时变磨损间隙对机构可靠性的动态影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMay252015V01．36No．51539-1547ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn时变磨损间隙对机构可靠性的动态影响刘育强1’2’，谭春林1，赵阳21．北京空r．7飞行器总体设计部，北京1000942．哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150001摘要：为克服磨损速率恒定和磨损影响因素随机性假设带来的不足，并准确预测机构磨损可靠性的动态变化过程，利用等效弹簧阻尼接触碰撞力模型和磨损过程离散化方法，建立了关

2、节间隙的时变磨损方程；引入PHl2方法、定义上穿率，将时变磨损方程转变成时变可靠性方程，从而提出了含时变间隙多体系统动力学和PHl2方法相结合的磨损可靠性分析方法。以某星载天线双轴定位机构为例，研究了产品可靠性及参数概率灵敏度的动态变化规律，分析了磨损各参数对产品可靠性的影响。结果表明，在稳定磨损阶段结束以前，接触碰撞力是主导因素，其对可靠性的敏感度是其他因素的lo倍以上，此后，间隙将超过接触碰撞力，成为新的主导因素；且间隙存在临界情况，在此之前，间隙的适当增大有利于产品可靠性的提高。相比于现有研究强调磨损随机性、忽略磨损过程的非线性变化和间隙时变对可靠性的影响，所提方法能准

3、确预示磨损及可靠性的动态变化过程。关键词：间隙；磨损；可靠性；多体动力学；定位机构；星载天线中图分类号：V411．8文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)05—1539—09实际机构产品中，由于动配合设计和装配误差使得运动副间隙不可避免。摩擦磨损效应则使初始间隙随时间动态发展，从而导致机构的实际运动轨迹产生偏差，激发运动副元素间的接触碰撞及构件的弹性振动，影响机构的稳定性或工作精度，最终导致机构产品的可靠性呈现时变、动态发展的特点。对于往复运动和间歇运动机构，间隙过大不仅引起精度降低和系统性能迟滞，严重时还会导致机构运动失调或失效。近年来，众多学者在含间隙机构

4、动力学建模及响应分析方面进行了深入研究，取得了大量成果[1。]。上述研究均以平面四连杆或曲柄滑块机构为研究对象，未针对空间机构或工程实际产品开展研究，未涉及动力学特性的变化对产品可靠性的影响。针对可靠性的动态变化问题，建模方法主要有神经网络法、马尔柯夫法、GO—Flow法、随机Petri网等[813

5、。这些方法均以事件发生概率的统计理论为基础，没有考虑系统性能退化以及动态时变特性对可靠性的影响。上述方法也很难适用于不可维修系统和零件在工作期间任意时刻的可靠度分析与计算[14

6、。近年来发展的众多时变可靠性分析方法在结构领域得到了一定的应用[1}16]，但未涉足机构领域。具体到机

7、构间隙与磨损引起的可靠性问题，文献[17]～文献[20]以Archard模型为基础，从仿真分析和实验数据辅助分析两方面进行了研究。然而上述方法存在磨损速率恒定假设、强调收稿日期：2014—05-05；退修日期：2014—05-28；录用日期：2014—06—23；网络出版时间：2014—07—0211：39网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／10．7527／S1000·6893．2014．0129．html基金项目：国家“973”计划(2013CB733000)*通讯作者Tel．：010-68745341E—mail：ech033151223@sinac

8、om引用謦武ILiuYQ。TanCL．ZhaoY．Dynamiceffectoftime-variantwearclearanceonmechanicalreliability[JJ．ActaAeronauticaetAs．tronauticaSinica，2015，36(5)：1539-154Z翅育强．谭春捧．赵阳．时变磨损间隙对机构可靠性的动态影响tJ]．航空学报．2015。36(5)：1539—154Z航空学报May252015Y01．36No．5磨损的随机性，忽略了磨损引起的间隙时变和机构动力学特性的改变，没考虑时变间隙和动力学特性变化后对可靠性的影响和不同磨损阶段产

9、品可靠性之间的相关性。本文通过建立间隙接触碰撞模型，运用多体动力学仿真技术求解间隙和接触碰撞力的动力学变化规律。通过磨损过程离散化处理，将动力学变化规律和PHl2方法[2妇相结合，构建基于多体系统动力学的机构磨损可靠性分析方法，从而研究间隙与磨损耦合引起的动态可靠性问题，通过典型航天机构的实例分析来验证其可行性和合理性。1时变间隙磨损建模1．1接触碰撞力模型深沟球轴承与轴系构成的旋转关节可简化为含间隙的平面旋转关节，轴承滚珠和内外滚道之间的径向游隙可等效为轴颈与轴承的间隙，如图1所示。图中：OXy为轴承