大型光电设备动平台用轴系设计

大型光电设备动平台用轴系设计

种动平台轴系结构形式的对比

随着科学技术的发展和社会需求的提高，大型光学仪的观察和测量工作从固定基础开始，

逐步发展为车辆、船只、飞机、卫星等移动平台。

机动平台较地基固定平台的主要小同为其振动环境，参考军用设备环境试验方法国家军用

标准和相关文献

早期大型地基固定式光电探测设备的垂直轴系由于轴承加工精度和装配工艺的限制，为提

高设备的轴系精度一般采用单向平面止推密珠轴系

根据现有的轴承结构形式及装配工艺水平,本文给出了三种动平台轴系结构形式,分析了轴

系最关键部件轴承在垂向载荷、径向载荷、摇摆载荷下的强度校核公式。并且采用模态测

试系统对某大型动载光测设备进行动力学测试，分析了与轴承相关的各阶模态。

1轴系结构形式的变化

以光电设备垂直轴系为例进行论述，为完整展现轴系结构形式从地基到动平台的变化,首先

给出地基式轴承结构形式,然后给出适用动平台轴系结构形式。

1.1横向轴系聚合轴系

地基式设备垂直一般采用单向平面止推轴系，结构如图1所示。

该轴系由单向平面力推轴承和杼向轴承组成，I卜推轴承决定旋转轴线在空间的指向，杼向轴

承约定旋转轴在水平面内的位置。这种轴系的两个轴承的运动正交互不干扰,对相互位置

的精度要求不高，便于加工装配。固定地基式设备在工作时基本不存在外来作用力，因此这

类轴系一般只对单向平面止推轴承中的钢球按照赫兹接触应力进行简单校核即可。

1.2旋转自由度约束

从运动学角度讲，1.1节所示垂直轴系对存在各个方向振动的机动平台并不适用。基于现有

轴承结构和装配工艺,提出三种能适用于机动平台的轴系结构形式如图2所示

图2给出二种适应机动平台的轴系结构形式，这几种结构对旋转轴均可实现除旋转自白度

以外的其它五个自由度的约束,其中：

图2a中旋转轴由关犍部件双排角接触推力球轴承约束,轴承的外圈固定在机动平台上（图

中仅示意），即轴系除旋转方向外其他自由度均被约束。

图2b中旋转轴由关键部件两个角接触推力球轴承约束,两个轴承的外圈按照一定的结构形

式固定在机动平台上，实现旋转轴只有转动自由度。

图2c中旋转轴由关键部件双平面止推轴承约束,止推轴承的外圈固结在机动平台上，即可

实现旋转轴的转动。

实际应用中，应根据具体机动平台的特点及设备的功能要求选择合理的轴系结构形式。

1.3轴系精度分析

对于光电探测设备而言：首先,主要由垂直轴系和俯仰轴系构成的跟踪架承载了可见光电视、

红外电视、激光测距机等探测器及其电气处理单元的重量;其次，轴系确定了经纬仪旋转的

轴线,要求轴系在旋转时,轴线的指向晃动要小,它的误差不仅直接产生测量误差,而且还影

响水平方向的定向误差和高低方向的定向误差。综合以上分析，轴系不但是整个设备稳定、

可靠工作的基础，而且轴系的精度还是整机探测精度的基础。

轴系的精度指标主要为轴系晃动、摩擦力矩。按照现有的加工及工艺水平，1.2节中所示三

种轴系结构形式均能满足轴系的精度要求，轴系精度分析方法和地基固定式设备基本一致，

因此不再详细论述。

针对机动平台的振动环境详细对轴系进行力学分析。

2轴类钢球应力方向的力学分析

由上述机动平台釉系结构形式可知:整个轴系中的关键部件为轴承，因此主要校核该釉系的

轴承。

对1.2节中所示机动平台轴系结构形式,机动平台的振动经轴承传递到设备旋转轴,机动平

台存在线振动和角振动，因此对机动平台轴承的力学也相应的分为线方向和角方向，如图3

所示。

图3所示F

为计算方便进行如下假设：

(1)由于轴承内外圈、轴承轴套、设备基座的刚度较高，因此认为三者在受力时是不发生应

变的，只有钢球发生应变；

(2)由于实际光测设备钢球的滚道圈或者钢球的止推面加工精度非常高，因此认为二者为标

准圆或标准平面。

在计算过程中引入了以上假定,所以理论计算值与实际值存在一定的误差，但以上假设不影

响分析原理的正确性及分析结果的趋势性。

2.1双角接触轴的轴系

2.1.1m轴系承载质量

双排角接触推力球轴承轴系加载轴向载荷,受力如图4所示。

钢球与其轨道弧为近似点接触，易知钢球为该轴系中最薄弱环节，因此仅校核钢球。图4中

轴向力F

其中，m轴系承载质量;a粕系承受轴向加速度;N单排钢球个数：a为轴承的接触角；

则钢球应力。由赫兹接触中球和圆弧凹面接触公式

其中,R

查表的得到钢球许用应力［。］,带入公式(2),计算得到P,再将P带入公式(1)即可得到轴系

可承受最大轴向静压载荷F

2.1.2径向载荷分布

双排角接触推力球轴承轴系加载径向载荷时,受力如图5所示。

图5中径向力F

当轴承承载如图6a为轴承受径向载荷钢球变形分布,径向载荷F

其中，力为两钢球夹角。

因此径向载荷F

即单个钢球最大支反力为

则承力最大钢球应力。

查表的得到钢球许用应力［。］,带入公式(2),计算得到P

2.1.3侧倾力及钢球受力

双排角接触推力球轴承轴系加载侧倾力矩M

图7所示，当机动平台产生角运动时，相当于在旋转轴上加载侧倾力矩M

在侧倾力矩作用下,钢球力分布规律与图6所示相同，每个钢球的力臂长度根据几何关系容

易得到,得到侧倾力矩与钢球受力关系式

其中,R

查表的得到钢球许用应力［。］,带入公式(2),计算得到P

2.2承载校核的推导方法

关于两个角接触推力球轴承组合轴系的轴向承载校核、径向承载校核、侧倾方向承载校核

的推导方法及公式均与2.1节中双排角接触推力球轴承一致,不再展开论述。

2.3双表面启动轴系

2.3.1最大轴向静压载荷

双平面止推轴系加载轴向载荷,受力如图8所示。

图8中轴向力F

则钢球应力。由赫兹接触中球和平面接触公式

查表的得到钢球许用应力［。］,带入公式(8),计算得到P,再将P带入公式(7)即可得到轴系

可承受最大轴向静压载荷F

2.3.2最大钢球应力与径向载荷

双平面止推轴系加载径向载荷时,受力如图9所示。

图9中径向力F

因此径向载荷F

即钢球支反力为

则承力最大钢球应力。

其中,R

查表得到钢球许用应力［。］,带入公式(11),计算得到P

2.3.3侧倾力及侧倾力

双平面止推轴承轴系加载测倾力矩M

图10所示，当机动平台产生角运动时，相当于在旋转轴上加载侧倾力矩M

在侧倾力矩作用下,钢球力分布规律与图6所示相同，每个钢球的力臂长度根据几何关系容

易得到,得到侧倾力矩与钢球受力关系式

查表的得到钢球许用应力［。］,带入公式(11),计算得到P

3方向承载受拉压情况

本文针对机动平台存在各句振动的特点，对三种机动平台用旋转轴系进行轴向、径