抓捕手爪的热环境试验研究

论文摘要

由于空间机器人高昂的成本以及在空间的难以维修性,在其发射之前都要进行地面的各种环境试验,热环境试验也是其重要组成部分。本课题隶属于国家863主题重点项目“XXX系统”,主要对系统中的重要结构抓捕手爪进行了热环境试验的研究。本文首先着重讨论了空间热环境对抓捕手爪中的主要传动机构——电机轴系部件的影响。根据傅立叶定理和热力学第一定理,并通过电机轴的热源分布以及在真空中的导热形式建立了电机轴轴向的导热微分方程,从而推导出电机轴的温度场分布。基于建立的温度场,计算了电机轴在极限工作温度下的轴向伸长。此外,充分考虑到环境温度变化对轴承产生的影响,推导了轴承在空间热环境中径向工作游隙的改变量以及适合环境温度范围的轴承预载荷。空间环境的特殊性对抓捕手爪的电气系统的散热性能也产生较大的影响。本文通过COMSOL软件仿真,对比了电路板在自然对流和真空热辐射两种条件下不同的散热情况。在真空中,仅通过热辐射不足以使电路板具有良好的散热性能。本文对电路板的元器件进行了散热设计,并用软件模拟了引入散热设计后电路板的温度分布状况;结果显示这种散热设计对改善电路板的散热状况起到了非常明显的作用。通过对抓捕手爪进行热环境试验,暴露其机械和电气部分在热环境下出现的故障,并对这些故障进行诊断和加以解决。在预定的温度测试点下测试抓捕手爪的各项性能指标,以确定温度变化对抓捕手爪工作性能产生的影响。最后,通过不同轴承预载荷下抓捕手爪的性能测试,验证了前述理论所推导的轴承预载荷对提高手爪性能有着较明显的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 空间手爪的综述
• 1.2.1 国外空间手爪发展现状
• 1.2.2 国内空间手爪研究现状
• 1.3 空间环境试验综述
• 1.3.1 国外空间环境试验综述
• 1.3.2 国内空间环境试验综述
• 1.4 课题来源及研究的目的和意义
• 1.5 本文的主要内容
• 第2章 抓捕手爪机构的热环境影响分析及对策
• 2.1 引言
• 2.2 课题采用的抓捕手爪简介
• 2.3 电机轴温度场的确定
• 2.4 电机轴的伸长
• 2.5 轴承工作游隙受温度的影响
• 2.5.1 轴承的工作游隙
• 2.5.2 轴承的温度场的定性分析
• 2.5.3 轴承工作游隙的计算
• 2.6 考虑温度影响的轴承预载荷的确定
• 2.6.1 轴承预紧的目的
• 2.6.2 温度对轴承预载荷的影响
• 2.7 本章小结
• 第3章 抓捕手爪电气系统热环境仿真和适应性设计
• 3.1 引言
• 3.2 COMSOL的简介
• 3.3 传热学基本概念概述
• 3.3.1 导热
• 3.3.2 对流
• 3.3.3 辐射
• 3.4 热对流环境下电路板的热分析
• 3.4.1 电路板模型的建立和边界条件的设定
• 3.4.2 仿真结果
• 3.5 热辐射下电路板的热分析
• 3.6 电路板元器件的散热设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 热环境试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 常压热循环试验概述
• 4.3 抓捕手爪常压热循环试验及分析
• 4.3.1 抓捕手爪常压热循环试验的目的和内容
• 4.3.2 试验设备和试验方法
• 4.3.3 抓捕手爪的功能测试
• 4.3.4 抓捕手爪的性能测试
• 4.3.5 抓捕手爪在不同轴承预载荷下的性能测试
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢