空间关节的轴承预紧及其动态特性研究

论文摘要

航天器工作于高低温、高真空和高辐射的空间环境中,其结构性能将受到空间环境的影响。本文以空间关节为研究对象,研究空间关节轴承在空间环境下的刚度特性,确定其预紧方式和预紧载荷,防止空间关节在轨运行过程中受空间环境的作用预紧载荷变化过大导致轴承预紧脱载或者关节卡死,以确保空间关节的安全性和可靠性。本文首先基于经典的Hertz理论和有限元接触理论,得到空间关节轴承刚度特性的Hertz解析解和考虑协调变形和摩擦的有限元数值解,并通过轴承刚度测试试验得出其实际刚度。对比三种结果表明Hertz解析解不适用于空间关节轴承的分析,而有限元数值解则与实验值比较相符。基于传热理论和热阻网络理论对空间关节在空间环境下的热状态进行分析,得出空间关节轴承生热率和空间关节温度场。根据空间关节的工作环境和工作状况确定空间关节轴承的预紧方式和实现途径,并利用有限元热结构耦合分析法分析了空间关节极限工况下的结构位移和轴承刚度变化,确定了空间关节的最优预紧载荷。设计具体结构来实现所设计的轴承预紧载荷,通过试验验证实际预紧载荷与理论预紧载荷的相符情况,并验证轴承预紧载荷的合理性。在实现所设计的预紧载荷的情况下,对空间机械臂进行动态特性分析,得出其模态参数和振型,以验证其是否满足系统设计指标。最后通过振动试验验证有限元分析的正确性和空间机械臂对振动环境的适应性。轴承预紧技术的研究和应用比较广泛,但是对于空间环境下轴承预紧技术,国内外的研究较少。本课题可以作为涉及到轴承预紧的空间机构设计的参考,也可以用于地面机构设计中轴承温差较大的场合,且本文中对预紧载荷的精确实现研究可以用于其他需要精确控制预紧载荷的领域。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 空间机械臂研究现状
• 1.2.2 滚动轴承分析研究现状
• 1.2.3 轴承预紧研究现状
• 1.2.4 模态分析综述
• 1.3 课题来源及研究的目的和意义
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 轴承理论及解析计算
• 2.1 引言
• 2.2 球轴承几何学
• 2.2.1 节圆直径与径向游隙
• 2.2.2 密合度
• 2.2.3 轴向游隙与初始接触角
• 2.2.4 主曲率与相对曲率
• 2.2.5 空间关节轴承几何参数计算
• 2.3 赫兹接触理论
• 2.3.1 弹性理论
• 2.3.2 Hertz 接触理论
• 2.3.3 空间关节轴承Hertz 接触计算
• 2.4 轴承刚度理论
• 2.4.1 空间关节轴承位移与轴向刚度
• 2.4.2 空间关节轴承的刚度曲线
• 2.5 本章小结
• 第3章 空间关节轴承接触有限元分析与试验
• 3.1 引言
• 3.2 接触问题的有限元法
• 3.2.1 有限元法简介
• 3.2.2 接触问题分析
• 3.2.3 有限元工具ANSYS 介绍
• 3.3 两球面接触的有限元分析
• 3.3.1 模型建立
• 3.3.2 网格划分
• 3.3.3 接触对与边界条件设定
• 3.3.4 载荷步控制及求解
• 3.3.5 后处理及结果分析
• 3.4 空间角接触球轴承的有限元分析
• 3.4.1 模型的建立
• 3.4.2 网格划分
• 3.4.3 接触对与边界条件设定
• 3.4.4 载荷步控制及求解
• 3.4.5 后处理及结果分析
• 3.5 空间关节轴承的刚度测试与分析
• 3.5.1 轴承刚度测试实验台设计
• 3.5.2 轴承轴向刚度测试与分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 空间环境下轴承预紧载荷分析
• 4.1 引言
• 4.2 空间关节简介
• 4.3 空间关节的热源分析
• 4.3.1 轴承生热分析
• 4.3.2 电机生热分析
• 4.4 空间关节轴承温度场计算
• 4.4.1 热量传递原理
• 4.4.2 典型的热传递阻抗
• 4.4.3 空间关节的热阻抗
• 4.4.4 空间关节的热导方程
• 4.5 空间关节轴承预紧方式确定
• 4.5.1 角接触球轴承的预紧
• 4.5.2 空间关节轴承预紧方式
• 4.5.3 定位预紧的实现途径
• 4.6 空间关节热结构耦合分析
• 4.6.1 预紧结构热应变耦合分析
• 4.6.2 空间温度场对轴承刚度的影响
• 4.7 空间关节轴承预紧载荷的确定
• 4.7.1 空间关节轴承极限轴向载荷
• 4.7.2 空间关节轴承的预紧载荷
• 4.8 本章小结
• 第5章 轴承预紧载荷的实现与试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 轴承端面凸出量的测量
• 5.3 轴承预紧载荷的测量
• 5.3.1 定位预紧轴承预紧载荷测量方法研究
• 5.3.2 轴承预紧载荷测量试验台设计
• 5.3.3 轴承预紧载荷的测量及分析
• 5.4 轴承摩擦力矩的测量
• 5.4.1 测量原理
• 5.4.2 轴承摩擦力矩测量与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 预紧下空间关节动态特性分析与试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 模态分析理论
• 6.2.1 理论模态分析
• 6.2.2 实验模态分析
• 6.3 空间关节的模态分析
• 6.3.1 空间机械臂的建模
• 6.3.2 求解及后处理
• 6.4 空间关节的振动试验
• 6.4.1 振动试验原理
• 6.4.2 实验方案
• 6.4.3 扫频试验
• 6.4.4 正弦振动试验
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢