CN113049154A - 空间动量轮轴承摩擦力矩试验机及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间动量轮轴承摩擦力矩试验机及其试验方法，由驱动模块、力矩模块组成；力矩模块包含有力矩标定块、标定轴、力矩测量装置。试验机处于标定模式时，标定轴安装在驱动轴和力矩测量装置之间，驱动轴不转动，仅由力矩标定装置施加轴向力矩M₁，然后力矩模块对标定轴加载竖直方向的力矩M₂，获得此时力矩测量装置得到的轴向力矩M₁’，根据不同M₂下M₁和M₁’之间的关系完成标定。测量模式时，驱动轴转动带动飞轮旋转，力矩模块输出竖直方向的力矩M₂并测得力矩M₁’，根据标定结果获得实际轴向摩擦力矩M₁，有效消除力矩M₂对测量结果带来的误差。本发明可实现航天卫星姿态调节系统中动量轮的工况模拟，从而对动量轮进行摩擦力矩测量试验。

Description

空间动量轮轴承摩擦力矩试验机及其试验方法

技术领域

本发明涉及动量轮的性能测试，具体涉及到一种空间动量轮轴承摩擦力矩试验机及其试验方法。

背景技术

动量轮是航天卫星姿态调节的重要执行机构，面向航天器姿态与轨道控制性能增长需求，飞轮轴承组件传统润滑方案已经不能满足可靠性和寿命增长要求，空间长效润滑问题已经成为航天器寿命的主要制约因素。因此需要开发动量轮轴承摩擦力矩试验机研究动量轮在长期运行工况下的轴承摩擦力矩变化情况。

综合考虑动量轮的低真空工作环境、工作过程受到与旋转轴正交的扭矩、旋转轴不动飞轮转动等特点，本发明提出一种动量轮轴承摩擦力矩测量试验装置，旨在模拟航天动量轮的实际工况进行摩擦力矩试验，获得动量轮摩擦力矩不同工况下的变化特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴承摩擦力矩试验机，可用于轴承摩擦力矩测量。其模拟工况适用于常见航天动量轮，包括真空环境、轴承受到与旋转轴正交的扭矩载荷、旋转轴不动飞轮转动等工况，支持航天动量轮的研制和改进。为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种空间动量轮轴承摩擦力矩试验机，所述动量轮包含有飞轮以及横向穿过飞轮中心穿装孔的转轴，所述空间动量轮轴承摩擦力矩试验机安装在真空腔体内，所述空间动量轮轴承摩擦力矩试验机由驱动模块、力矩模块组成；

所述驱动模块包含有一水平布置的驱动轴，所述驱动轴通过支撑装置固定在工作台上；

装夹模块由同轴连接的第一、第二联轴器构成；

力矩模块包含有力矩标定块、标定轴、力矩测量装置、十字交叉导轨、测量转动座和测量基座，

力矩标定块可拆卸的安装在工作台上以加载标定力矩至驱动轴，标定轴可拆卸的连接在驱动轴端部和力矩测量装置之间，力矩测量装置通过十字交叉导轨固定在测量转动座上，测量转动座固定在测量基座上，测量基座底部通过位置调节机构固定在工作台上表面，测量转动座通过转动副与砝码相连，所述动量轮可拆卸的连接在驱动轴和力矩测量装置之间用于替换所述标定轴，通过添减砝码实现对动量轮的恒定力矩标定；

其中，所述标定轴的两端与驱动轴和力矩测量装置均刚性连接，所述动量轮的一端通过飞轮与驱动轴刚性连接，且动量轮的另一端通过转轴与力矩测量装置刚性连接。

进一步的，驱动轴通过装夹模块与标定轴或者飞轮连接，所述装夹模块由同轴连接的第一、第二联轴器构成，第一联轴器与驱动轴同轴固定连接，第二联轴器与标定轴或者飞轮同轴固定连接；驱动轴通过装夹模块带动飞轮转动。

进一步的，转轴或者标定轴通过力矩传递机构与力矩测量装置相连，所述力矩传递机构包含有力矩传递盘和力矩传递块，力矩传递盘靠近力矩传递块的一端固定有两个螺栓滚轮，力矩传递盘一端通过第三联轴器与标定轴或者动量轮的转轴相连，位于力矩传递盘上的螺栓滚轮通过力矩传递块连接力矩测量装置，力矩传递块轴向滑动位于两个螺栓滚轮之间。

进一步的，所述力矩模块通过左右两组转动副与测量基座连接，

测量转动座上有两个螺栓用于连接转动副的钢丝，钢丝绕过两个带槽轴轮与砝码连接，砝码的重力转化为钢丝的拉力拉动测量转动座，使测量转动座受到竖直向上的力矩，该竖直向上的力矩将通过力矩传递块作用于力矩传递盘上的螺栓滚轮，最终使标定轴或者动量轮受到来自力矩传递盘的径向力矩载荷。

进一步的，所述支撑装置为固定在工作台上的两个轴承座，驱动轴安装在两个轴承座之间；

驱动轴的外径上固定有带轮，带轮通过皮带与外界驱动装置相连。

进一步的，力矩标定块通过定力矩标定螺栓固定在工作台上，且定力矩标定螺栓上套有定力矩标定弹簧。

进一步的，所述位置调节机构由固定在测量基座与工作台之间的多个万向节组成。

一种基于上述空间动量轮轴承摩擦力矩试验机的试验方法，包括如下步骤：

S1、将试验机处于标定模式，将标定轴安装在驱动轴和力矩测量装置之间，保持驱动轴不转，仅由力矩标定块施加轴向力矩M₁至驱动轴，通过添减砝码实现对标定轴不同的垂直于转轴的力矩M₂加载并由力矩测量装置测得轴向力矩M₁’，根据不同M₂下M₁和M₁’之间的关系完成标定，有效消除装置在不同力矩M₂下产生的测量误差；

S2、根据多组标定模式试验得到的数据，进行试验机轴向力矩测量结果的标定；

S3、将驱动轴与外界驱动装置连接，卸除标定轴，将动量轮连接在驱动轴端部和力矩测量装置之间，驱动轴带动飞轮转动且转轴保持静止，在目标工况下由力矩测量装置测得轴向转动力矩，根据之前标定数据，拟合计算出当前工况下动量轮轴承摩擦力矩。

进一步的，将所述空间动量轮轴承摩擦力矩试验机放置在真空腔体内模拟太空环境，研究在模拟空间工况下，当动量轮承受与旋转轴正交的扭矩时其摩擦力矩变化情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1)实现了航天卫星姿态调节系统中飞轮的工况模拟，从而可以对飞轮进行摩擦扭矩测量试验，缩短研发进程。模拟工况包括：真空环境、承受到与旋转轴正交的扭矩载荷、旋转轴不动飞轮转动。2)本发明还可以用于测量其他动量轮类或其他滚动轴承摩擦力矩，且具备模拟不同气压及载荷工况特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的动量轮轴承摩擦力矩测量试验机在标定模式的正视图；

图2是本发明一实施例提供的动量轮轴承摩擦力矩测量试验机在测量模式正视图；

图3是本发明一实施例提供的动量轮轴承摩擦力矩测量试验机测试的动量轮剖视图；

图4是本发明一实施例提供的动量轮轴承摩擦力矩测量试验机的装夹模块正视图；

图5是本发明一实施例提供的动量轮轴承摩擦力矩测量试验机的力矩传递机构的正视图；

图6是本发明一实施例提供的动量轮轴承摩擦力矩测量试验机其连接副部分的剖视图和俯视图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

参照图1所示，本发明提供了一种空间动量轮轴承摩擦力矩试验机，本发明试验机测试对象为空间动量轮24，如图3所示，其主要组成部分包括飞轮24-1、轴承24-2、转轴24-3，动量轮在实际运行过程中转轴24-3固定在外框架上，飞轮24-1本身包含有电机组合转子，在框架电机本体定子的驱动下实现转动。同时转轴24-3上附有电路用于轴承润滑系统调控，因此在实际测试中转轴是不允许转动的。特别说明，本试验中，空间动量轮电机并不启用，由驱动模块驱动。

本发明提供的空间动量轮轴承摩擦力矩试验机安装在工作台23上，由驱动模块、力矩模块组成。

驱动模块包含有一水平布置的驱动轴2，驱动轴2通过支撑架固定在工作台23上。驱动模块可以根据需要连接的各种动力装置使驱动轴2以特定的模式转动，该模块与动量轮连接驱动飞轮24-1本体转动。

力矩模块包含有力矩标定块3、标定轴9、力矩测量装置14、十字交叉导轨15、测量转动座16和测量基座21；力矩标定块3可拆卸的安装在驱动轴2上以加载标定力矩至驱动轴2，标定轴9可拆卸的连接在驱动轴2端部和力矩测量装置14之间，力矩测量装置14通过十字交叉导轨15固定在测量转动座16上，测量转动座16固定在测量基座21上，测量基座21底部通过位置调节机构22固定在工作台23上表面，测量转动座16通过转动副与砝码20相连，动量轮24可拆卸的连接在驱动轴2和力矩测量装置14之间，用于替换标定轴9。在本发明中，通过添减砝码20实现对动量轮24或者标定轴9的力矩M₂加载，并通过静力矩测量装置(即力矩测量装置14)实现动量轮轴承摩擦力矩的测量。

需要说明的是，标定轴9的两端与驱动轴2和力矩测量装置14刚性连接，动量轮24的一端通过飞轮24-1与驱动轴2刚性连接，且动量轮24的另一端通过转轴24-3与力矩测量装置14刚性连接。

在一可选的实施例中，驱动轴2通过装夹模块与标定轴9或者飞轮24-1连接，图4示出了装夹模块的组成图，其由同轴连接的第一联轴器7、第二联轴器8构成，第一联轴器7与驱动轴2同轴固定连接，第二联轴器8与标定轴9或者飞轮24-1同轴固定连接。驱动轴2通过装夹模块(即第一联轴器7、第二联轴器8)带动动量轮24的飞轮24-1转动。装夹模块固定动量轮24的转轴部分，并延伸出两个螺栓滚轮12与力矩测量装置形成滑动连接，该连接副具有消除安装不当对力矩测量的误差、传递外部载荷力矩、输出动量轮摩擦力矩的特点。

该试验机处于测量模式时，装夹模块安装空间动量轮。空间动量轮通过装夹模块(第一联轴器7、第二联轴器8)连接驱动轴2实现特定的模式转动，联轴器保证了驱动轴2轴心和飞轮轴心的同轴度，并且动量轮24的转轴24-3通过第三联轴器10连接力矩传递盘11实现固定不转动。力矩传递盘11上的螺栓滚轮12和力矩传递块13之间滑动连接，可以消除转配误差，同时动量轮24的重力全部由联轴器承担从而不影响力矩测量装置。

试验机处于标定模式时，装夹模块安装标定轴9，标定轴9的两端直接连接两侧的联轴器，实现驱动模块与力矩模块之间的刚性连接。

在一可选的实施例中，动量轮24的转轴24-3或者标定轴9通过力矩传递机构与力矩测量装置14相连，如图5所示，力矩传递机构包含有力矩传递盘11和力矩传递块13，力矩传递盘11靠近力矩传递块13的一端固定有两个螺栓滚轮12，力矩传递盘11一端通过第一联轴器10与标定轴9或者动量轮24的转轴24-3相连，位于力矩传递盘11上的螺栓滚轮12通过力矩传递块13连接力矩测量装置14，力矩传递块13轴向滑动的设于两个螺栓滚轮12之间。

螺栓滚轮12与力矩传递块13之间的装配位置如图6所示，两者实际上是属于滑动连接副的关系，因此动量轮24的重力将全部由第一联轴器7承担，可以消除竖直方向载荷对力矩测量装置14的误差。

在一可选的实施例中，力矩模块通过左右两组转动副与测量基座21连接，测量转动座16上有两个螺栓用于连接转动副的钢丝17，钢丝17绕过两个带槽轴轮18与砝码20连接，砝码20的重力转化为钢丝17的拉力拉动测量转动座16，使测量转动座16受到竖直向上的力矩，该竖直向上的力矩将通过力矩传递块13作用于力矩传递盘11上的螺栓滚轮12，最终使标定轴9或者动量轮24受到来自力矩传递盘11的径向力矩载荷M₂。十字交叉导轨15实现的水平面内自由运动化解了力载荷的传递，确保仅有力矩传导，该力矩将通过力矩测量装置14上面的力矩传递块13作用于螺栓滚轮12，而力矩传递块13又仅仅与空间动量轮24的转轴24-3连接，因此空间动量轮24的飞轮24-1在转动的过程中同时受到了来自转轴24-3的力矩作用，进而实现空间动量轮的力矩加载工况而不引入其他作用力和力矩。

另一方面，空间动量轮轴承摩擦力矩将作用于转轴24-3上，转轴24-3最终通过两个螺栓滚轮12将力矩传递于力矩测量装置14，实现对摩擦力矩的测量。假如螺栓滚轮12与力矩传递块13两者通过胶水或其他方式粘在一起，则当力矩加载与测量模块与加载模块的第三联轴器10的装配位置存在误差时，将容易使空间动量轮24的转轴24-3对飞轮24-1产生载荷，对测量结果带来误差。因此螺栓滚轮12与力矩传递块13构成的滑动副可以在消除装配误差的情况下实现力矩的加载与测量过程的传递功能。

在一可选的实施例中，支撑装置为固定在工作台23上的两个轴承座6，驱动轴2安装在两个轴承座6之间；驱动轴2的外径上固定有带轮1，带轮1通过皮带与外界驱动装置相连。

在一可选的实施例中，力矩标定块3通过定力矩标定螺栓5固定在工作台23上，且定力矩标定螺栓5上套有定力矩标定弹簧4。

在一可选的实施例中，位置调节机构22由固定在测量基座21与工作台23之间的多个万向节组成，通过三个万向节可以灵活调节该测量基座21相对于力矩标定块3的装配位置。

下面就本发明提供的空间动量轮轴承摩擦力矩试验机来测量动量轮力矩的方法进行进一步的说明：

S1、将试验机处于标定模式，将标定轴9安装在驱动轴2和力矩测量装置14之间，保持驱动轴2不转，仅由力矩标定块3施加轴向力矩M₁至驱动轴2，通过添减砝码20实现对标定轴9不同的垂直于转轴的力矩M₂加载并由力矩测量装置14测得轴向力矩M₁’，根据不同M₂下M₁和M₁’之间的关系完成标定，有效消除力矩M₂对测量结果带来的误差。

S2、根据多组标定模式试验得到的数据，进行试验机轴向力矩测量结果的标定。

S3、将驱动轴2与外界驱动装置连接，卸除标定轴9以及力矩标定块3，将动量轮24连接在驱动轴2和力矩测量装置14之间，驱动轴2带动飞轮24-1转动且转轴24-3保持静止，在目标工况下由力矩测量装置14测得轴向转动力矩M₁’，根据之前标定数据，拟合计算出当前工况下动量轮轴承摩擦力矩。

根据试验要求，可以让试验机处于真空环境，在目标工况下由力矩测量装置测得轴向转动力矩，根据之前标定数据，拟合计算出该工况下动量轮轴承摩擦力矩。本发明将空间动量轮轴承摩擦力矩试验机放置在真空腔体内模拟太空环境，研究在模拟空间工况下，当动量轮承受与旋转轴正交的扭矩时其摩擦力矩变化情况。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，也不仅限于空间动量轮轴承，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种空间动量轮轴承摩擦力矩试验机，所述动量轮(24)包含有飞轮(24-1)以及横向穿过飞轮(24-1)中心穿装孔的转轴(24-3)，其特征在于，所述空间动量轮轴承摩擦力矩试验机安装在工作台(23)上，所述空间动量轮轴承摩擦力矩试验机由驱动模块、力矩模块组成；

所述驱动模块包含有一水平布置的驱动轴(2)，所述驱动轴(2)通过支撑装置固定在工作台(23)上；

所述力矩模块包含有力矩标定块(3)、标定轴(9)、力矩测量装置(14)、十字交叉导轨(15)、测量转动座(16)和测量基座(21)，

力矩标定块(3)可拆卸的安装在驱动轴(2)上以加载标定力矩至驱动轴(2)，标定轴(9)可拆卸的连接在驱动轴(2)端部和力矩测量装置(14)之间，力矩测量装置(14)通过十字交叉导轨(15)固定在测量转动座(16)上，测量转动座(16)固定在测量基座(21)上，测量基座(21)底部通过位置调节机构(22)固定在工作台(23)上表面，测量转动座(16)通过转动副与砝码(20)相连，所述动量轮(24)可拆卸的连接在驱动轴(2)和力矩测量装置(14)之间用于替换所述标定轴(9)，通过添减砝码(20)实现对动量轮(24)或标定轴(9)的恒定力矩加载；

其中，所述标定轴(9)的两端与驱动轴(2)和力矩测量装置(14)均刚性连接，所述动量轮(24)的一端通过飞轮(24-1)与驱动轴(2)刚性连接，且动量轮(24)的另一端通过转轴(24-3)与力矩测量装置(14)刚性连接。

2.如权利要求1所述的空间动量轮轴承摩擦力矩试验机，其特征在于，驱动轴(2)通过装夹模块与标定轴(9)或者飞轮(24-1)连接，所述装夹模块由同轴连接的第一、第二联轴器(7、8)构成，第一联轴器(7)与驱动轴(2)同轴固定连接，第二联轴器(8)与标定轴(9)或者飞轮(24-1)同轴固定连接。

3.如权利要求2所述的空间动量轮轴承摩擦力矩试验机，其特征在于，转轴(24-3)或者标定轴(9)通过力矩传递机构与力矩测量装置(14)相连，所述力矩传递机构包含有力矩传递盘(11)和力矩传递块(13)，力矩传递盘(11)靠近力矩传递块(13)的一端固定有两个螺栓滚轮(12)，力矩传递盘(11)一端通过第三联轴器(10)与标定轴(9)或者动量轮(24)的转轴(24-3)相连，位于力矩传递盘(11)上的螺栓滚轮(12)通过力矩传递块(13)连接力矩测量装置(14)，力矩传递块(13)轴向滑动设于两个螺栓滚轮(12)之间。

4.如权利要求3所述的空间动量轮轴承摩擦力矩试验机，其特征在于，所述力矩模块通过两组转动副与测量基座(21)连接，

测量转动座(16)上有两个螺栓用于连接转动副的钢丝(17)，钢丝(17)绕过两个带槽轴轮(18)与砝码(20)连接，砝码(20)的重力转化为钢丝(17)的拉力拉动测量转动座(16)，使测量转动座(16)受到竖直向上的力矩，该竖直向上的力矩将通过力矩传递块(13)作用于力矩传递盘(11)上的螺栓滚轮(12)，最终使标定轴(9)或者动量轮(24)受到来自力矩传递盘(11)的径向力矩载荷。

5.如权利要求1所述的空间动量轮轴承摩擦力矩试验机，其特征在于，所述支撑装置为固定在工作台(23)上的两个轴承座(6)，驱动轴(2)安装在两个轴承座(6)之间；

驱动轴(2)的外径上固定有带轮(1)，带轮(1)通过皮带与外界驱动装置相连。

6.如权利要求1所述的空间动量轮轴承摩擦力矩试验机，其特征在于，力矩标定块(3)通过定力矩标定螺栓(5)固定在工作台(23)上，且定力矩标定螺栓(5)上套有定力矩标定弹簧(4)。

7.如权利要求1所述的空间动量轮轴承摩擦力矩试验机，其特征在于，所述位置调节机构(22)由固定在测量基座(21)与工作台(23)之间的多个万向节组成。

8.一种基于权利要求1-7任意一项所述空间动量轮轴承摩擦力矩试验机的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将试验机处于标定模式，将标定轴(9)安装在驱动轴(2)和力矩测量装置(14)之间，保持驱动轴(2)不转，仅由力矩标定块(3)施加轴向力矩M₁至驱动轴(2)，通过添减砝码(20)实现对标定轴(9)不同的垂直于转轴的力矩M₂加载并由力矩测量装置(14)测得轴向力矩M₁’，根据不同M₂下M₁和M₁’之间的关系完成标定，有效消除装置在不同力矩M₂下产生的测量误差；

S2、根据多组标定模式试验得到的数据，进行试验机轴向力矩测量结果的标定；

S3、将驱动轴(2)与外界驱动装置连接，卸除标定轴(9)、力矩标定块(3)，将动量轮(24)连接在驱动轴(2)和力矩测量装置(14)之间，驱动轴(2)带动飞轮(24-1)转动且转轴(24-3)保持静止，在目标工况下由力矩测量装置(14)测得轴向转动力矩M₁’，根据之前标定数据，拟合计算出当前工况下动量轮轴承摩擦力矩M₁。

9.如权利要求8所述的试验方法，其特征在于，将所述空间动量轮轴承摩擦力矩试验机放置在真空腔体内模拟太空环境，研究在模拟空间工况下，当动量轮承受与旋转轴正交的扭矩时其摩擦力矩变化情况。

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