火箭炮大推力機電伺服作動器疲勞穩(wěn)定性研究

摘要火箭炮大推力機電伺服作動器是以高精度行星滾柱絲杠為核心部件的直線傳動機構(gòu)。為研究行星滾柱絲杠副疲勞穩(wěn)定特性，開展了行星滾柱絲杠無故障與有故障疲勞對比試驗;通過試驗數(shù)據(jù)曲線，分析了行星滾柱絲杠副輪齒缺損和有無潤滑脂兩種工況對絲杠副負(fù)載、位移、轉(zhuǎn)速、溫升的影響。研究結(jié)果表明，在部分輪齒缺損或無潤滑脂兩種工況下，行星滾柱絲杠副依然可以保持較為穩(wěn)定的負(fù)載、位移、轉(zhuǎn)速、溫升曲線;火箭炮大推力機電伺服作動器行星滾柱絲杠副在輪齒受損或少潤滑脂情況下可免維護或少維護使用。

關(guān)鍵詞機電伺服作動器行星滾柱絲杠副疲勞穩(wěn)定性

Research on Fatigue Stability of Rocket Launcher High Thrust Electro-mechanical Servo Actuator

Zhang Jianxin Deng Wenzhu Lei Wei

（China North Industries Group Jiangshan Heavy Industries Research Institute Co .，Ltd.，Xiangyang 441057，China）

Abstract The high thrust electro-mechanical servo actuator in rocket launcher is a linear transmission mechanism with high precision planetary roller screw as its core component. In order to study the fatigue stabili-ty characteristics of planetary roller screw mechanism，a fatigue comparison test of fault-free and fault is carried out. Based on the test data curve，the influence of loss of gear tooth and two working conditions with or without grease on load，displacement，speed and temperature rise of planetary roller screw mechanism are analyzed . The result shows that planetary roller screw mechanism could maintain relatively stable load，displacement，speed and temperature rise curves under two working conditions of partial tooth defect or without grease . The planetary roller screw mechanism of high thrust electro-mechanical servo actuator could be used without maintenance or less maintenance for the engineering application in case of tooth damage and little grease .

Key words Electro-mechanical servo actuator Planetary roller screw mechanism Fatigue Stability

0引言

機電伺服作動器（Electro-mechanical actuator， EMA ）是以高精度絲杠副為核心部件，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的功率電傳動作動系統(tǒng)的一個分支，其具有質(zhì)量輕、工作效率高、系統(tǒng)可靠性高、成本低和便于維護[1-2]等優(yōu)點，近年來受到廣泛關(guān)注和推廣，工作原理已經(jīng)十分成熟，但相關(guān)領(lǐng)域的實際應(yīng)用及關(guān)鍵特性還有待開展深入研究。

機電伺服作動系統(tǒng)重點應(yīng)用于未來全電、多電陸上火力打擊平臺的制動系統(tǒng)、炮控系統(tǒng)、起豎系統(tǒng)等大負(fù)載操縱機構(gòu)，主要應(yīng)用于火箭炮起豎系統(tǒng)。機電伺服作動系統(tǒng)的核心部件——高精度行星滾柱絲杠副（Planetary roller screw mechanism ，PRSM）是研究的重點之一。目前，國內(nèi)外關(guān)于 PRSM 的理論研究已經(jīng)有了較多的成果。其中主要的研究方面有：參數(shù)匹配設(shè)計[3-4]、運動學(xué)分析[5-6]、靜剛度計算[7-9]、摩擦力矩及效率計算[10-11]、PRSM 加工方法[12]以及 PRSM 的壽命試驗[13]、額定動載荷計算[14]、熱特性分析[15]等。但針對應(yīng)用于火箭炮等領(lǐng)域的 PRSM 疲勞穩(wěn)定性研究還比較少。研究 PRSM 在疲勞損壞工況下的運動特性具有十分重要的軍事意義，直接關(guān)系火箭炮戰(zhàn)時火力的持續(xù)穩(wěn)定輸出。開展行星滾柱絲杠副的有故障或無潤滑脂工況下的疲勞穩(wěn)定性研究，可對未來全電化火箭炮全天候、免維護、持續(xù)作業(yè)提供重要的理論支撐。

1疲勞故障試驗研究測試系統(tǒng)

對機電伺服作動器應(yīng)用的行星滾柱絲杠副進行疲勞試驗研究的目的，是基于不同載荷、速度工況，開展系統(tǒng)疲勞故障試驗研究。行星滾柱絲杠副結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。對行星滾柱絲杠副無故障與有故障疲勞特性進行對比分析，考核故障對行星滾柱絲杠副的疲勞工況影響。研究考核的故障主要為行星滾柱絲杠副滾柱輪齒損壞和潤滑劑缺失。

機電伺服作動器疲勞試驗在液壓加載綜合性能試驗臺上進行，如圖2 所示。試驗臺包含驅(qū)動系統(tǒng)（行星滾柱絲杠副機電伺服系統(tǒng)）和機械平臺;控制系統(tǒng)包含工業(yè)控制計算機、控制器、驅(qū)動器、信號采集器。測量系統(tǒng)包含力傳感器、磁滯伸縮位移傳感器、溫度傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等。

2行星滾柱絲杠副疲勞試驗分析

行星滾柱絲杠副滾柱結(jié)構(gòu)如圖3 所示。斷齒是人為地破壞行星滾柱上一部分輪齒，在此情況下進行疲勞試驗。試驗分為斷一側(cè)齒、斷兩側(cè)齒、無潤滑脂、有潤滑脂4 種情況，每種情況設(shè)置3 組輸入?yún)?shù)，選擇恒定負(fù)載6 kN ，便于各種工況數(shù)據(jù)對比分析，轉(zhuǎn)速分別為40 r/min 、80 r/min 、105 r/min ，共3 組。限于篇幅，選取最惡劣工況——負(fù)載為6 kN，轉(zhuǎn)速為105 r/min 的試驗數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，通過對負(fù)載、轉(zhuǎn)速、位移、溫度變化曲線的分析，判定行星滾柱絲杠副的疲勞穩(wěn)定特性。

2.1 斷一側(cè)齒

斷一側(cè)齒，即所有滾柱中選擇1 個滾柱，將其一側(cè)的齒進行人為破壞，然后重新裝配后進行試驗。試驗結(jié)果分別如圖4～圖 7所示。

由圖 4可知，在加載負(fù)載為 6 kN 、轉(zhuǎn)速為 105 r/min 的工況下，持續(xù)進行正反轉(zhuǎn)驅(qū)動，機電伺服作動器通過位移伺服控制進行往復(fù)運動，作動器輸出端所受負(fù)載變化穩(wěn)定，但會出現(xiàn)輕微不一致。

由圖5 可知，在加載負(fù)載為6 kN ，進行正反轉(zhuǎn)驅(qū)動，轉(zhuǎn)速達到105 r/min ，持續(xù)往復(fù)運動，加減速運動過程平穩(wěn)，速度穩(wěn)定。

由圖 6可知，在加載負(fù)載為 6 kN 、轉(zhuǎn)速為 105 r/min 的工況下，正反轉(zhuǎn)驅(qū)動，持續(xù)往復(fù)運動，運動位置準(zhǔn)確，但有輕微波動。

由圖7 可知，在負(fù)載為6 kN、轉(zhuǎn)速為105 r/min 的往復(fù)運動過程中，隨著時間運行，溫度曲線上升平滑，長時間持續(xù)運行，溫度上升了2 ℃。

綜上所述，在斷一側(cè)齒情況下，行星滾柱絲杠副運轉(zhuǎn)穩(wěn)定;因液壓加載系統(tǒng)存在內(nèi)泄漏，導(dǎo)致負(fù)載、位移輕微變化，但無劇烈波動。溫度曲線上升平滑，長時間持續(xù)運行，溫度持續(xù)上升，但上升速度緩慢，在可接受范圍內(nèi)。

2.2 斷兩側(cè)齒

斷兩側(cè)齒，即所有滾柱中選擇1 個滾柱，將其兩側(cè)的某一齒進行人為破壞，然后重新裝配后進行試驗，試驗結(jié)果分別如圖8～圖 11所示。可以看出，在加載負(fù)載為6 kN、轉(zhuǎn)速為105r/min 的工況下，持續(xù)進行正反轉(zhuǎn)驅(qū)動，機電伺服作動器往復(fù)運動，作動器輸出端所受負(fù)載穩(wěn)定變化，加減速運動過程平穩(wěn)，速度穩(wěn)定，運動位置準(zhǔn)確，波動輕微。溫度曲線上升平滑，長時間持續(xù)運行，溫度上升了2.3 ℃。故在斷兩側(cè)齒情況下，行星滾柱絲杠副運轉(zhuǎn)穩(wěn)定;因液壓加載系統(tǒng)存在內(nèi)泄漏，導(dǎo)致負(fù)載、位移輕微變化，但無劇烈波動。溫度曲線上升平滑，長時間持續(xù)運行，上升速度緩慢，在可接受范圍內(nèi)。

2.3 無潤滑脂

行星滾柱絲杠副不添加任何潤滑脂進行疲勞實驗，試驗結(jié)果分別如圖12～圖 15所示。可以看出，在加載負(fù)載為6 kN 、轉(zhuǎn)速為105 r/min 的工況下，持續(xù)進行正反轉(zhuǎn)驅(qū)動，機電伺服作動器往復(fù)運動，作動器輸出端所受負(fù)載穩(wěn)定變化，加減速運動過程平穩(wěn)，速度穩(wěn)定，運動位置準(zhǔn)確，波動輕微。溫度曲線上升平滑，長時間持續(xù)運行，溫度上升了3 ℃。故在無潤滑脂情況下，行星滾柱絲杠副運轉(zhuǎn)穩(wěn)定;因液壓加載系統(tǒng)存在內(nèi)泄漏，導(dǎo)致負(fù)載、位移輕微變化，但無劇烈波動。溫度曲線上升平滑，長時間持續(xù)運行，上升速度緩慢，在可接受范圍內(nèi)。

2.4 有潤滑脂

在行星滾柱絲杠副正常運行情況下，添加潤滑脂進行了疲勞試驗，試驗結(jié)果分別如圖16～圖 19所示。可以看出，在加載負(fù)載為6 kN 、轉(zhuǎn)速為105 r/min 的工況下，持續(xù)進行正反轉(zhuǎn)驅(qū)動，機電伺服作動器往復(fù)運動，作動器輸出端所受負(fù)載穩(wěn)定變化，加減速運動過程平穩(wěn)，速度穩(wěn)定，運動位置準(zhǔn)確，輕微波動。溫度曲線上升平滑，長時間持續(xù)運行，溫度上升了3 ℃。故在有潤滑脂情況下，行星滾柱絲杠副運轉(zhuǎn)穩(wěn)定;因液壓加載系統(tǒng)內(nèi)泄漏，導(dǎo)致負(fù)載、位移輕微變化，但無劇烈波動。溫度曲線上升平滑，長時間持續(xù)運行，上升速度緩慢，在可接受范圍內(nèi)。

3行星滾柱絲杠副疲勞試驗對比分析

第2 節(jié)中分析了滾柱絲杠在有故障情況下的疲勞試驗情況，為進一步研究各故障的影響程度，對前述故障情況進行對比試驗分析。

3.1 無故障與斷一側(cè)齒情況對比

在負(fù)載為6 kN 、轉(zhuǎn)速為40 r/min 的工況下，滾柱絲杠分別在無故障和斷一側(cè)齒情況下試驗的位移和溫度結(jié)果分析對比如圖20～圖 22所示。由圖20、圖 21中可知，一定時間內(nèi)，位移影響較小;局部放大圖的位移波形顯示，隨著時間逐漸延長，斷一側(cè)齒的波形相比無故障的波形的波峰在相位上逐漸提前，且差異越來越明顯，說明斷一側(cè)齒對滾柱絲杠副的運轉(zhuǎn)產(chǎn)生了較為明顯的影響。由圖22中可知，斷一側(cè)齒的溫度明顯比無故障的工作溫度高，在同一時間段1 200 s 內(nèi)，斷一側(cè)齒運轉(zhuǎn)溫度上升3.8 ℃，而無故障運轉(zhuǎn)溫度上升2 ℃，斷一側(cè)齒的溫度上升速度是無故障的約1.9 倍。

通過對比分析可知，相較于無故障正常運行的機電伺服作動器，斷一側(cè)齒的故障情況在一定時間內(nèi)對運行位移基本無影響，隨著長時間運行，位移精度變差，溫升較嚴(yán)重。

3.2 斷齒情況對比

在負(fù)載為6 kN 、轉(zhuǎn)速為40 r/min 的工況下，滾柱絲杠分別在斷一側(cè)齒和斷兩側(cè)齒情況下進行試驗的位移和溫度結(jié)果分析對比如圖23～圖 25所示。由圖 23、圖24中可知，斷一側(cè)齒與斷兩側(cè)齒的位移波形數(shù)據(jù)前后無明顯變化，說明斷一側(cè)齒與斷兩側(cè)齒對滾柱絲杠副運行影響相差不大。由圖25中可知，斷一側(cè)齒比斷兩側(cè)齒的溫度上升明顯要快，且溫度比斷兩側(cè)齒的溫度要高。

通過對比分析可知，相較于斷一側(cè)齒故障運行的機電伺服作動器，斷兩側(cè)齒在故障情況下運行，溫升較慢，位移精度無差別。

3.3 有無潤滑脂情況對比

在負(fù)載為6 kN 、轉(zhuǎn)速為40 r/min 的工況下，滾柱絲杠副分別在無潤滑脂和有潤滑脂情況試驗的位移和溫度結(jié)果分析對比如圖26～圖 28所示。由圖26、圖 27中可知，無潤滑脂的波峰與有潤滑脂的位移波峰起始階段基本相近，隨著時間延長，到達1 000 s 左右時，無潤滑脂下的位移逐漸發(fā)生滯后現(xiàn)象。由圖 28中可知， 1000 s 后，有潤滑脂比無潤滑脂的溫升較快，工作溫度也比無潤滑脂較高，但相差不大。

通過對比分析可知，無潤滑脂情況下一定時間內(nèi)運行，對滾柱絲杠副影響較小，但運行時間越長，位移精度越差，但溫度相差不大。

4結(jié)論

在火箭炮大推力機電伺服作動器不同工況下，針對有故障與無故障情況進行了疲勞試驗。通過對比分析可知，行星滾柱絲杠副在斷一側(cè)齒運轉(zhuǎn)時，溫升較嚴(yán)重;因斷一側(cè)齒導(dǎo)致絲杠輪齒不對稱，斷一側(cè)齒比斷兩側(cè)齒溫升更快，工作更惡劣，其故障影響最大，但在1 200 s 時間范圍內(nèi)的溫度變化速度基本可控，在可以接受的范圍內(nèi);在一定時間無潤滑脂運轉(zhuǎn)時，位移、溫升影響較小。

根據(jù)疲勞試驗分析結(jié)論，行星滾柱絲杠副在斷一側(cè)齒、斷兩側(cè)齒、有潤滑脂、無潤滑脂4 種情況下，在一定時間內(nèi)均可以保持較為平穩(wěn)的運轉(zhuǎn)，溫度變化在500 s 內(nèi)可控，上升幅度可控制在3 ℃之內(nèi)。結(jié)合火箭炮間歇性不連續(xù)作業(yè)的實際應(yīng)用，在機電伺服作動器發(fā)生斷齒故障、無潤滑脂故障時，行星滾柱絲杠副可在較長時間內(nèi)保證火箭炮的正常戰(zhàn)術(shù)作業(yè)，提升火箭炮全天候戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行能力，滿足其較長時間免維護、少維護的應(yīng)用需求，有效提升火箭炮的整體穩(wěn)定性能。研究對火箭炮及其他武器裝備提升服役水平具有重要的意義。

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收稿日期：2021-10-26 修回日期：2022-03-17

基金項目：國防科技創(chuàng)新特區(qū)項目國家博士后科學(xué)基金（2020M672318）

作者簡介：張建新（1980—），男，陜西清澗人，碩士，正高級工程師;研究方向為火箭炮總體，信息系統(tǒng)與自動控制。