中型光电经纬仪垂直轴系的可靠性设计

　　1　引　　言

　　轴系是许多精密机械和光学仪器的重要组成部分,它支撑着结构传动链的回转部分,使其按一定规律运转。轴系的设计变量决定了轴系的精度和可靠性,而精度和可靠性又决定了仪器的使用性能。因此,如何选择轴系的设计变量,确保仪器的使用性能是轴系设计的关键性问题。一般以往轴系的设计是采用安全系数法,它将决定应力和强度的参数视为常量,而事实上,它们都是随机变量。安全系数是人为给定的量,可能是经验值或参考值。因此安全系数法不能给出准确的量值反映所设计零件的可靠程度。

　　概率设计法即可靠性设计则把所有的设计变量都视为随机变量,这些变量服从一定的分布,因此所设计的零件结构不再视为安全与否,而是定量说出零件经过多长时间之后,失效的概率是多少,显然,它不仅能够定量地表示这个零件的安全、可靠的程度,而且还能够使零件有可以预测的寿命。所以本文着眼应用可靠性理论的概率设计法完成经纬仪垂直轴的强度设计,并对该轴的刚度,止推轴承和径向轴承的应力和变形及轴系的精度进行了计算。

　　2　垂直轴系的设计

　　垂直轴系主要包括方位编码器、方位力矩电机、止推轴承、径向轴承和垂直轴主体等,垂直轴系是经纬仪的方位回转轴系,它支撑着整个仪器的大部分负载及方位回转的驱动和角度测量系统,它的设计好坏直接影响整机的可靠性和精度等。因此,垂直轴系的设计是整个经纬仪设计的关键性技术之一。

　　2.1　轴系的型式选择与轴承材料的选取

　　在目前三种常用轴承形式,空气轴承、液压轴承、滚动轴承中优选滚动轴承。因为该种轴系具有加工简单,便于维护、可靠性好等特点,已被国内各种经纬仪广泛使用。

　　由于垂直轴的精度较高,负载较大,材料选用40 Cr,调质后硬度达HB240～270,并且尺寸稳定性好;轴承环的材料选用GCr15SiMn,这种材料淬透性好,经低温处理后,硬度可达HRC60～62,再经过高频淬火和氮化处理后,具有较好的尺寸稳定性和较高的拉变形能力;保持架采用H62,它是铜与锌的合金,其减摩性低于青铜,但工艺性好,成本低廉,在低速重载下是青铜较好的代用品。

　　2.2　轴承的结构形式

　　由于轴系要求的精度较高,径向轴承采用了高精度的圆柱滚子轴承,其过盈量为0.005～0.008 mm,轴承采用了密珠轴系,钢球的密集有助于减小其误差对主轴轴心位置的影响,起到误差平均作用,有利于提高主轴的回转精度。

　　2.3　轴系的强度可靠性设计及刚度、应力和接触变形的计算

　　2.3.1　强度可靠性设计

　　设计要求:垂直轴的材料为40Cr,调质后硬度HB不低于240,要求轴在运转107次后可靠度不低于0.999,轴的最大扭矩T为588 N·m。设所有的设计变量都服从正态分布。