翟少雄,李忠梅,王长胜,王保成

（兰州物理研究所，表面工程技术重点实验室，甘肃 兰州 730000）

1 引言

太阳帆板展开过程，主要依靠根部铰链和板间铰链的蜗卷簧收拢存储的能量，展开时释放能量，驱动太阳帆板展开，在展开过程中帆板速度不可控；因此，在太阳帆板展开的根部铰链增加阻尼器装置，阻尼器内部有黏性阻尼液（硅油），通过黏滞耗能作用，将机构运动过程中的部分能量耗散掉，从而达到减缓冲击的目的，对展开帆板速度进行控制。

阻尼器阻尼率测试系统用于测试阻尼器在不同驱动力矩的转速，计算出阻尼率，是阻尼器在设计、生产、装配等过程中控制产品质量，保障产品可靠性的重要工作。

阻尼器阻尼率测试系统主要要求：

1）力矩范围：0～50 N·m；2）采样速率：优于 200 Hz；3）角度测量分辨率：优于 0.1°；4）角速度测量分辨率：优于 0.5 °/s；5）整机精度：1%；6）温度范围：（-50±3）～（+70±3）℃；7）真空度：优于 1.3×10-3Pa。

2 测试系统方案

测试系统主要由主机单元、控制器单元和软件单元组成，根据技术要求，阻尼率测试方案应包含：测试阻尼器的驱动力矩；测试阻尼器的转动速度；测试阻尼器的阻尼率；测试主机单元能在真空高、低温环境下正常工作。

1）阻尼器转轴驱动力矩测试：通过动态力矩传感器直接测量。

2）阻尼器转轴角速度测试：通过测角传感器得到角度信号，微分后得到角速度值，测角传感器采用相对式光电编码器。

3）阻尼器阻尼率测试：阻尼率计算公式如下

式中 c为阻尼率；Mz为转轴所受驱动力矩，N·m；ω为转轴的角速度,°/s。

只要测出阻尼器转轴的角速度以及加在转轴上的力矩，就可以得到阻尼器的阻尼率。考虑阻尼器的启动力矩

式中 MQ是指阻尼器阻尼率测试设备自身的启动力矩（不包含阻尼器），为阻尼器的阻尼力矩，N·m；Mc为力矩传感器测试数据，N·m。

2.1 主机单元

主机单元如图1所示。

图1 阻尼器主机单元

包括真空罐内部分和真空罐外部分，真空罐外部分有加载装置、力矩传感器支座、底座、力矩传感器，磁流体密封装置，真空罐内部分包括球笼同步万向联轴器、测试支架、测角光电编码器。

加载装置、传感器支座与底座固定连接，力矩传感器为双轴伸，一端通过联轴器与加载装置连接，另一端通过联轴器与磁流体密封装置连接，磁流体密封装置与热真空罐后法兰盖连接。加载装置通过大、小滑轮实现双向加载[1]，加载力通过加载重物实现，加载行程通过限位装置限定。

测试时调整真空罐内、外转轴同轴，确定加载方向与阻尼器轴运动方向一致，在真空罐内将被测试阻尼器安装在测试支架上，把限位装置的限位手柄搬进限位槽内，将规定的加载重物挂到加载滑轮上，然后抬起限位手柄，释放加载重物，靠加载重物驱动被测试件转动，力矩传感器、测角光电编码器对被测试件的力矩值、旋转角度进行监测，待加载重物运行一段距离停止（阻尼器转动90°），把限位手柄放入限位槽内，砝码从滑轮上取下，保存力矩和角度数据，正向测试结束，反向测试时，将加载滑轮换入反向加载钢丝绳上，测试步骤和正向测试相同。根据试验要求增加不同的力矩，测试阻尼器的阻尼率。

位于武定西门的北环西桥桥梁工程，是跨护城河的一座上承式实腹式拱桥，桥梁主体净跨 20m，拱板净高6.04m，桥梁单幅宽度15m，基坑开挖时距基底边线预留1.5m的工作宽度。 基坑开挖平均深度为8.5m。在基坑东侧有高压变压器，西侧有两栋未拆迁楼房，南侧有城墙，北侧有城市主干道路（雁同东路），施工现场可用场地十分有限，基坑开挖边坡较陡，综合考虑到安全等各方面因素，需对基坑边坡支护处理。

2.2 传感器设计

力矩传感器采用动态力矩传感器，角度传感器采用相对式旋转编码器。

力矩传感器量程分别为2、5、10、20、50 N·m 5种规格，常温常压工作环境，力矩的线性、重复性、迟滞性优于±0.2%；温度灵敏度优于(±0.3～±0.2)%[2,3]。

角度编码器采用5 000线相对式光电编码器，角度分辨率为：360°÷5000线=0.072°/线。采用四倍频技术，对测角信号进行细分处理，并通过角度信号A、角度信号B，判别转动的方向，处理后的角度分辨率为：0.072°/线÷4=0.018°/线。采样频率选择200 Hz，满足技术要求对角度和角速度分辨率的要求[4]。

2.3 环境适应性设计

（1）温度环境

阻尼器阻尼率测试温度环境为（-50～+70）℃，而光电编码器的适用温度范围是（-10～+50）℃，在低温环境不能正常使用；采用主动温控的方法解决，在角度传感器外壳贴加热片，并包扎保温材料，在测试机架与传感器连接处用聚酰亚胺板做隔温垫，防止热传导。根据计算，可以得出温控所需的加热功率要求，控制角度传感器工作温度范围（+5～+10）℃，保证传感器在低温环境条件下工作正常。

（2）真空环境

所有结构材料均采用不锈钢加工，所有支撑滚动轴承采用固体保持架与溅射MoS2固体润滑膜配副的润滑方式。

3 测试系统误差分析

假设 y是几个独立变量 x1、x2、x3…xn的已知函数，即

应用泰勒级数展开可得到相应的y变化的一个很好的近似

把偏导数看作y对特定x变化的灵敏度，如果现在把所有Δx视为在每个测量值xi中的不确定度uxi，相应的y不确定度为

本测量系统测量元件主要由力矩传感器和测角传感器，测试系统的测试误差位

3.1 力矩误差

力矩测量由传感器、工业控制计算机和数据采集卡构成系统进行测量，误差主要包括传感器自身的误差、传感器安装误差、信号采集量化误差和软件计算误差等构成。

其中σ1、σ2、σ3、σ4分别表示传感器自身误差、安装误差、信号采集量化误差和软件计算误差[5]，例如，仅考虑传感器自身误差，选择精度等级为0.2的力矩传感器，误差为：

3.2 角速度误差

角度测量误差主要由传感器自身误差、安装误差、信号量化误差和软件计算误差构成。其中主要是自身误差和安装误差构成。测角传感器精度为θ1=0.018°，安装误差经计算为θ2=0.002°，角度误差0.0181°，角度测量全量程相对误差为

4 测试结果

阻尼器驱动力矩、转动角速度和阻尼率的关系曲线如图2所示，

图2 测试曲线

测试曲线开始部分的波动是加载平衡过程，至加载稳定后曲线平稳，通过对加载力矩和角速度计算阻尼率，如图2在区间[a,b]计算阻尼率。

5 结论

（1）实现测试阻尼器的驱动力矩和角速度；

（2）实现测试阻尼器的阻尼率；

（3）设计的阻尼器阻尼率测试系统可以在热真空环境条件下使用；

（4）阻尼器阻尼率测试系统研制完成后交付用户使用，作为阻尼器研制的专用测试仪器，获得了大量的测试数据，为阻尼器的研制和使用提供了直接的依据，填补了国内在这方面的空白。

[1]徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]王家桢，王俊杰.传感器与变送器[M].北京：清华大学出版社,1996.

[3]黄良甫，贾付云.空间微机电系统的研究与进展[J].真空与低温,2002,4:187～195.

[4]ERNESTO.DOEBELIN,王伯雄等译.测量系统应用与设计[M].北京：电子工业出版社，2007.

[5]施昌彦,宣安东.实用测量不确定度评定及案例[M].北京:中国计量出版社,2007.

[6]张海根.机电传动控制[M].北京：高等教育出版社，2001.