低溫環(huán)境對雷達(dá)傳動(dòng)性能的影響

低溫環(huán)境對雷達(dá)傳動(dòng)性能的影響趙選榮【摘要】本文介紹了在低溫工作環(huán)境下，由于雷達(dá)天線座殼體的材料和軸承的材料不同，產(chǎn)生雷達(dá)天線座外殼的收縮變形量大于軸承的徑向收縮量，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)困難的現(xiàn)象。文中通過理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品完全能在低溫環(huán)境下正常工作。%Thedifficultturningphenomenonofantennacausedbyshrinkageofradarantennapedestal1shousinglargerthantheradialshrinkageofbearingduetodifferentmaterialincryogenicenvironmentisaddressed.Thecauseforthisphenomenonisdeterminedbytheoreticalanalysisandtestverificationandproductcanbemadetocompletelyworknormallyincryogenicenvironmentthroughdesignmodification.【期刊名稱】《火控雷達(dá)技術(shù)》【年(卷)，期】2012(000)002【總頁數(shù)】4頁(P89-92)【關(guān)鍵詞】低溫環(huán)境;傳動(dòng)性能;天線座【作者】趙選榮【作者單位】中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安710068【正文語種】中文【中圖分類】TN951引言設(shè)備滿足環(huán)境的使用要求，是設(shè)計(jì)人員必須考慮的要素之一。本文針對某型雷達(dá)天線座在低溫（-40。。狀態(tài)下出現(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩偏大問題，對該雷達(dá)天線座的結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行了計(jì)算分析，提出了一種可以滿足低溫（-40。）環(huán)境工作要求的天線座軸承安裝結(jié)構(gòu)形式，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證證明了新的結(jié)構(gòu)形式既可以滿足雷達(dá)的精度要求，又可以適應(yīng)雷達(dá)的低溫使用環(huán)境要求。2原雷達(dá)天線座的軸承安裝結(jié)構(gòu)型式簡介原雷達(dá)天線座的軸承安裝結(jié)構(gòu)型式如圖1所示，根據(jù)雷達(dá)的使用及性能要求，雷達(dá)天線座外殼的材料選為鑄鋁合金件，夕卜殼內(nèi)圓安裝軸承;軸承選用四點(diǎn)接觸球軸承，材料為鉻鋼，軸承與外殼配合圓尺寸為①590mm。圖1原軸承安裝結(jié)構(gòu)型式示意圖根據(jù)GB275-84（滾動(dòng)軸承和夕卜殼的配合）中的軸承安裝要求，選用以下尺寸公差數(shù)值：夕卜殼內(nèi)圓S590H7（0,+0.07）軸承外圓S590h6（-0.04,0）設(shè)備的這種配合屬于精密配合，由于鑄鋁夕卜殼和鉻鋼軸承的收縮率不同，當(dāng)溫度變化時(shí)，外殼及軸承均發(fā)生彈性變形，在試驗(yàn)過程中，環(huán)境溫度從+60。到-30。時(shí)，設(shè)備均能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)環(huán)境溫度降至-40。時(shí)，設(shè)備出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)困難現(xiàn)象。說明在降溫過程中鑄鋁夕卜殼的收縮量大于鉻鋼軸承外圈的收縮量，從而引起軸承外圈彈性收縮變形，收縮變形引起軸承外圈擠壓滾珠使軸承游隙減小，使軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力矩加大。且當(dāng)溫度降至-40。時(shí)，該設(shè)備出現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)困難現(xiàn)象。該雷達(dá)天線座使用的是四點(diǎn)接觸球軸承，這種軸承是允許出現(xiàn)負(fù)游隙的，只是當(dāng)溫度降至-40。時(shí)，軸承的摩擦力矩太大而引起轉(zhuǎn)動(dòng)困難現(xiàn)象，分析時(shí)將主要從如何減小收縮量來著手解決轉(zhuǎn)動(dòng)困難現(xiàn)象。3理論分析3.1溫度變化引起尺寸變形計(jì)算通過查閱相關(guān)資料可知:鑄鋁合金的線膨脹系數(shù)(18.44~24.5x10-6/oC)是一個(gè)變動(dòng)范圍，而鉻鋼的線膨脹系數(shù)(11.2x10-6/。。是常量，為了更確切的了解溫度變化對天線座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的影響，在分析時(shí)將按鑄鋁合金的線膨脹系數(shù)最小(18.44x10-6/C)、最大(24.5x10-6/。)和平均值(21.47x10-6/C)三種情況來分別計(jì)算當(dāng)溫度從常溫(20C)降至低溫(-40C)時(shí)外殼及軸承外圈的尺寸變形量。具體數(shù)值見表1。表1三種情況下外殼及軸承外圈的尺寸變形量單位:mm注:1.常溫20C零件尺寸為理論尺寸。線膨脹系數(shù)x10-6/C20C時(shí)的尺寸-40C時(shí)的尺寸設(shè)備外殼18.4421.4724.5中590中590中590中590(-0.65母590(-0.76)中590(-0.87)軸承外圈11.2中590中590(-0.40)3.2理論尺寸分析方法一:從表1可以看出，在不考慮因夕卜殼與軸承外圈之間的相互作用力而引起的彈性變形，當(dāng)溫度降低到-40C時(shí)，設(shè)備外殼的最小收縮量為-0.65mm，而軸承的收縮量為-0.4mm，即使按照零件最大加工誤差來計(jì)算，兩者的尺寸變化差為：即在不考慮因夕卜殼與軸承外圈之間的相互作用力而引起的彈性變形的情況下，外殼內(nèi)圈收縮0.14mm，而軸承的游隙只有0.01~0.04mm，該變形量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于了軸承的游隙，使軸承轉(zhuǎn)動(dòng)力矩加大。方法二:由于不同材料的彈性模量不同，在降溫的情況下，設(shè)備殼體的收縮量大于軸承外圈的收縮量，這時(shí)設(shè)備殼體將給軸承外圈施加一個(gè)很大的擠壓力，從而使軸承外圈進(jìn)一步收縮變形，同時(shí)軸承外圈也將產(chǎn)生一個(gè)反擠壓力，求出當(dāng)擠壓力和反擠壓力達(dá)到力平衡時(shí)設(shè)備外殼與軸承外圈的變形量，就可知道軸承外圈在實(shí)際裝配中的收縮變形量，這基本就是軸承游隙的減少量。軸承外圈的收縮變形量的近似計(jì)算方法如下:確定材料線脹系數(shù)a:軸承為鉻鋼a1=11.2x10-6，殼體為鋁合金取平均值a2=21.47x10-6;軸承厚度為t1=32.5mm，殼體厚度為t2=35mm;彈性模量鉻鋼為E1=206GPa,殼體為E2=69GPa;按常溫20OC,低溫-40OC計(jì)算，環(huán)境溫度變化量為：根據(jù)材料力學(xué)定理，計(jì)算如下：軸承的線應(yīng)變?yōu)椋狠S承的徑向變形量為:△r=&r=-1.63x10-4x590=-0.096mm。由于軸承游隙為0.01~0.04mm，說明在-40C時(shí)，軸承的徑向變形量已經(jīng)大于軸承的游隙。鑒于以上分析計(jì)算數(shù)據(jù)，并結(jié)合多年來設(shè)備裝配使用情況，可以認(rèn)為:當(dāng)溫度降低時(shí)，由于設(shè)備外殼的收縮變形量大于軸承外圈的收縮變形量，設(shè)備外殼殼體將給軸承外圈施加擠壓力，從而引起軸承外圈彈性收縮變形，軸承外圈的彈性收縮變形直接引起軸承游隙的減小，軸承游隙的減小引起軸承摩擦力矩加大，出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)困難現(xiàn)象就不足為怪了。在同等溫度情況下，考慮到軸承的個(gè)體現(xiàn)象，如果某套軸承在常溫下摩擦力矩越大，則在低溫狀態(tài)下，當(dāng)軸承的游隙變小時(shí)，軸承的摩擦力矩的增大量就越大，這也是引起軸承轉(zhuǎn)動(dòng)困難的另一個(gè)原因。為更好解決天線座在低溫環(huán)境下出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)困難的現(xiàn)象，我們對上面的理論分析結(jié)果進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，從試驗(yàn)的結(jié)果來看，理論分析是完全正確的。4設(shè)計(jì)改進(jìn)為適應(yīng)設(shè)備低溫時(shí)的環(huán)境使用要求，消除軸承加工特性離散性可能造成的設(shè)備整體性能的環(huán)境不適應(yīng)性，對設(shè)計(jì)進(jìn)行局部改進(jìn)設(shè)計(jì)，以便更好地適應(yīng)環(huán)境溫度條件要求。在設(shè)計(jì)上盡量減小由于溫度改變而弓I起的收縮變形造成的軸承游隙的變化，具體改進(jìn)設(shè)計(jì)如下：不同材料的線脹系數(shù)不同，設(shè)備外殼的收縮變形擠壓軸承外圈，使軸承外圈收縮變形，從而使軸承游隙變成負(fù)值，引起軸承轉(zhuǎn)動(dòng)困難。要使軸承轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，只要控制外圈變形量的大小就可以解決。當(dāng)設(shè)備外殼內(nèi)圓擠壓軸承外圈時(shí)，軸承外圈的收縮變形量與接觸面積有關(guān)，減小變形量的解決方案，其徑向壓強(qiáng)如下：其中，T為設(shè)備外殼壁厚;。為設(shè)備外殼直徑;。為軸承徑向壓應(yīng)力(溫度不變，則數(shù)值不變)?？芍?設(shè)備外殼與軸承之間的壓強(qiáng)是不變的。由壓力F=p?s可知，當(dāng)p一定時(shí)，減小接觸面積可減小接觸壓力，從而減小軸承外圈徑向變形量，當(dāng)接觸面積減小為原接觸面積的1/10時(shí)，軸承變形量為0.095x(1/10)=0.0095mm,這時(shí)軸承的徑向變形量已經(jīng)小于軸承的游隙，設(shè)備應(yīng)能運(yùn)轉(zhuǎn)靈活。已知軸承直徑為590mm，則其周長為nd=3.14x590=1853.53mm,在保證軸承連接強(qiáng)度足夠的前提下，在圓周方向開8處缺口，保留8處弧面，則每處的弧面長為1853.53/10/8=23.1，圓整取為20mm。示意圖見圖2。圖2改進(jìn)后的聯(lián)結(jié)圖按圖對設(shè)備外殼和軸承配合部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在不影響配合定位精度的前提下，減小了軸承由于設(shè)備外殼和軸承線脹系數(shù)不一致所承受的壓縮面積，使軸承游隙在低溫下的變化量控制在一定范圍，進(jìn)而盡可能消除軸承特性的離散性對設(shè)備性能的影響。5試驗(yàn)驗(yàn)證按以上方法對設(shè)備殼體進(jìn)行改進(jìn)加工，加工完成后將軸承與外殼重新聯(lián)結(jié)，并對設(shè)備進(jìn)行低溫驗(yàn)證，在溫度-40°C時(shí)測試的力矩比較見表2。表2溫度-40C時(shí)測試的力矩比較試驗(yàn)條件力矩(kg?m)正常要求力矩(kg?m)常溫下測試1.5設(shè)備外殼內(nèi)圈加工前12.0<3.5設(shè)備外殼內(nèi)圈按圖加工后2.4由表2可以看出，按圖加工后，低溫-40C狀態(tài)下，設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較未加工時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大幅減少，已經(jīng)在設(shè)備正常工作要求的3.5Kg?m的范圍內(nèi)，說明設(shè)計(jì)方法正確，滿足用戶使用要求。6結(jié)論根據(jù)以上理論分析及實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：由于不同材料的線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)傳動(dòng)設(shè)備使用的軸承和設(shè)備外殼的材料不同時(shí)，在設(shè)備使用環(huán)境溫度變化量較大時(shí)，由于外殼與軸承的收縮變形量不同，就將引起設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩增大，雖然軸承在負(fù)游隙下能夠正常工作，但摩擦力矩過大而造成了轉(zhuǎn)動(dòng)困難，將對雷達(dá)的伺服性能產(chǎn)生較大的影響。軸承徑向游隙、設(shè)備外殼和軸承的配合間隙都是影響轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩大小的因素。軸承游隙及配合間隙大，常溫下靜摩