轉位機構高溫傳遞故障分析及改進優化

邱 東，戴 慶，呂江濤，劉建雄

（1.湖北航天技術研究院總體設計所,武漢430040;2.湖北三江航天紅峰控制有限公司,孝感432009）

0 引言

轉位機構是用于慣性測量單元（Inertial Measurement Unit,IMU）旋轉調制的構件,通過旋轉調制可以使得地球重力加速度與自轉角加速度等關鍵參數的測量在慣性器件內實現自標定。根據來自編碼器和慣組的數據,轉位機構可精確控制IMU進行旋轉,從而實現自對準。為實現上述自標定、自對準等功能,轉位機構需要能夠攜帶負載旋轉在 0°、 90°、 180°、 270°等位置精確定位,并在飛行、運輸、貯存時實現可靠鎖緊,同時在標定、對準時實現解鎖功能。

為實現轉位、定位、鎖緊、解鎖等功能,轉位機構常采用多級運動副,由軸、軸承、齒盤、負載支撐平面等部分組成。有的轉位機構采用蝸輪蝸桿傳動,其優點是兼具傳動和自鎖功能。文獻[1]介紹了一種單軸自標定轉位機構結構構型,文獻[2]介紹了旋轉調制轉位機構的控制工作機理,傳動軸、齒盤、蝸輪蝸桿等傳動件和整機骨架、負載支撐平面等結構件通常采用不同的材質,各級運動副及安裝基體材料特性、加工公差、裝配誤差均是結構應力產生的主要因素,在溫度顯著變化的環境下,轉位機構內部的熱應力尤為明顯,易因應力問題產生傳遞故障。文獻[3]分析了鋁合金材料殘余應力情況,文獻[4]～文獻[7]提出了結構件熱-應力耦合的有限元仿真方法,文獻[8]通過仿真手段對溫度變化情況下熱應力的產生機理進行了分析。

基于轉位機構相關熱傳遞機理,構建了熱力學模型,通過仿真分析結合驗證實驗發現在高溫升環境下的機構部分運動副應力集中是導致高溫解鎖故障的原因。同時,上述仿真分析方法為快速定位轉位機構熱環境下的傳遞故障提供了有效手段。基于該結論,本文提出了轉位機構應力控制與故障快速檢測的方法,有效提高了轉位機構在溫度變化環境下的可靠性。

1 轉位機構熱傳遞機理分析

轉位機構（下文簡稱:機構）的工作模式主要有:1）鎖緊狀態；2）解鎖、鎖緊過程狀態；3）轉位狀態。

鎖緊狀態下的熱量傳遞方式有:靜態空氣對流換熱、機構的熱輻射、機構內部的熱傳導。如果采用橡膠減振墊外減振方式,因為減振墊的隔熱,機構和安裝基面的熱傳導可以忽略；如果不采用外減振或者使用金屬減振器,機構則存在與安裝基面的熱傳導。

解鎖、鎖緊過程狀態相較于鎖緊狀態熱交換方式基本相同,區別在于增加了熱源。增加的熱源包括鎖緊、解鎖電機產生的熱以及傳動機構相互摩擦產生的熱,此時的傳動機構運動速度低,所提升的與周圍空氣的對流換熱不明顯。

轉位狀態相較鎖緊狀態增加了轉位電機熱源,轉位機構運動時各部件摩擦產生的熱量低于解鎖、鎖緊過程狀態,傳動機構帶動負載旋轉會明顯提升與周圍空氣的對流換熱。

在上述過程中,轉位機構的負載（慣性設備等）如果通電工作,負載內部的傳感器件是額外熱源。

2 高溫傳遞故障原因初步定位

以某慣性設備旋轉調制用轉位機構高溫解鎖故障為例進行分析,該轉位機構傳動構件的示意圖如圖1所示。

圖1 某轉位機構升降傳動構件示意圖Fig.1 Schematic diagram of a transposition mechanism transmission parts

該轉位機構為單軸轉位機構,整機與外部通過硅橡膠減振墊進行安裝。升降電機是升降運動機構的驅動,升降齒輪、升降蝸輪蝸桿是轉位機構的升降傳動件,升降蝸輪安裝于偏心軸一端,偏心軸另一端的偏心凸輪與主軸的凹槽配合控制主軸的升降,主軸與上齒盤固連,因此主軸的升降與上齒盤的升降保持一致。

升降位置的控制依靠升降反饋和光電開關來實現。轉位機構解鎖時,升降機構驅動上齒盤升起到指定位置,升降反饋遮擋升光電開關,開關觸發,轉位機構升起到位；轉位機構鎖緊時,升降機構驅動上齒盤下降到指定位置,升降反饋遮擋降光電開關,開關觸發,進入減速敲擊狀態。在減速狀態過程中,先控制升降電機在100ms內無電壓輸入,再在300ms時間內以50%最大轉矩驅動電機旋轉,此過程一共循環5次,而后降落鎖緊結束。

根據實驗大綱,該項目的轉位機構需要經歷兩種不同技術狀態的實驗。兩種技術狀態的主要區別為溫度循環實驗要求不同,具體列表如表1所示。該轉位機構在技術狀態一條件下未出現溫度循環實驗中的解鎖故障,在技術狀態二條件下出現多起高溫解鎖故障現象,可見熱環境是導致該轉位機構高溫解鎖故障的原因。對該轉位機構可能產生故障的原因進行梳理,如圖2所示。

表1 轉位機構兩種技術狀態主要區別Table 1 Main differences between the two technical states of the transposition mechanism

圖2 故障樹分析Fig.2 Diagram of fault tree analysis

3 熱應力分析模型

3.1 轉位機構熱力學建模

為重點分析上述轉位機構傳動件的應力分布情況,選取關鍵部件構成仿真分析簡化模型,如圖3所示。將轉位機構各部件材料主要物理參數[9]列表,如表2所示。

圖3 轉位機構仿真簡化模型Fig.3 Simplified simulation model of transposition mechanism

表2 轉位機構各部件材料物理特性Table 2 Physical properties of materials for each part of transposition mechanism

該轉位機構依靠蝸輪蝸桿結構進行自鎖,在鎖緊狀態各運動副存在預緊力。

根據上文分析,轉位機構解鎖過程狀態的熱交換方式主要有:機構與周圍空氣的靜態空氣對流換熱、機構的熱輻射、機構內部器件的熱傳遞。

基于轉位機構高低溫循環實驗的實際情況（低溫－40℃保溫 2h,1h升溫到＋60℃,＋60℃保溫1.5h）,使用有限元分析軟件ANSYS對轉位機構進行建模分析,設定如下加載條件:

1）整機對外安裝接口使用的橡膠減振器為柔性約束,該處的應力遠小于機構內部應力,將整機對外接口處設定為無固定約束；

2）仿真模型轉位機構外表面的空氣對流換熱系數設為 8.3W/（m2·℃）；

3）模型機構內部約束根據實際情況進行設置,為了逐個分析各運動副的應力情況,針對性加載運動副的約束。

3.2 轉位機構解鎖狀態熱應力分析

首先,設定各傳動副內部沒有相互約束,針對升降傳動機構構建模型,仿真得到的位移云圖如圖4～圖6所示。

圖4 傳動機構位移云圖(放大200倍)Fig.4 Displacement nephogram of transmission mechanism(200 times magnification)

圖5 傳動機構位移云圖(屏蔽法蘭,放大200倍)Fig.5 Displacement nephogram of transmission mechanism(shielding flange,200 times magnification)

圖6 傳動機構位移云圖(截面,放大200倍)Fig.6 Displacement nephogram of transmission mechanism(section,200 times magnification)

根據仿真結果,主軸/偏心軸、升降蝸輪/升降蝸桿、升降齒輪1/升降齒輪2的接觸部位相對位置變化量如表3所示。

表3 傳動副接觸點相對位置變化量Table 3 Relative position change of transmission pair contact point

根據上述分析,主軸/偏心軸傳動副、升降齒輪1/升降齒輪2傳動副有干涉趨勢,分別添加傳動約束,仿真分析兩處的壓應力,其仿真云圖如圖7、圖8所示。

圖7 主軸/偏心軸傳動副應力云圖Fig.7 Stress nephogram of spindle/eccentric shaft driving pair

圖8 升降齒輪1/升降齒輪2傳動副應力云圖Fig.8 Stress nephogram of lifting gear 1/lifting gear 2 driving pair

經過分析,主軸/偏心軸的接觸應力達到171MPa,升降齒輪1/升降齒輪2的接觸應力最大值為18.9MPa,可見主軸/偏心軸的接觸應力更為集中。熱應力導致傳動副的接觸壓力,引發摩擦阻力,進而產生阻礙傳動的阻力矩,這是產生機構傳遞故障的主要因素。

4 分析結果驗證與機構優化改進

4.1 分析結果驗證

為驗證上述轉位機構主軸/偏心軸傳動副和升降齒輪1/升降齒輪2傳動副的應力集中對于機構解鎖功能的影響,在故障產品上進行驗證實驗。經過調整,對產品進行高低溫循環實驗,以檢測高溫解鎖情況,驗證實驗的方法及結果如表4所示。

根據實驗結果,主軸/偏心軸傳動副和升降齒輪1/升降齒輪2傳動副的應力集中均是可導致機構高溫解鎖故障的因素,主軸/偏心軸傳動副的影響為主導因素。

4.2 機構優化改進

基于上述分析,從鎖緊應力控制、解鎖應力釋放、應力狀態快速判斷三個方面進行優化改進,提出了三條對應的措施。

（1）鎖緊應力控制

上文已述,轉位機構鎖緊時,升降機構驅動上齒盤下降到指定位置,升降反饋遮擋降光電開關,開關觸發,進入一定時間內的數次減速敲擊狀態直至鎖緊結束。光電開關與反饋板在裝配時的相對位置關系決定了減速敲擊時上下齒盤的位置關系,如果光電開關觸發時上下齒盤距離過大,可能會導致鎖緊結束時上下齒盤并沒有嚙合到位,影響到位精度；如果光電開關觸發時上下齒盤已經嚙合,則敲擊過程電機輸出力矩會大部分作用于傳動件,導致傳動件之間的應力過大。

調節升降反饋的位置,通過觀察升降齒輪在敲擊時是否轉動角度,使得5次敲擊至少有3次敲擊加載在齒盤上,將該方法作為裝配工藝規范要求能夠有效控制鎖緊到位時傳動機構內部的應力。

（2）解鎖應力釋放

通過軟件升級更改解鎖時的控制流程,以實現鎖緊故障時的應力釋放。設定升降電機升起轉動時的加載電壓為正向電壓,降落時的加載電壓為反向電壓,更改前后的措施如下:

原解鎖故障時的控制流程為:控制電路給升降電機加載正向電壓,使升降電機向升起方向旋轉。若第一次加載后轉位機構沒有成功解鎖,后續會再次加載正向電壓,若第二次還是沒有成功,則會進行第三次加載,若第三次依然沒有成功,則系統報解鎖故障。

升級后解鎖故障時的控制流程為:控制電路給升降電機加載正向電壓,使升降電機向升起方向旋轉。若第一次加載后轉位機構沒有成功解鎖,后續會加載反向電壓,使電機向鎖緊方向旋轉。若此時沒有實現成功解鎖,后續進行第二次加載,過程為先加載反向電壓,再加載正向電壓,若第二次還是沒有成功,則進行第三次加載,若第三次還是沒有成功,則系統報解鎖故障。

（3）應力狀態快速判斷

觀察存在高溫解鎖故障的轉位機構和正常的轉位機構,發現常溫下升降電機的啟動電壓存在區別。將數十件轉位機構常溫下的啟動電壓列表,如表5所示。

表5 轉位機構升降電機在常溫下的啟動電壓Table 5 Starting voltage of transposition mechanism lifting motor at room temperature

將正常轉位機構與故障轉位機構的啟動電壓匯總,如圖9所示。

圖9 轉位機構啟動電壓匯總圖示Fig.9 Summary diagram of transposition mechanism starting voltage

由圖9可知,正常轉位機構電機的啟動電壓在6V～9V范圍內,故障轉位機構電機的啟動電壓高于11V。根據此規律制訂工藝規范,在轉位機構鎖緊、解鎖部分裝配完成后,測量升降電機的啟動電壓,如果超出6V～9V范圍,則需要對鎖緊、解鎖部分進行重新裝調。

通過以上三條措施進行機構優化改進,該轉位機構高溫解鎖故障問題得到了有效解決。

5 結論

針對轉位機構在溫度升高情況下出現的傳遞故障問題,基于熱力學原理對轉位機構熱應力的產生機理進行分析。結合某轉位機構高溫故障的例子,通過有限元分析軟件ANSYS進行零件實體建模和熱力學仿真,通過數組模型重建對轉位機構運動副的應力應變狀況進行逐條排查,實現對故障區域的定位。同時,仿真結果表明:溫升狀況下,因各部件的熱膨脹在部分運動副產生的應力集中是導致轉位機構傳動故障的主要原因。

基于仿真結果對目標運動副進行調整,驗證實驗證實了緩解該運動副的應力集中能夠有效避免傳動故障。從鎖緊應力控制、解鎖應力釋放、應力狀態快速判斷三方面提出了軟件升級、裝配工藝控制等措施,經過優化改進,轉位機構溫度升高情況下傳遞故障的問題得到了有效解決,所述的故障快速定位方法和改進優化措施為類似機構產品的設計與故障分析提供了借鑒。