柱塞杆与座零件形成的摩擦副,制造过程极易造成该位置过度变形,导致异常磨损,以及泵性能失效,因此有必要分析轴向柱塞泵球面摩擦副制造工艺过程。本文以制造工艺对摩擦副的应变为研究对象,利用应力应变的有限元仿真,分析压配过程、冲头工装对摩擦副结构的影响,以及变形后摩擦副间隙内的流场力分布情况,得出工艺参数应选择适当的应力值(数值800~~1000N)、选用约60°结构的冲头工装执行冲铆工序的结论。通过有限元分析,为提高泵合格率做理论支撑。     

含单边非完整约束飞机滑跑的建模与仿真方法

当飞机在地面上滑行时,其运动会受到风载荷和不对称刹车力矩的影响.为分析飞机的动力学行为,给出了一种基于非完整非光滑多体系统动力学的建模与数值仿真方法.将飞机视为由机身和前后起落架组成的多体系统,主起落架的轮子为纯滚动,飞机在地面滑跑时考虑前起落架轮子的侧向滑移.飞机在跑道上滑跑的动力学方程由Routh方程导出,用约束稳定化方法抑制约束的漂移.轮与地面间的摩擦模型为库仑摩擦模型并用集值函数描述,以用于判断前轮是否发生侧向滑移.最后通过数值仿真算例分析风载荷和不对称刹车力矩作用下飞机在跑道上滑行的动力学行为.      

组合体航天器智能协同姿态控制研究

组合体航天器在姿态机动过程中的各单体卫星承受的控制力是不均匀的，局部控制力过大将会导致组合链接断裂而失效。应用多体动力学理论建立了组合体航天器间的相互作用模型，对内力、内力矩与整星姿态、控制力矩之间的关系进行了分析；仿真了极端情况下的内力矩分布，其大小可能超过常用对接机构的力矩承受范围；采用粒子群算(PSO)法对控制合力矩进行优化分配，通过预设初值和继承初值来加快PSO算法的收敛速度，实时调整各星控制力矩分配比例，减小星间相互作用力，实现组合体航天器的智能协同控制，保证组合体航天器的连接铰不因受力过大而损坏。算法仿真和Adams软件验证分析表明，本文建立的相互作用模型可准确计算出星间相互作用力，提出的智能协同姿控算法可显著降低姿控过程中的星间内力，确保组合体航天器的安全。     

基于模型参考模糊自适应的转台摩擦力矩补偿研究

为克服某型伺服转台在摩擦力矩干扰下引起的低速“爬行”问题,设计了基于模型参考模糊自适应的摩擦补偿控制方法;并基于所建立的数学模型对该摩擦补偿方法进行了lyapunov稳定性证明,采用Matlab进行了仿真试验分析。仿真结果表明,该摩擦补偿方法能够有效抑制摩擦干扰的不利影响,提升了转台低速跟踪的平稳性,从而显著提高了转台的低速伺服精度。     

潜在威胁小行星碰撞防御的计算与分析

研究了采用碰撞的方式进行小行星防御的动力学问题。采用多面体模型来建立小行星的外形模型,以碎石堆模型来建立小行星的结构模型,计算了小行星受到与其密度和材质相同的球体高速碰撞过程和碰撞后的碎石分布。计算过程在考虑了小行星与碰撞球体的接触形变以及小行星内部组成碎石堆的接触形变条件下,计算了碎石堆内部的相互引力、法向接触力、切向静摩擦力、切向动摩擦力和滚动摩擦力矩。以小行星101955 Bennu(中文名贝努)为对象计算了潜在威胁小行星的碰撞防御过程的动力学行为。结果显示:采用高速碰撞的方法进行小行星防御可以有效地将小行星撞成大量碎小的石块,且该方法具有核爆的方法不可比拟的优势,即对空间环境无污染。     

考虑磨损后含间隙指向机构运动特性

为了提高空间指向机构磨损寿命的预测精度,克服传统静态磨损寿命预测的缺陷,计及间隙、摩擦磨损耦合因素,以实现机构关节动态磨损的精确预测,并对综合考虑间隙、摩擦磨损等因素的空间二维指向机构动力学问题和磨损问题进行了研究。采用牛顿 欧拉法,将间隙变量嵌入动力学模型,构建含间隙二维指向机构的动力学模型。基于Archards磨损模型,找到运动副接触面不同位置处的磨损深度,重构运动副表面形貌,并对磨损前后含间隙指向机构的动态特性进行分析,得到了关节处接触碰撞力和切向摩擦力的变化规律;采用动态拟合变量法和离散处理法分别对含间隙运动副内部间隙与接触力间、运行时间与相对滑移速度间的对应关系进行拟合,并建立了动态磨损数学模型;进一步预测了二维指向机构在跟踪模式、调姿模式下的运行时间分别为1259192h、76444h。研究工作为二维指向机构的本体设计、制造与应用奠定基础。     

预拉伸板轧制-拉伸残余应力的计算机仿真

为消除铝板冷轧过程中产生的残余应力,采用弹塑性大变形有限元法对变形区内残余应力的分布进行数值模拟.通过分析不同轧制工况对残余应力分布的影响,得到不同压缩量对轧制残余应力的影响; 并对不同轧制工况后的板材进行参数拉伸,得到拉伸力大小、拉伸变形量大小对残余应力消除效果的影响值.模拟结果表明适当的拉伸(2%左右)可以均匀细化、部分消除残余应力,减小残余应力对后续加工的影响.      

纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力

针对目前软体机器人缺乏变形和接触力方面理论研究的问题，以软体夹持器为研究对象，开展了纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力的研究。首先设计了气动软体夹持器，该夹持器由纤维增强型单向弯曲驱动器、接触气囊以及单元的连接装置组成；其次基于Yeoh模型、Neo-Hookean模型分别建立了弯曲驱动器驱动压强与弯曲变形圆心角的非线性数学模型和弯曲驱动器末端接触力理论模型；然后开展了软体夹持器变形和末端接触力的仿真及实验，结果证明了理论模型的正确性；最后进行了纤维增强结构对软体夹持器变形和末端接触力影响的研究，实验结果表明:纤维增强结构能大幅度提高软体夹持器的变形和末端接触力。上述研究为其他纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力的研究提供了理论基础。      

高速干摩擦机械密封的端面变形及摩擦磨损

针对机械密封在高速干摩擦状态下,因设计不当产生端面过度变形和磨损而引起的密封失效问题,建立了热-结构耦合数值计算模型,分析了密封的温度场和端面变形。试验测试了静环温升,分析了动静环端面特征,探讨了高速干摩擦状态下的磨损机制。研究结果表明:建立的有限元模型能准确地预测密封的温度和端面变形,计算值和试验值相差小于11%;密封端面峰值温度对转速更敏感,随着运转时间的延长,温度先迅速增加后逐渐变缓;静环易产生锥度变形,造成端面接触压力和磨损不均匀,静环座的“匡正”作用能够改善这类变形;摩擦转移膜的存在状态对密封的温升、端面粗糙度起关键作用,动环表面喷涂Cr₂O₃等金属氧化物,能较好地保持致密的石墨转移膜,减轻密封的磨损。研究结果为机械密封的设计、优化和应用提供了基础。      

潜望式激光通信粗指向装置的多工况拓扑优化

激光通信技术具有广阔的应用前景。以潜望式激光通信粗指向装置为研究对象，提出了装置的等效有限元建模方法，建立了相应的有限元模型。分别针对发射阶段和在轨工作阶段2种工况，分析了加速度载荷和温度载荷对装置性能的影响。为了提升装置的工作性能，基于多工况拓扑优化方法，对装置的主体结构进行了优化设计。优化目标为装置在2种工况下的前三阶频率加权平均值最大、镜面中心在发射阶段的变形最小和镜面在在轨工作阶段的热变形面型误差最小，约束条件为装置的质量和左、右反射镜的响应差距。利用可行方向法完成优化迭代计算，优化后，装置在2种工况下的基频得到了提高，同时镜面的中心变形及面型误差得到了降低，装置的整体性能得到了明显提升。