質(zhì)量特性測試平臺及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、質(zhì)量特性主要包括物體的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量、慣性積等,是高速遠程飛行物體自動控制及測試的關(guān)鍵參數(shù),也是眾多工程領(lǐng)域所關(guān)心的重要參數(shù)。質(zhì)量特性測試設(shè)備可以精確地測出物體的質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等與物體運動相關(guān)的參數(shù),在相關(guān)領(lǐng)域起著極為重要的作用。本文在充分了解國內(nèi)外現(xiàn)有質(zhì)量特性測試技術(shù)的基礎(chǔ)上,以靜壓氣體球軸承做為測試平臺的支點,提出改善質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量測試的系統(tǒng)方案,研制測試平臺實驗樣機。對負載作用下載物平臺產(chǎn)生的干擾力矩及氣體球軸承的相關(guān)技術(shù)進

2、行深入研究,通過理論分析和實驗,完善質(zhì)量特性測試平臺的關(guān)鍵技術(shù),為高精度質(zhì)量特性測試平臺的進一步研究打下堅實的基礎(chǔ)。
　　首先介紹了基于靜壓氣體球軸承的質(zhì)量特性測試平臺的結(jié)構(gòu)組成和測量原理,分析了影響其測量精度的因素。根據(jù)彈性力學薄板彎曲理論,推導負載作用下整體質(zhì)心彈性位移公式,計算質(zhì)量特性測試平臺在測量過程中質(zhì)心的彈性位移和由此產(chǎn)生的干擾力矩,結(jié)果表明平臺變形引起的干擾力矩為偏航角的函數(shù),干擾力矩引起的測量誤差與偏載量無關(guān),而與

3、負載質(zhì)量及載物平臺自身特性相關(guān),研究結(jié)果為平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。
　　環(huán)面節(jié)流靜壓氣體球軸承是質(zhì)量特性測試平臺的核心部件,其特性對測試平臺有直接影響。本文建立了適用于靜壓氣體球軸承的三維計算模型,采用有限體積法對可壓縮三維穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程進行離散,求得氣體球軸承的壓力分布和速度分布,并計算軸承的軸向承載力、靜剛度和耗氣量等特性,分析了影響其靜態(tài)特性的因素和規(guī)律,為質(zhì)量特性測試平臺氣體球軸承的設(shè)計及工作點的選擇提

4、供參考。
　　分析偏載作用下軸承的水平偏移原理,給出渦流力矩的計算公式,計算偏載時軸承間隙的壓力分布和速度分布,分析側(cè)向承載力、側(cè)向剛度和水平偏心率的關(guān)系及軸承幾何參數(shù)對側(cè)向力和側(cè)向剛度的影響,研究氣體球軸承水平偏移對渦流力矩的影響,分析球頭圓度誤差、球窩水平安裝誤差產(chǎn)生的渦流力矩,并給出了由渦流力矩引起的質(zhì)量特性測量誤差的算例。結(jié)果表明,側(cè)向剛度與軸承半徑的平方近似成正比,隨球窩外包角的增加而大幅增加;軸承水平偏移下的渦流力矩較

5、大,且與水平偏心率近似成正比。研究結(jié)果為軸承幾何參數(shù)的選擇和質(zhì)量特性測試平臺的誤差控制提供了依據(jù)。
　　在高供氣壓力、大軸承間隙工況下,靜壓氣體球軸承的超音速現(xiàn)象將影響軸承的靜態(tài)承載力、靜剛度和穩(wěn)定性,影響測試平臺的可靠性。本文提出了一種可壓縮氣體三維湍流全Navier-Stokes方程的數(shù)值解法,將Realizable湍流模型引入到軸承的數(shù)值模擬,分析球軸承流道的馬赫數(shù)分布和跨音速壓力分布特性,研究氣膜內(nèi)馬赫數(shù)分布、壓力分布與供

6、氣壓力、軸承間隙的關(guān)系。分析結(jié)果為避免超音速現(xiàn)象給承載力和剛度帶來的不利影響及開發(fā)高壓重載氣體球軸承奠定了基礎(chǔ)。
　　最后,搭建負載作用下載物平臺應(yīng)變測量、靜壓氣體球軸承軸向承載力特性及側(cè)向承載力和渦流力矩實驗裝置,設(shè)計并試制低成本的玻璃鋼球窩,成功應(yīng)用于測試平臺實驗樣機。載物平臺應(yīng)變實驗測量結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果基本吻合,表明本文采用的平臺有限元模型是正確的。在氣體球軸承的相關(guān)實驗中,測量了球軸承的軸向承載力、偏心時的側(cè)向力和球窩水