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摘 要:合理的精度储备在机械结构设计中具有重要的意义,文章结合具体实例分析了精度储备在雷达结构设计中的应用,并通过装备在部队中的实际使用验证了其有效性。
关键词:精度储备 键 公差
中图分类号:TU398 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)04(b)-0005-02
The Application Analyze of Accuracy Storage
on Radar Machinery Design
Ying Wen xing Ma Chuan Bao
(The 38th Research Institute of China Electronic Technical Group CO. ,Hefei 230088,China)
Abstract:It is important to use a reasonable accuracy storage on machine design, an idiographic example was particularized to analyze the application of accuracy storage on Radar Machinery design in this paper, and the validity also be proved by the arms using in army.
Keywords:accuracy storage;key;tolerance
1 引言
随着现代雷达的机械结构愈发复杂,机构传动越发精确,对机械设计的精度也提出了更高的要求。作为雷达测量精度重要组成部分的系统结构精度,既对电讯指标的精度有着重大影响,其本身又极易受各种误差的影响,因此,为长期保持产品良好的工作性能、工作精度和使用寿命,在产品的精度设计中,既要考虑制造公差也要考慮功能公差,才能使设计的机构可以在一定精度范围可靠地工作,即设计人员在进行机械结构的设计过程中,必须加强对精度储备的分析。
2 精度储备的概念
精度储备可以用精度储备系数(coeffici ent of precision reservation)表示:
式中KT—精度储备系数;
TF—功能公差(functional tolerance),即由使用要求确定的,在使用期限内,某个功能参数的最大允许变动量;
TK—制造公差。
由精度储备系数的含义可知,由使用要求确定的公差TF不能全部用作制造公差,还必须保留一部分作为“功能公差”。制造公差用于补偿制造过程中的如加工、测量、装配等各种误差;功能公差则用于补偿使用过程中的如磨损、变形等各种误差。这样,才有利于在使用中长期地保持机器及其零部件的工作性能。
3 精度储备系数的选取
根据精度储备系数的定义,显然,KT应该大于1,国外一些公司多取KT=2。近年来,随着人们对精度储备的认识程度的提高,国内的一些机械设计单位逐渐取KT=2。精度储备系数KT的大小,主要取决于使用情况,如初始精度允许的降低程度、期望的使用期限、功能参数及使用指标的变化特性及其他因素。过大的精度储备系数虽然能提高使用寿命和使用价值,但是也将增加制造和检测的成本。归根结底,精度储备系数的选取应使机械产品的使用价值与制造成本的综合经济效果最好。对于整套设备而言,目前代表国际先进水平的整套设备的精度储备一般为1.4～1.6,而代表国内先进水平的整套设备的精度储备一般为1.2～1.3,而国内一般水平的精度储备往往稍高于1.0。
原则上讲,对机器、仪器及长期使用的零部件都应建立精度储备,并且应按每一功能参数,包括几何参数及其他物理参数等,去建立精度储备。对于那些对机器、仪器使用性能影响特别大,且在工作过程中容易变化的参数,尤应充分考虑建立精度储备。例如发动机的活塞与缸筒之间,必须有间隙的精度储备,因为这个间隙受温度的影响变化较大,不仅影响发动机的生产率与单位功率,而且对其功能与使用寿命也有较大的影响。
4 精度储备在雷达机构设计中的应用实例
4.1 撑腿的工作原理
现代防空警戒雷达多采用机电液一体化技术,操作过程高度自动化,具有很高的机动性能。能够保证在短时间内,实现雷达工作平台的调平和天线阵面的翻转、升降等,以满足部队快速反应、快速转移的作战要求,其中,工作平台的调平是天线展开后续工作的前提。在目前装备部队的雷达中,普遍采用的方式之一是依靠调平撑腿进行调平,撑腿如图1所示。
该撑腿的工作原理为:电机从电控系统接收电信号后通过减速机输出扭矩,驱动丝杆旋转,从而实现撑腿的伸缩运动。在电机与减速机以及减速机与丝杆之间,由轴、孔、键槽结构连接,所以,电机、减速机、丝杆之间的键传递主要用于扭矩的传递,由于雷达调平精度对电讯测量精度有较大的影响,所以对撑腿内部结构键连接的配合精度也有较高要求。
4.2 配合公差的选取分析
在键连接系列标准(GB/T1095～1099—1979)中,依据不同用途的需要,对键和键槽的公差与配合规定了3种键连接配合种类:较松键连接、一般键连接及较紧键连接,如表1所示。其中,较松键连接用于导向键;一般键连接用于定位和传递扭矩的场合;较紧键连接用于传递重载或双向传扭的场合。因为该处键连接主要用于传递扭矩,所以该处的配合采用上述键连接中一般键连接情况。(如表1)
键连接的主要配合参数是键与键槽的宽度,分别为b与B,键连接的公差带与配合代号直接取自《极限与配合公差带与配合选择》标准(GB/T1801—1999)。由表1可知,标准中对键的宽度规定了统一的公差带为h9,而对轴槽宽规定了3种公差带,即H9,N9及P9对毂槽宽也规定了3种公差带,为D10,JS9及P9,这样形成了3组基轴制配合。根据键连接的特点,标准中对配合种类的要求并不繁杂,主要要求应有比较确定的间隙或过盈。
根据键的使用和装配要求,键在轴槽中既要固紧,又要便于拆装,以增强撑腿的可维护性。从使用性能上来考虑,为保证键连接有效的使用寿命,要求键与轴槽的侧面应有充分大的实际有效接触面积来承受负荷,以保证键连接可靠性。因此,键与轴槽的配合最好有少许过盈量。至于键与毂槽的配合从增大键与槽侧面的承压面积要求,也应有少许过盈量,但为了便于拆装,特别是考虑补偿键槽对称度等形位误差的影响,也允许有少量间隙。因此,该两处键连接所要求的配合特性,可概括为“一轴两孔”配合。由于在键连接标准(GB/T1095～1099—1979)中,借用了光滑圆柱体结合的公差与配合(GB/T1800~1804—1999)系列标准,因此,这里的“轴”与“孔”分别指的是键与键槽的两侧面。
所谓“一轴两孔”配合,是在键与键槽宽度的基本尺寸相同(即B=b)的前提下,键与轴槽和毂槽之间,分别要求不同的配合性质。此外,还由于键连接配合标准采用的是基轴制配合,即键宽b的公差带按基准轴位置h不变(一轴),而改变轴槽和毂槽宽度B的公差带的位置(两孔),以实现不同的配合性质。
4.3 精度储备系数的确定方法
如前所述,电机、减速机、丝杆之间采用的是一般键连接的配合方式。这种连接中,键与轴槽公差带所组成的配合属于过渡配合,装配时可能得到间隙,也可能得到过盈。当键与轴槽之间有较大间隙,或键与毂槽之间有较大过盈时,显然对装配和使用两方面质量都不利。为了避免这种不利情况的发生,生产中必需采取合理的工艺措施来弥补,即实际加工精度与配合精度的选择应考虑一定的精度储备,以满足装配和使用的要求。
以TF表示间隙配合功能配合公差,以XmaxF和XminF表示功能最大间隙和最小间隙,则TF=XmaxF-XminF;TK为孔与轴制造公差之和,若不考虑装配误差等,则TK=TH+TS,即规定的配合公差。则此时的精度储备系数为:
K=
一般而言,在电机启动的瞬间,键与电机及减速机的连接处会有一定的冲击和磨损,为了扩大磨损储备,考虑到Xmin出现的概率很小,也允许Xmin＜XminF,但考虑概率的最小间隙Xminp应大于或接近于功能最小间隙XminF。Xminp可称为考虑概率的最小间隙,并由下式确定。
Xmin=Xav-0.5-
式中Xav—所选配合的平均间隙。
可见,当磨损速度一定时,若间隙接近XminF时,其寿命将最长;若间隙接近XmaxF,其寿命将最短。以平均间隙Xav代表所选配合,则可以用
τ=
表示该配合使用的相对寿命,故称τ为寿命系数,其值在0和1之间,且数值越大,相对寿命越长。
在大量装备部队的该型撑腿中,图1所示的与键1相配合的电机和减速机的键槽尺寸以及与键2相配合的丝杆和减速机的配合键槽尺寸分别为60-0.03、6±0.015、120-0.043、12±0.021,后来在一次质量改进过程中,依据文中所述方法,将配合尺寸改为6-0.01-0.03、6+0.005-0.015、12-0.01-0.043、12+0.010-0.021,由于精度提高,間隙减小,增加了磨损储备,故障率明显降低。经售服部门的大量统计,该型撑腿由于键连接失效导致的故障发生时间间隔,即平均无故障时间(MTTF)由原来的1277.5天增加至1642天,提高了28.6%,可见,在该处结构连接的设计中加入精度储备后,取得了良好的使用效果。
5 结语
综上,在雷达结构设计的过程中适当进行精度储备的分析,可以避免由于精度失效造成机械及其零部件功能的丧失,长期保持机构及其零部件的工作性能,延长使用寿命,提高其使用价值。精度储备的合理运用,在加工阶段,既便于生产质量稳定的零部件,又可以避免浪费造成加工和检测过程的困难;在使用阶段,既可以提高产品质量,又对保证雷达工作的可靠性及测量的精度方面起到重要的作用。
参考文献
[1] 王文斌主编.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2004:6-120-6-129.
[2] 李柱主编.互换性与技术测量基础[M].北京:中国计量出版社,1984:224～225.
[3] 国家标准GB/T1095～2003.平键键槽的剖面尺寸[S].北京:中国标准出版社,1980.
[4] 王惠芳.几何公差项目及公差值的选用[J].机械工业标准化与质量,2010(3):41～47.
[5] 崔丽娟.基于精度储备的机械设计[J].砖瓦,2010(1):28～30.
[6] 桂定一.机器精度分析与设计[M]. 北京:机械工业出版社,2004.
[7] 李震.公差与配合的正确选用[J].机械工业标准化与质量,2000(8):25～26.
[8] 孟刚,刘绍舫,李晓东.机器设计的精度储备分析[J].石油矿场机械,2006(5):95～96.
关键词:精度储备 键 公差
中图分类号:TU398 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)04(b)-0005-02
The Application Analyze of Accuracy Storage
on Radar Machinery Design
Ying Wen xing Ma Chuan Bao
(The 38th Research Institute of China Electronic Technical Group CO. ,Hefei 230088,China)
Abstract:It is important to use a reasonable accuracy storage on machine design, an idiographic example was particularized to analyze the application of accuracy storage on Radar Machinery design in this paper, and the validity also be proved by the arms using in army.
Keywords:accuracy storage;key;tolerance
1 引言
随着现代雷达的机械结构愈发复杂,机构传动越发精确,对机械设计的精度也提出了更高的要求。作为雷达测量精度重要组成部分的系统结构精度,既对电讯指标的精度有着重大影响,其本身又极易受各种误差的影响,因此,为长期保持产品良好的工作性能、工作精度和使用寿命,在产品的精度设计中,既要考虑制造公差也要考慮功能公差,才能使设计的机构可以在一定精度范围可靠地工作,即设计人员在进行机械结构的设计过程中,必须加强对精度储备的分析。
2 精度储备的概念
精度储备可以用精度储备系数(coeffici ent of precision reservation)表示:
式中KT—精度储备系数;
TF—功能公差(functional tolerance),即由使用要求确定的,在使用期限内,某个功能参数的最大允许变动量;
TK—制造公差。
由精度储备系数的含义可知,由使用要求确定的公差TF不能全部用作制造公差,还必须保留一部分作为“功能公差”。制造公差用于补偿制造过程中的如加工、测量、装配等各种误差;功能公差则用于补偿使用过程中的如磨损、变形等各种误差。这样,才有利于在使用中长期地保持机器及其零部件的工作性能。
3 精度储备系数的选取
根据精度储备系数的定义,显然,KT应该大于1,国外一些公司多取KT=2。近年来,随着人们对精度储备的认识程度的提高,国内的一些机械设计单位逐渐取KT=2。精度储备系数KT的大小,主要取决于使用情况,如初始精度允许的降低程度、期望的使用期限、功能参数及使用指标的变化特性及其他因素。过大的精度储备系数虽然能提高使用寿命和使用价值,但是也将增加制造和检测的成本。归根结底,精度储备系数的选取应使机械产品的使用价值与制造成本的综合经济效果最好。对于整套设备而言,目前代表国际先进水平的整套设备的精度储备一般为1.4～1.6,而代表国内先进水平的整套设备的精度储备一般为1.2～1.3,而国内一般水平的精度储备往往稍高于1.0。
原则上讲,对机器、仪器及长期使用的零部件都应建立精度储备,并且应按每一功能参数,包括几何参数及其他物理参数等,去建立精度储备。对于那些对机器、仪器使用性能影响特别大,且在工作过程中容易变化的参数,尤应充分考虑建立精度储备。例如发动机的活塞与缸筒之间,必须有间隙的精度储备,因为这个间隙受温度的影响变化较大,不仅影响发动机的生产率与单位功率,而且对其功能与使用寿命也有较大的影响。
4 精度储备在雷达机构设计中的应用实例
4.1 撑腿的工作原理
现代防空警戒雷达多采用机电液一体化技术,操作过程高度自动化,具有很高的机动性能。能够保证在短时间内,实现雷达工作平台的调平和天线阵面的翻转、升降等,以满足部队快速反应、快速转移的作战要求,其中,工作平台的调平是天线展开后续工作的前提。在目前装备部队的雷达中,普遍采用的方式之一是依靠调平撑腿进行调平,撑腿如图1所示。
该撑腿的工作原理为:电机从电控系统接收电信号后通过减速机输出扭矩,驱动丝杆旋转,从而实现撑腿的伸缩运动。在电机与减速机以及减速机与丝杆之间,由轴、孔、键槽结构连接,所以,电机、减速机、丝杆之间的键传递主要用于扭矩的传递,由于雷达调平精度对电讯测量精度有较大的影响,所以对撑腿内部结构键连接的配合精度也有较高要求。
4.2 配合公差的选取分析
在键连接系列标准(GB/T1095～1099—1979)中,依据不同用途的需要,对键和键槽的公差与配合规定了3种键连接配合种类:较松键连接、一般键连接及较紧键连接,如表1所示。其中,较松键连接用于导向键;一般键连接用于定位和传递扭矩的场合;较紧键连接用于传递重载或双向传扭的场合。因为该处键连接主要用于传递扭矩,所以该处的配合采用上述键连接中一般键连接情况。(如表1)
键连接的主要配合参数是键与键槽的宽度,分别为b与B,键连接的公差带与配合代号直接取自《极限与配合公差带与配合选择》标准(GB/T1801—1999)。由表1可知,标准中对键的宽度规定了统一的公差带为h9,而对轴槽宽规定了3种公差带,即H9,N9及P9对毂槽宽也规定了3种公差带,为D10,JS9及P9,这样形成了3组基轴制配合。根据键连接的特点,标准中对配合种类的要求并不繁杂,主要要求应有比较确定的间隙或过盈。
根据键的使用和装配要求,键在轴槽中既要固紧,又要便于拆装,以增强撑腿的可维护性。从使用性能上来考虑,为保证键连接有效的使用寿命,要求键与轴槽的侧面应有充分大的实际有效接触面积来承受负荷,以保证键连接可靠性。因此,键与轴槽的配合最好有少许过盈量。至于键与毂槽的配合从增大键与槽侧面的承压面积要求,也应有少许过盈量,但为了便于拆装,特别是考虑补偿键槽对称度等形位误差的影响,也允许有少量间隙。因此,该两处键连接所要求的配合特性,可概括为“一轴两孔”配合。由于在键连接标准(GB/T1095～1099—1979)中,借用了光滑圆柱体结合的公差与配合(GB/T1800~1804—1999)系列标准,因此,这里的“轴”与“孔”分别指的是键与键槽的两侧面。
所谓“一轴两孔”配合,是在键与键槽宽度的基本尺寸相同(即B=b)的前提下,键与轴槽和毂槽之间,分别要求不同的配合性质。此外,还由于键连接配合标准采用的是基轴制配合,即键宽b的公差带按基准轴位置h不变(一轴),而改变轴槽和毂槽宽度B的公差带的位置(两孔),以实现不同的配合性质。
4.3 精度储备系数的确定方法
如前所述,电机、减速机、丝杆之间采用的是一般键连接的配合方式。这种连接中,键与轴槽公差带所组成的配合属于过渡配合,装配时可能得到间隙,也可能得到过盈。当键与轴槽之间有较大间隙,或键与毂槽之间有较大过盈时,显然对装配和使用两方面质量都不利。为了避免这种不利情况的发生,生产中必需采取合理的工艺措施来弥补,即实际加工精度与配合精度的选择应考虑一定的精度储备,以满足装配和使用的要求。
以TF表示间隙配合功能配合公差,以XmaxF和XminF表示功能最大间隙和最小间隙,则TF=XmaxF-XminF;TK为孔与轴制造公差之和,若不考虑装配误差等,则TK=TH+TS,即规定的配合公差。则此时的精度储备系数为:
K=
一般而言,在电机启动的瞬间,键与电机及减速机的连接处会有一定的冲击和磨损,为了扩大磨损储备,考虑到Xmin出现的概率很小,也允许Xmin＜XminF,但考虑概率的最小间隙Xminp应大于或接近于功能最小间隙XminF。Xminp可称为考虑概率的最小间隙,并由下式确定。
Xmin=Xav-0.5-
式中Xav—所选配合的平均间隙。
可见,当磨损速度一定时,若间隙接近XminF时,其寿命将最长;若间隙接近XmaxF,其寿命将最短。以平均间隙Xav代表所选配合,则可以用
τ=
表示该配合使用的相对寿命,故称τ为寿命系数,其值在0和1之间,且数值越大,相对寿命越长。
在大量装备部队的该型撑腿中,图1所示的与键1相配合的电机和减速机的键槽尺寸以及与键2相配合的丝杆和减速机的配合键槽尺寸分别为60-0.03、6±0.015、120-0.043、12±0.021,后来在一次质量改进过程中,依据文中所述方法,将配合尺寸改为6-0.01-0.03、6+0.005-0.015、12-0.01-0.043、12+0.010-0.021,由于精度提高,間隙减小,增加了磨损储备,故障率明显降低。经售服部门的大量统计,该型撑腿由于键连接失效导致的故障发生时间间隔,即平均无故障时间(MTTF)由原来的1277.5天增加至1642天,提高了28.6%,可见,在该处结构连接的设计中加入精度储备后,取得了良好的使用效果。
5 结语
综上,在雷达结构设计的过程中适当进行精度储备的分析,可以避免由于精度失效造成机械及其零部件功能的丧失,长期保持机构及其零部件的工作性能,延长使用寿命,提高其使用价值。精度储备的合理运用,在加工阶段,既便于生产质量稳定的零部件,又可以避免浪费造成加工和检测过程的困难;在使用阶段,既可以提高产品质量,又对保证雷达工作的可靠性及测量的精度方面起到重要的作用。
参考文献
[1] 王文斌主编.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2004:6-120-6-129.
[2] 李柱主编.互换性与技术测量基础[M].北京:中国计量出版社,1984:224～225.
[3] 国家标准GB/T1095～2003.平键键槽的剖面尺寸[S].北京:中国标准出版社,1980.
[4] 王惠芳.几何公差项目及公差值的选用[J].机械工业标准化与质量,2010(3):41～47.
[5] 崔丽娟.基于精度储备的机械设计[J].砖瓦,2010(1):28～30.
[6] 桂定一.机器精度分析与设计[M]. 北京:机械工业出版社,2004.
[7] 李震.公差与配合的正确选用[J].机械工业标准化与质量,2000(8):25～26.
[8] 孟刚,刘绍舫,李晓东.机器设计的精度储备分析[J].石油矿场机械,2006(5):95～96.