低溫環境對雷達傳動性能的影響

趙選榮

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068)

1 引言

設備滿足環境的使用要求，是設計人員必須考慮的要素之一。本文針對某型雷達天線座在低溫(-40℃)狀態下出現的轉動力矩偏大問題，對該雷達天線座的結構因素進行了計算分析，提出了一種可以滿足低溫(-40℃)環境工作要求的天線座軸承安裝結構形式，并通過試驗驗證證明了新的結構形式既可以滿足雷達的精度要求，又可以適應雷達的低溫使用環境要求。

2 原雷達天線座的軸承安裝結構型式簡介

原雷達天線座的軸承安裝結構型式如圖1所示，根據雷達的使用及性能要求，雷達天線座外殼的材料選為鑄鋁合金件，外殼內圓安裝軸承;軸承選用四點接觸球軸承，材料為鉻鋼，軸承與外殼配合圓尺寸為Φ590mm。

圖1 原軸承安裝結構型式示意圖

根據GB275-84(滾動軸承和外殼的配合)中的軸承安裝要求，選用以下尺寸公差數值:

外殼內圓:Φ590H7(0，+0.07)軸承外圓:Φ590h6(-0.04，0)

設備的這種配合屬于精密配合，由于鑄鋁外殼和鉻鋼軸承的收縮率不同，當溫度變化時，外殼及軸承均發生彈性變形，在試驗過程中，環境溫度從+60℃到-30℃時，設備均能正常運轉，當環境溫度降至-40℃時，設備出現轉動困難現象。說明在降溫過程中鑄鋁外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，使軸承轉動時的摩擦力矩加大。且當溫度降至-40℃時，該設備出現了轉動困難現象。

該雷達天線座使用的是四點接觸球軸承，這種軸承是允許出現負游隙的，只是當溫度降至-40℃時，軸承的摩擦力矩太大而引起轉動困難現象，分析時將主要從如何減小收縮量來著手解決轉動困難現象。

3 理論分析

3.1 溫度變化引起尺寸變形計算

通過查閱相關資料可知:鑄鋁合金的線膨脹系數(18.44～24.5×10-6/℃)是一個變動范圍，而鉻鋼的線膨脹系數(11.2×10-6/℃)是常量，為了更確切的了解溫度變化對天線座轉動力矩的影響，在分析時將按鑄鋁合金的線膨脹系數最小(18.44×10-6/℃)、最大(24.5×10-6/℃)和平均值(21.47×10-6/℃)三種情況來分別計算當溫度從常溫(20℃)降至低溫(-40℃)時外殼及軸承外圈的尺寸變形量。

具體數值見表1。

表1 三種情況下外殼及軸承外圈的尺寸變形量 單位:mm

3.2 理論尺寸分析

方法一:從表1可以看出，在不考慮因外殼與軸承外圈之間的相互作用力而引起的彈性變形，當溫度降低到-40℃時，設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算，兩者的尺寸變化差為:

即在不考慮因外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，外殼內圈收縮0.14mm，而軸承的游隙只有0.01～0.04mm，該變形量已經遠遠的大于了軸承的游隙，使軸承轉動力矩加大。

方法二:由于不同材料的彈性模量不同，在降溫的情況下，設備殼體的收縮量大于軸承外圈的收縮量，這時設備殼體將給軸承外圈施加一個很大的擠壓力，從而使軸承外圈進一步收縮變形，同時軸承外圈也將產生一個反擠壓力，求出當擠壓力和反擠壓力達到力平衡時設備外殼與軸承外圈的變形量，就可知道軸承外圈在實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算方法如下:確定材料線脹系數α:軸承為鉻鋼α1=11.2×10-6，殼體為鋁合金取平均值α2=21.47×10-6;

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20℃，低溫-40℃計算，環境溫度變化量為:

根據材料力學定理，計算如下:

軸承的線應變為:

軸承的徑向變形量為:Δr=ε·r=-1.63×10-4×590=-0.096mm。由于軸承游隙為0.01～0.04mm，說明在-40℃時，軸承的徑向變形量已經大于軸承的游隙。鑒于以上分析計算數據，并結合多年來設備裝配使用情況，可以認為:當溫度降低時，由于設備外殼的收縮變形量大于軸承外圈的收縮變形量，設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，出現轉動困難現象就不足為怪了。

在同等溫度情況下，考慮到軸承的個體現象，如果某套軸承在常溫下摩擦力矩越大，則在低溫狀態下，當軸承的游隙變小時，軸承的摩擦力矩的增大量就越大，這也是引起軸承轉動困難的另一個原因。

為更好解決天線座在低溫環境下出現轉動困難的現象，我們對上面的理論分析結果進行了大量的試驗驗證，從試驗的結果來看，理論分析是完全正確的。

4 設計改進

為適應設備低溫時的環境使用要求，消除軸承加工特性離散性可能造成的設備整體性能的環境不適應性，對設計進行局部改進設計，以便更好地適應環境溫度條件要求。在設計上盡量減小由于溫度改變而引起的收縮變形造成的軸承游隙的變化，具體改進設計如下:

不同材料的線脹系數不同，設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值，引起軸承轉動困難。要使軸承轉動靈活，只要控制外圈變形量的大小就可以解決。

當設備外殼內圓擠壓軸承外圈時，軸承外圈的收縮變形量與接觸面積有關，減小變形量的解決方案，其徑向壓強如下:

其中，T為設備外殼壁厚;D為設備外殼直徑;σ為軸承徑向壓應力(溫度不變，則數值不變)?？芍?設備外殼與軸承之間的壓強是不變的。

由壓力F=p·s可知，當p一定時，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，當接觸面積減小為原接觸面積的1/10時，軸承變形量為0.095×(1/10)=0.0095mm，這時軸承的徑向變形量已經小于軸承的游隙，設備應能運轉靈活。

已知軸承直徑為590mm，則其周長為πd=3.14×590=1853.53mm，在保證軸承連接強度足夠的前提下，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 改進后的聯結圖

按圖對設備外殼和軸承配合部分進行改進設計，在不影響配合定位精度的前提下，減小了軸承由于設備外殼和軸承線脹系數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，進而盡可能消除軸承特性的離散性對設備性能的影響。

5 試驗驗證

按以上方法對設備殼體進行改進加工，加工完成后將軸承與外殼重新聯結，并對設備進行低溫驗證，在溫度-40℃時測試的力矩比較見表2。

表2 溫度-40℃時測試的力矩比較

由表2可以看出，按圖加工后，低溫-40℃狀態下，設備轉動力矩較未加工時的轉動力矩大幅減少，已經在設備正常工作要求的3.5Kg·m的范圍內，說明設計方法正確，滿足用戶使用要求。

6 結論

根據以上理論分析及實際試驗驗證結果，可以得出以下結論:

a.由于不同材料的線膨脹系數不同，當傳動設備使用的軸承和設備外殼的材料不同時，在設備使用環境溫度變化量較大時，由于外殼與軸承的收縮變形量不同，就將引起設備轉動摩擦力矩增大，雖然軸承在負游隙下能夠正常工作，但摩擦力矩過大而造成了轉動困難，將對雷達的伺服性能產生較大的影響。

b.軸承徑向游隙、設備外殼和軸承的配合間隙都是影響轉動摩擦力矩大小的因素。軸承游隙及配合間隙大，常溫下靜摩擦力矩小，則在低溫下軸承的轉動相對靈活;

c.在實際雷達天線座的設計時，要充分綜合考慮各方因素，當使用環境溫度變化過大時，一定要對傳動結構件進行變形量分析，以免在實際使用過程中出現天線座轉動困難的現象;

d.按照以上理論分析所提的改進方案進行改進，是完全可以解決轉動力矩偏大的問題的。

［1］ 張新占.材料力學原理［M］.西安:西北工業大學出版社.

［2］ 徐灝.機械設計手冊［M］.北京:機械工業出版社.