空間對接機(jī)構(gòu)對接鎖系運(yùn)動同步性的影響因素分析

0密封鎖系運(yùn)動同步性影響因素空間接收系統(tǒng)是空間飛機(jī)進(jìn)行可靠接收的關(guān)鍵。這三個主要功能目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)緩沖、剛性連接和分離，并形成一個密封通道，以產(chǎn)生適合船舶和貨物運(yùn)輸能力的外部通道。對接鎖系作為空間對接機(jī)構(gòu)的組成之一,承擔(dān)著飛行器剛性連接、保持密封和分離任務(wù),其運(yùn)動同步性是對接鎖系完成剛性連接和分離的關(guān)鍵。由于對接鎖系非常復(fù)雜,影響其運(yùn)動同步性的因素較多。本文通過采用正交試驗(yàn)的方法設(shè)計仿真試驗(yàn),高效找出影響對接鎖系運(yùn)動同步性的主要因素,為提高對接鎖系運(yùn)動同步性明確了改進(jìn)方向。1剛性連接裝置設(shè)計兩航天器在空間通過對接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剛性連接或分離是由2組獨(dú)立的對接鎖系完成,其中每組對接鎖系由1套主動鎖、5套從動鎖和閉合的鋼索組件等組成,如圖1所示。其中主動鎖直接由電機(jī)驅(qū)動,從動鎖通過鋼索組件與主動鎖相連而間接驅(qū)動。兩飛行器之間的剛性連接是通過兩組各6套鎖鉤實(shí)現(xiàn)兩兩相互拉緊完成。在鎖緊和解鎖的過程中,要求對接機(jī)構(gòu)上的每組6套鎖基本同時動作,以保證鎖鉤行程偏差很小,達(dá)到剛性連接和分離的要求。2方法總結(jié)2.1因素水平設(shè)計正交試驗(yàn)是利用正交表來合理安排試驗(yàn)的一種方法。正交試驗(yàn)中的指標(biāo)就是試驗(yàn)所要考察的效果,因素是指對試驗(yàn)指標(biāo)可能產(chǎn)生影響的原因,水平是指因素在試驗(yàn)中所處的狀態(tài)或條件。通過對接鎖系前期攻關(guān),基本明確影響對接鎖系運(yùn)動同步性的因素有以下三種:A因素(鋼索預(yù)緊力)、B因素(繩輪間摩擦系數(shù))和C因素(鎖鉤間摩擦系數(shù))。按照以上三種因素,結(jié)合工程實(shí)際,設(shè)置各因素對應(yīng)的兩種水平如表1所示。為實(shí)現(xiàn)以上三因素兩水平試驗(yàn)設(shè)計,設(shè)計選用L4(23)正交表如表2所示。對表2所設(shè)計選用的正交表說明如下:第1列“試驗(yàn)號1～4”表示通過4次試驗(yàn)就可以完成正交試驗(yàn)內(nèi)容;第2～4列分別對應(yīng)著A、B、C三種因素,且各種因素分別對應(yīng)著1、2兩種水平;A、B、C三種因素對應(yīng)的每一列中各種水平(水平1、水平2)字碼出現(xiàn)的頻率相同,從而保證了試驗(yàn)條件均衡地分散在配合完全的水平組合之中;A、B、C三種因素對應(yīng)的三列,對于每列因素而言,在各個水平(水平1、水平2)的結(jié)果之和中,其它因素各個水平出現(xiàn)的次數(shù)也都相同;從而保證了在各個水平的效果之中,最大限度地排除了其它因素的干擾,因而能夠有效地進(jìn)行比較并做出后續(xù)分析。設(shè)計的L4(23)正交表經(jīng)檢驗(yàn)確認(rèn)符合均衡分散性和整齊可比性后,按照正交表各因素對應(yīng)的水平進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析及后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。2.2正交試驗(yàn)結(jié)果的分析對接鎖系的同步性仿真試驗(yàn)分析是基于MSC.ADAMS軟件進(jìn)行。在正交試驗(yàn)給定的輸入條件下,通過動力學(xué)分析得到鎖系運(yùn)動同步性的角度差值,之后反饋填寫正交試驗(yàn)數(shù)理統(tǒng)計列表,作為查找對接鎖系運(yùn)動同步性指標(biāo)主要影響因素的分析輸入。2.2.1主動鉤與被動鉤的接觸模型對接鎖系仿真建模的難點(diǎn)在于接觸問題的求解和柔性鋼索模型的建立。對接鎖主動鉤與被動鉤之間的接觸力比較大,又需要考慮摩擦效應(yīng),采用ADAMS中CURVE-CURVE的平面接觸力元素來模擬主動鉤與被動鉤之間的受力關(guān)系。主動鉤與被動鉤之間的摩擦力采用Coulomb摩擦模型。鋼索模型既要考慮繩索的非線性彈性變形,同時還要考慮繩索與滑輪之間的摩擦力影響。在ADAMS中沒有現(xiàn)成的元件可以用來建模,需要通過二次開發(fā)編程來實(shí)現(xiàn)。鋼索模型采用力元素來進(jìn)行模擬,不考慮繩自身的重量及內(nèi)部的振動,將繩當(dāng)作一變剛度的彈性連接元素。2.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析編寫的用戶子程序VTOSUB描述了鋼索彈性伸縮變形引起的繩索張力使得繩輪在合力矩作用下的運(yùn)動情況;其中子程序的參數(shù)表有3個參數(shù),參數(shù)1為主動力、阻力識別號,1為主動力,2為阻力;參數(shù)2為繩輪轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)動軸標(biāo)號,對應(yīng)著轉(zhuǎn)動副的IMark,參數(shù)3為繩輪轉(zhuǎn)動時的參考坐標(biāo)號,對應(yīng)著轉(zhuǎn)動副的JMark,SolverID對應(yīng)著扭矩在ADAMS內(nèi)部求解器的求解標(biāo)號,反應(yīng)在子程序VTOSUB中為ID號。在此列舉鋼索與繩輪間的力元素及子程序如圖2所示。在ADAMS程序中合扭矩的計算如下:參照圖3,輪a在鋼索作用下帶動輪b轉(zhuǎn)動,輪a和輪b之間鋼索的伸長量為:ΔL=(θa-θb)?R(1)ΔL=(θa?θb)?R(1)其中:R為繩輪的半徑;θa,θb分別為輪a和輪b轉(zhuǎn)動的角度;當(dāng)不考慮鋼索與繩輪之間的摩擦?xí)r,繩輪a和繩輪b之間的張力為:F=ΔL?Κstif+Fpre(2)F=ΔL?Kstif+Fpre(2)Kstif,Fpre分別為鋼索的剛度系數(shù)和預(yù)緊力,此時F=F1=F2=F3,輪a受到的合扭矩為:Τ=(F0-F1)?R(3)T=(F0?F1)?R(3)由于這個力矩的作用,輪a便會帶動輪b轉(zhuǎn)動并依次傳遞下去,當(dāng)遇到阻力即主被動鉤接觸時,鋼索便會被拉長(ΔL增加)導(dǎo)致T增大,從而將被動鉤拉緊。在完成ADAMS程序編制和動力學(xué)仿真模型、同步性轉(zhuǎn)角測量器建立后,設(shè)置仿真試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行仿真計算,輸出仿真計算結(jié)果為各繩輪與主動輪之間的角度差,即鎖系運(yùn)動同步性的角度差值如下圖4所示。從圖4可知,在鎖緊到位時刻,第四輪與主動輪之間的角度差最大,這與試驗(yàn)實(shí)際情況一致,證明了仿真試驗(yàn)分析的正確性。取以上兩者之間的角度差值0.306度作為此次仿真試驗(yàn)鎖系運(yùn)動同步性的角度差值。3正交試驗(yàn)的數(shù)理統(tǒng)計分析3.1各因素c對各離子差分析表按照正交表進(jìn)行四次試驗(yàn),每次試驗(yàn)各因素對應(yīng)水平作為動力學(xué)仿真輸入條件進(jìn)行仿真試驗(yàn),統(tǒng)計各次仿真試驗(yàn)數(shù)值如表3“仿真值”欄目所示,之后進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計運(yùn)算,并將運(yùn)算結(jié)果列表,如表3所示。表3中試驗(yàn)號1對應(yīng)的試驗(yàn)狀態(tài)為A、B、C三因素分別處于水平1狀態(tài),試驗(yàn)干涉量一欄則記錄了該次仿真試驗(yàn)時,鎖系同步性差值Yi。其中:Κ=4∑i=1Yi?Ρ=14Κ2?W=4∑i=1Y2iUA=122∑i=1(ΚAi)2?UB=122∑i=1(ΚBi)2?UC=122∑i=1(ΚCi)2?QA=UA-Ρ?QB=UB-Ρ?QC=UC-ΡK=∑i=14Yi?P=14K2?W=∑i=14Y2iUA=12∑i=12(KAi)2?UB=12∑i=12(KBi)2?UC=12∑i=12(KCi)2?QA=UA?P?QB=UB?P?QC=UC?P計算總離差平方和QT=W-P=0.02215誤差Q=QT-QA-QB-QC=0由于因素C計算離差平方和僅為0.000225,故可以確認(rèn)因素C對指標(biāo)影響不大,將其歸結(jié)為誤差級別,據(jù)此計算得方差分析表如表4所示。其中:S2=Q/n;F=S2/S2E。給定顯著水平α=0.025;查F分布上側(cè)分位數(shù)表得F0.025(1?2)=38.51；對照表4數(shù)值,顯然:FA=35.28＜F0.025(1?2)=38.51?FB=159.61＞F0.025=38.51。3.2鎖系同步性影響因素的影響通過正交試驗(yàn)計算結(jié)果可知,在顯著性水平0.025下,A因素(鋼索預(yù)緊力)對鎖系同步性無顯著影響,B因素(繩輪間摩擦系數(shù))對鎖系同步性的影響顯著,而C因素(鎖鉤間摩擦系數(shù))對鎖系同步性的影響很小。依據(jù)以上量化分析結(jié)果,為提高對接鎖系運(yùn)動同步性,應(yīng)以調(diào)整B因素(繩輪間摩擦系數(shù))為主,且從仿真試驗(yàn)結(jié)果看,繩輪間摩擦系數(shù)的減小將使得對接鎖系同步性變好。4提高鎖系運(yùn)動同步性的關(guān)鍵因素本文通過采用正交試驗(yàn)的方法合理設(shè)計仿真試驗(yàn),從而