翟少雄,李忠梅,王長(zhǎng)勝,王保成

（蘭州物理研究所，表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

太陽(yáng)帆板展開(kāi)過(guò)程，主要依靠根部鉸鏈和板間鉸鏈的蝸卷簧收攏存儲(chǔ)的能量，展開(kāi)時(shí)釋放能量，驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)帆板展開(kāi)，在展開(kāi)過(guò)程中帆板速度不可控；因此，在太陽(yáng)帆板展開(kāi)的根部鉸鏈增加阻尼器裝置，阻尼器內(nèi)部有黏性阻尼液（硅油），通過(guò)黏滯耗能作用，將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的部分能量耗散掉，從而達(dá)到減緩沖擊的目的，對(duì)展開(kāi)帆板速度進(jìn)行控制。

阻尼器阻尼率測(cè)試系統(tǒng)用于測(cè)試阻尼器在不同驅(qū)動(dòng)力矩的轉(zhuǎn)速，計(jì)算出阻尼率，是阻尼器在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配等過(guò)程中控制產(chǎn)品質(zhì)量，保障產(chǎn)品可靠性的重要工作。

阻尼器阻尼率測(cè)試系統(tǒng)主要要求：

1）力矩范圍：0～50 N·m；2）采樣速率：優(yōu)于 200 Hz；3）角度測(cè)量分辨率：優(yōu)于 0.1°；4）角速度測(cè)量分辨率：優(yōu)于 0.5 °/s；5）整機(jī)精度：1%；6）溫度范圍：（-50±3）～（+70±3）℃；7）真空度：優(yōu)于 1.3×10-3Pa。

2 測(cè)試系統(tǒng)方案

測(cè)試系統(tǒng)主要由主機(jī)單元、控制器單元和軟件單元組成，根據(jù)技術(shù)要求，阻尼率測(cè)試方案應(yīng)包含：測(cè)試阻尼器的驅(qū)動(dòng)力矩；測(cè)試阻尼器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；測(cè)試阻尼器的阻尼率；測(cè)試主機(jī)單元能在真空高、低溫環(huán)境下正常工作。

1）阻尼器轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)力矩測(cè)試：通過(guò)動(dòng)態(tài)力矩傳感器直接測(cè)量。

2）阻尼器轉(zhuǎn)軸角速度測(cè)試：通過(guò)測(cè)角傳感器得到角度信號(hào)，微分后得到角速度值，測(cè)角傳感器采用相對(duì)式光電編碼器。

3）阻尼器阻尼率測(cè)試：阻尼率計(jì)算公式如下

式中 c為阻尼率；Mz為轉(zhuǎn)軸所受驅(qū)動(dòng)力矩，N·m；ω為轉(zhuǎn)軸的角速度,°/s。

只要測(cè)出阻尼器轉(zhuǎn)軸的角速度以及加在轉(zhuǎn)軸上的力矩，就可以得到阻尼器的阻尼率。考慮阻尼器的啟動(dòng)力矩

式中 MQ是指阻尼器阻尼率測(cè)試設(shè)備自身的啟動(dòng)力矩（不包含阻尼器），為阻尼器的阻尼力矩，N·m；Mc為力矩傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)，N·m。

2.1 主機(jī)單元

主機(jī)單元如圖1所示。

圖1 阻尼器主機(jī)單元

包括真空罐內(nèi)部分和真空罐外部分，真空罐外部分有加載裝置、力矩傳感器支座、底座、力矩傳感器，磁流體密封裝置，真空罐內(nèi)部分包括球籠同步萬(wàn)向聯(lián)軸器、測(cè)試支架、測(cè)角光電編碼器。

加載裝置、傳感器支座與底座固定連接，力矩傳感器為雙軸伸，一端通過(guò)聯(lián)軸器與加載裝置連接，另一端通過(guò)聯(lián)軸器與磁流體密封裝置連接，磁流體密封裝置與熱真空罐后法蘭蓋連接。加載裝置通過(guò)大、小滑輪實(shí)現(xiàn)雙向加載[1]，加載力通過(guò)加載重物實(shí)現(xiàn)，加載行程通過(guò)限位裝置限定。

測(cè)試時(shí)調(diào)整真空罐內(nèi)、外轉(zhuǎn)軸同軸，確定加載方向與阻尼器軸運(yùn)動(dòng)方向一致，在真空罐內(nèi)將被測(cè)試阻尼器安裝在測(cè)試支架上，把限位裝置的限位手柄搬進(jìn)限位槽內(nèi)，將規(guī)定的加載重物掛到加載滑輪上，然后抬起限位手柄，釋放加載重物，靠加載重物驅(qū)動(dòng)被測(cè)試件轉(zhuǎn)動(dòng)，力矩傳感器、測(cè)角光電編碼器對(duì)被測(cè)試件的力矩值、旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，待加載重物運(yùn)行一段距離停止（阻尼器轉(zhuǎn)動(dòng)90°），把限位手柄放入限位槽內(nèi)，砝碼從滑輪上取下，保存力矩和角度數(shù)據(jù)，正向測(cè)試結(jié)束，反向測(cè)試時(shí)，將加載滑輪換入反向加載鋼絲繩上，測(cè)試步驟和正向測(cè)試相同。根據(jù)試驗(yàn)要求增加不同的力矩，測(cè)試阻尼器的阻尼率。

位于武定西門(mén)的北環(huán)西橋橋梁工程，是跨護(hù)城河的一座上承式實(shí)腹式拱橋，橋梁主體凈跨 20m，拱板凈高6.04m，橋梁?jiǎn)畏鶎挾?5m，基坑開(kāi)挖時(shí)距基底邊線預(yù)留1.5m的工作寬度。 基坑開(kāi)挖平均深度為8.5m。在基坑?xùn)|側(cè)有高壓變壓器，西側(cè)有兩棟未拆遷樓房，南側(cè)有城墻，北側(cè)有城市主干道路（雁同東路），施工現(xiàn)場(chǎng)可用場(chǎng)地十分有限，基坑開(kāi)挖邊坡較陡，綜合考慮到安全等各方面因素，需對(duì)基坑邊坡支護(hù)處理。

2.2 傳感器設(shè)計(jì)

力矩傳感器采用動(dòng)態(tài)力矩傳感器，角度傳感器采用相對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器。

力矩傳感器量程分別為2、5、10、20、50 N·m 5種規(guī)格，常溫常壓工作環(huán)境，力矩的線性、重復(fù)性、遲滯性優(yōu)于±0.2%；溫度靈敏度優(yōu)于(±0.3～±0.2)%[2,3]。

角度編碼器采用5 000線相對(duì)式光電編碼器，角度分辨率為：360°÷5000線=0.072°/線。采用四倍頻技術(shù)，對(duì)測(cè)角信號(hào)進(jìn)行細(xì)分處理，并通過(guò)角度信號(hào)A、角度信號(hào)B，判別轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，處理后的角度分辨率為：0.072°/線÷4=0.018°/線。采樣頻率選擇200 Hz，滿足技術(shù)要求對(duì)角度和角速度分辨率的要求[4]。

2.3 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

（1）溫度環(huán)境

阻尼器阻尼率測(cè)試溫度環(huán)境為（-50～+70）℃，而光電編碼器的適用溫度范圍是（-10～+50）℃，在低溫環(huán)境不能正常使用；采用主動(dòng)溫控的方法解決，在角度傳感器外殼貼加熱片，并包扎保溫材料，在測(cè)試機(jī)架與傳感器連接處用聚酰亞胺板做隔溫墊，防止熱傳導(dǎo)。根據(jù)計(jì)算，可以得出溫控所需的加熱功率要求，控制角度傳感器工作溫度范圍（+5～+10）℃，保證傳感器在低溫環(huán)境條件下工作正常。

（2）真空環(huán)境

所有結(jié)構(gòu)材料均采用不銹鋼加工，所有支撐滾動(dòng)軸承采用固體保持架與濺射MoS2固體潤(rùn)滑膜配副的潤(rùn)滑方式。

3 測(cè)試系統(tǒng)誤差分析

假設(shè) y是幾個(gè)獨(dú)立變量 x1、x2、x3…xn的已知函數(shù)，即

應(yīng)用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)可得到相應(yīng)的y變化的一個(gè)很好的近似

把偏導(dǎo)數(shù)看作y對(duì)特定x變化的靈敏度，如果現(xiàn)在把所有Δx視為在每個(gè)測(cè)量值xi中的不確定度uxi，相應(yīng)的y不確定度為

本測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量元件主要由力矩傳感器和測(cè)角傳感器，測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試誤差位

3.1 力矩誤差

力矩測(cè)量由傳感器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，誤差主要包括傳感器自身的誤差、傳感器安裝誤差、信號(hào)采集量化誤差和軟件計(jì)算誤差等構(gòu)成。

其中σ1、σ2、σ3、σ4分別表示傳感器自身誤差、安裝誤差、信號(hào)采集量化誤差和軟件計(jì)算誤差[5]，例如，僅考慮傳感器自身誤差，選擇精度等級(jí)為0.2的力矩傳感器，誤差為：

3.2 角速度誤差

角度測(cè)量誤差主要由傳感器自身誤差、安裝誤差、信號(hào)量化誤差和軟件計(jì)算誤差構(gòu)成。其中主要是自身誤差和安裝誤差構(gòu)成。測(cè)角傳感器精度為θ1=0.018°，安裝誤差經(jīng)計(jì)算為θ2=0.002°，角度誤差0.0181°，角度測(cè)量全量程相對(duì)誤差為

4 測(cè)試結(jié)果

阻尼器驅(qū)動(dòng)力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和阻尼率的關(guān)系曲線如圖2所示，

圖2 測(cè)試曲線

測(cè)試曲線開(kāi)始部分的波動(dòng)是加載平衡過(guò)程，至加載穩(wěn)定后曲線平穩(wěn)，通過(guò)對(duì)加載力矩和角速度計(jì)算阻尼率，如圖2在區(qū)間[a,b]計(jì)算阻尼率。

5 結(jié)論

（1）實(shí)現(xiàn)測(cè)試阻尼器的驅(qū)動(dòng)力矩和角速度；

（2）實(shí)現(xiàn)測(cè)試阻尼器的阻尼率；

（3）設(shè)計(jì)的阻尼器阻尼率測(cè)試系統(tǒng)可以在熱真空環(huán)境條件下使用；

（4）阻尼器阻尼率測(cè)試系統(tǒng)研制完成后交付用戶使用，作為阻尼器研制的專(zhuān)用測(cè)試儀器，獲得了大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，為阻尼器的研制和使用提供了直接的依據(jù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在這方面的空白。

[1]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]王家楨，王俊杰.傳感器與變送器[M].北京：清華大學(xué)出版社,1996.

[3]黃良甫，賈付云.空間微機(jī)電系統(tǒng)的研究與進(jìn)展[J].真空與低溫,2002,4:187～195.

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[5]施昌彥,宣安東.實(shí)用測(cè)量不確定度評(píng)定及案例[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2007.

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