適用於南極天文望遠鏡的永磁懸浮支承軸繫結構的製作方法

2023-05-29 21:32:46

專利名稱：適用於南極天文望遠鏡的永磁懸浮支承軸繫結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於南極地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承結構。地平式望遠鏡主軸通常指望遠鏡的方位軸和高度軸，如圖1所示。方位軸5垂直指向天頂，整個望遠鏡繞方位軸5旋轉。望遠鏡鏡筒1通過高度軸2支承在叉臂3上，鏡筒繞高度軸旋轉。高度軸與方位軸垂直正交，通過方位軸和高度軸的旋轉就能實現望遠鏡對天上星體的跟蹤觀測。天文望遠鏡上主軸常用的支承軸承有機械軸承和液體靜壓軸承，當被支承負載較大時，機械軸承的靜摩擦力矩和動摩擦力矩相差較大，由此導致被支承軸的爬行臨界速度變大。而天文望遠鏡的運行速度非常低。當臨界爬行速度大於望遠鏡所需的跟蹤運行速度時，被支承軸就會出現「爬行」現象，影響望遠鏡的跟蹤精度和觀測能力。而液體靜壓軸承的摩擦係數只有機械軸承的十分之一，可大大降低軸系的臨界爬行速度，使得望遠鏡能夠工作在低速、超低速狀態。另一方面，機械軸承的直徑受到加工工具機的限制，而液體靜壓軸承的直徑可以做的很大，所以，中、大型望遠鏡主軸常用液體靜壓軸承支承。南極科考的數據表明南極地區大氣稀薄、寒冷、乾燥、塵埃少，而且風速小、大氣湍流少、視寧度好，更重要的是在南極地區能夠進行長達數月的連續天文觀測(極夜)，且環境光汙染少。這些特點使得南極的天文觀察條件是地球上其他地方無法比擬的。所以，國際上天文界都在大力發展南極天文，我國也在南極的Dome A開始了相關的天文研究。但南極的最低溫度達到-89° C，在這樣的超低溫條件下，望遠鏡上常用的液體靜壓軸承無法工作，因為，目前還沒有適用於這樣低溫的液壓油。機械軸承的使用也有困難，因為南極的地理緯度較高，望遠鏡的跟蹤速度非常低，有的觀測天區跟蹤速度只有0. 5 " /s,在這樣極低運行速度下，再加上軸承和潤滑油脂受到超低溫的影響，使得軸承在望遠鏡重量作用下，極易出現「爬行」現象，影響瞭望遠鏡的跟蹤性能和限制瞭望遠鏡跟蹤精度的進一步提高。為了解決以上的問題，本發明專利提出了一種適用於南極望遠鏡的軸系支承結構。即承重的軸承(如圖1中方位軸的軸向軸承和高度軸的徑向軸承)採用永磁斥力懸浮支承，動圈和定圈之間不接觸，有2毫米左右的間隙，這樣就不會存在因動、靜摩擦力矩引起的低速爬行現象，而且也不需要潤滑，避免了因潤滑脂帶來的問題。不承重只起定位作用的軸承(如圖1中方位軸的徑向軸承和高度軸的軸向軸承)，因為負載很小，不會有低速「爬行」 問題，所以，選用低膨脹係數、耐低溫、自潤滑的氮化矽陶瓷軸承。
背景技術：
由於南極特殊的環境，使得它成為地球上公認的最佳天文觀測場所。美國、歐洲、 澳大利亞、日本等國家先後在南極安裝了天文觀測設備，如義大利為主的0.8米口徑的 IRAIT紅外望遠鏡、日本0. 4米口徑的AIRT40光學/紅外望遠鏡等。我國也於2008年在南極Dome A成功安裝了我國研製的首臺南極光學望遠鏡CSTAR，CSTAR是由4臺0. 145米口徑的大視場望遠鏡裝在同一個機架上構成的小望遠鏡陣，主要進行變星監測及統計分析，尋找系外行星、超新星等天文觀察。為了避免超低溫引起的問題和降低CSTAR項目的風險， CSTAR望遠鏡的軸系是靜止不動的。其餘現有的南極望遠鏡主軸都採用機械軸承支承。但為了能使望遠鏡轉動，對主軸的支承軸承採取了以下的措施
①.對支承軸承採用超低溫潤滑脂潤滑，如義大利Solvay Solexis公司的!^mblinO zlht潤滑脂，這種潤滑脂價格昂貴，每公斤價格在4萬元人民幣左右。且在低速運轉情況下，潤滑效果不是很好。②.對所有的轉動部件，如軸承、驅動齒輪、電機等，用20°C左右的熱空氣加溫，熱空氣從控制室內用管道輸送。以上兩種方法是目前南極望遠鏡針對超低溫的工作環境，對支承軸承所採用的主要措施。這些措施在望遠鏡成本、南極能源供應、大型望遠鏡發展上都受到制約。根據南極科考的數據，南極是地球上最佳的天文觀測地點。目前世界上已有多個國家在南極安裝了小型天文觀測設備，如義大利為主的0. 8米口徑的IRAIT紅外望遠鏡、日本0.4米口徑的AIRT40光學/紅外望遠鏡等。我國也於2008年在南極Dome A安裝了口徑0. 145米的CSTAR望遠鏡陣。由於南極的環境溫度極低，對傳統天文望遠鏡主軸支承軸承(機械軸承、液體靜壓軸承)提出了嚴重的挑戰。上述現有技術沒有解決的技術問題有
① 機械軸承在使用過程中，需要潤滑脂潤滑。而南極的溫度最低達到零下89°， 目前只有少數潤滑脂能夠使用在如此低的溫度環境，如義大利Solvay Solexis公司的 !^mblinfelht潤滑脂。但這些特殊潤滑脂價格都非常昂貴。而且，在低速運行和超低溫雙重要求時，潤滑性能不是很好。② 機械軸承在南極超低溫的環境下，潤滑脂的潤滑性能和機械軸承尺寸受到影響，且機械軸承的摩擦係數相對較大(與靜壓軸承相比)，使得軸承在望遠鏡自身重量的作用下，動摩擦力矩和靜摩擦力矩的差值較大，致使望遠鏡能夠平穩運行的臨界速度變大，即不發生低速「爬行」的臨界速度變大。而由於南極地理緯度較高(80° 22' S)，望遠鏡的運行速度非常低，有的觀測天區跟蹤速度只有0. 5" /s,當望遠鏡要求的運行速度接近或低於支承軸承不發生「爬行」現象的臨界速度時，被支承軸在運行時，將會發生「爬行」 現象，從而影響瞭望遠鏡的跟蹤精度。同時這一問題也限制了南極望遠鏡口徑的進一步增大，因為望遠鏡口徑越大，則軸承上承擔的重量越重，重量越重，軸承的摩擦力矩就越大，進而動摩擦力矩和靜摩擦力矩的差值就越大，低速「爬行」的臨界速度就越高，不利於望遠鏡的低速運行。③為了解決以上低溫引起的軸承問題，目前，南極現有望遠鏡上通常採用的方法是從控制房間內，通過隔熱管道向望遠鏡的支承軸承輸送20°c的熱空氣。在南極能源供應非常困難的情況下，這種方法不是一個好方法。而且，這種方法對於目前的小型望遠鏡可能還適用，但隨著望遠鏡口徑的增大，單純靠這種方法根本無法解決問題。液體靜壓軸承的摩擦係數約為機械軸承的十分之一，可大大降低「爬行」的臨界速度。但目前還沒有能夠工作在-89°的液壓油。

發明內容
為了解決現有技術存在的上述問題，本發明提供一種適用於南極天文望遠鏡的永磁懸浮支承軸繫結構。該結構採用永磁斥力懸浮支承，動圈和定圈之間不接觸，有2毫米左右的間隙，這樣就不會存在因動、靜摩擦力矩引起的低速「爬行」現象，而且也不需要潤滑， 避免了因潤滑脂帶來的問題。不承重只起定位作用的軸承(如圖1中方位軸的徑向軸承和高度軸的軸向軸承)，因為負載很小，不會有低速「爬行」問題，所以，選用低膨脹係數、耐低溫、自潤滑的氮化矽陶瓷軸承。完成上述發明任務的技術方案是，一種適用於南極天文望遠鏡的永磁懸浮支承軸繫結構，天文望遠鏡的高度軸支承望遠鏡的整個鏡筒，該高度軸上設置有高度軸的徑向承重軸承與高度軸的軸向定位軸承；天文望遠鏡的方位轉盤通過彈性連接板固聯於中心定位軸上，該方位轉盤、彈性連接板與中心定位軸連成一整體，組成方位軸系的轉子；方位轉盤上通過叉臂安放望遠鏡的高度軸及其支承的鏡筒；驅動電機驅動方位軸系轉子，從而驅動整個望遠鏡實現方位旋轉；方位軸的支承軸繫結構設置在所述的方位軸系的轉子與望遠鏡機座之間，其特徵在於，
所述高度軸的徑向承重軸承採用永磁磁懸浮支承，該徑向承重軸承的永磁磁懸浮支承由軸承動圈和固定磁板組成，軸承動圈是由若干塊法向充磁的磁瓦拼接而成，通過螺釘固定在高度軸頸的外圈，與高度軸頸一起形成轉子；固定磁板通過螺釘固定在軸承座上；該軸承動圈與固定磁板間的永磁斥力平衡望遠鏡鏡筒的重量；所述高度軸的軸向定位軸承採用氮化矽陶瓷軸承定位；
所述方位軸的支承軸繫結構由非承重定位軸承與承重的定位軸承組成，所述的非承重定位軸承採用低膨脹係數、耐低溫、自潤滑的氮化矽陶瓷軸承支承；所述承重的定位軸承採用永磁軸向軸承支承，該永磁軸向軸承由動磁圈與定磁圈組成，該動磁圈通過螺釘固定於方位轉盤的底面；該定磁圈通過螺釘固定在底座的上表面；由所述動磁圈與定磁圈之間產生的永磁斥力平衡望遠鏡的重量。換言之，本發明的方位軸系支承結構如圖2所示，方位轉盤4通過彈性連接板6固聯於中心定位軸7上，這三者連成一整體組成方位軸系的轉子。方位轉盤4上通過叉臂3 安放望遠鏡的高度軸及其支承的鏡筒。驅動電機14驅動方位軸系轉子，從而驅動整個望遠鏡實現方位旋轉。整個望遠鏡的重量沿圖2中坐標系的Y軸，作用在方位軸系轉子上，由方位轉盤下面的永磁軸向軸承支承。永磁軸向軸承由動磁圈(動圈)9和定磁圈(定圈)10組成，動磁圈 9通過螺釘固定於方位轉盤4的底面，定磁圈10通過螺釘固定在底座11的上表面。由動磁圈與定磁圈之間產生的永磁斥力平衡望遠鏡的重量。動磁圈與定磁圈之間的距離可根據望遠鏡的重量進行計算設定，一般在2毫米左右。這一間隙可通過底座11下面的調整墊鐵12 進行調整。調整的目的有兩個一是在望遠鏡安裝過程中，望遠鏡的部件是一個一個往上集成的，即開始的時候重量小，越來越重。因此，要求永磁軸向軸承的支承力也是從小變大的， 這一要求可通過調整墊鐵調整動磁圈與定磁圈之間的間隙來實現；二是望遠鏡在使用過程中，重量也可能會有少量變化，這時也可通過調整墊鐵改變間隙的大小，以達到改變永磁斥力的目的。圖3和圖4分別是永磁軸向軸承定圈和動圈的結構圖。考慮到目前充磁機的尺寸，整圈充磁比較困難，因此，定圈和動圈都由小尺寸法向充磁的磁瓦15、17拼接而成。拼接工作需要通過專用工具完成，因為每小塊之間都有較強的排斥磁力。拼接完後，用沉頭螺釘16、18將每塊磁瓦固定在底座11或方位轉盤4上。與傳統用膠固定磁瓦相比，此處用螺釘固定，有利於以後的更換、維護。高度軸支承望遠鏡的整個鏡筒(如圖1所示)，圖6-1、6_2是鏡筒一邊的支承結構。 與方位軸相反，高度軸在徑向(圖6-1、6-2中Y方向)是承擔鏡筒重量的，而在軸向(圖6-1、 6-2中X方向)只是起定位作用。因此，徑向承重採用永磁磁懸浮支承，軸向定位採用氮化矽陶瓷軸承定位。徑向承重軸承由軸承動圈21和固定磁板23組成，軸承動圈是由若干塊法向充磁的磁瓦拼接而成，通過螺釘22固定在高度軸頸20的外圈，與高度軸頸一起形成轉子。固定磁板23通過螺釘固定在軸承座M上。軸承動圈與固定磁板間的永磁斥力平衡望遠鏡鏡筒
的重量。本發明在承重方向採用永磁斥力支承，非承重定位採用低膨脹係數、耐低溫、自潤滑的氮化矽陶瓷軸承支承。通過這套支承結構，解決了南極望遠鏡機械軸承潤滑問題、熱脹冷縮問題、重載下低速爬行問題以及液體靜壓軸承無法使用的問題。為南極望遠鏡向高精度跟蹤和大口徑發展創造了條件。


圖1為望遠鏡主軸示意圖，圖中鏡筒1，高度軸2，叉臂3，方位轉盤4，方位軸5 ； 圖2為方位軸支承結構圖，圖中方位轉盤4，彈性連接板6，定位軸7，定位陶瓷軸承8，
叉臂3，軸向軸承動圈9，軸向軸承定圈10，底座11，調整墊鐵12，定位軸承座13，驅動電機 14；
圖3為定圈結構圖，圖中底座11，永磁磁瓦15，固定螺釘16 ； 圖4為動圈結構圖，圖中方位轉盤4，永磁磁瓦17，固定螺釘18 ； 圖5為動圈和定圈磁瓦對應圖，圖中動圈磁瓦17，定圈磁瓦15 ； 圖6-1、圖6-2分別為高度軸支承結構圖，圖中望遠鏡鏡筒1，軸向定位陶瓷軸承19， 高度軸20，徑向軸承動圈21，動圈固定螺釘22，徑向軸承定板23，軸承座M，叉臂3。
具體實施例方式實施例1，適用於南極天文望遠鏡的永磁懸浮支承軸繫結構，參照圖2 方位轉盤4 通過彈性連接板6固聯於中心定位軸7上，該方位轉盤4、彈性連接板6與中心定位軸7連成一整體，組成方位軸系的轉子；方位轉盤4上通過叉臂3安放望遠鏡的高度軸及其支承的鏡筒；驅動電機14驅動方位軸系轉子，從而驅動整個望遠鏡實現方位旋轉；所述的磁懸浮支承軸繫結構設置在所述的方位軸系的轉子與望遠鏡底座11之間。非承重定位軸承採用低膨脹係數、耐低溫、自潤滑的氮化矽陶瓷軸承8支承。承重的定位軸承採用永磁軸向軸承支承，該永磁軸向軸承由動磁圈(動圈)9和定磁圈(定圈)10組成，動圈通過螺釘固定於方位轉盤4的底面；定圈通過螺釘固定在底座11的上表面；由動圈9和定圈10之間產生的永磁斥力平衡望遠鏡的重量。通過調整墊鐵12，可以調整軸承動圈9和定圈10之間的間隙。為了保證在運行過程中，磁斥力的波動量儘量小，動圈磁瓦的接縫與定圈磁瓦的接縫不能相同，應錯開一定的角度，例如，錯開45度，不能相互平行。如圖5所示。方位軸系除了軸向支承外，還需要徑向中心定位，如圖2所示。徑向中心定位軸承考慮如下徑向(圖2中X方向)與望遠鏡重力方向(圖2中Y方向)垂直，所以望遠鏡自身重量在徑向沒有作用力。徑向的作用力主要來自於外界的風載，而據南極科考的資料表明， 我國南極Dome A的平均風速才2米/秒，由此產生的風載比較小。即使用機械軸承，也不會產生低速「爬行」問題。但要選擇摩擦係數較小的機械軸承。南極的溫差比較大，軸承的熱變形越小越好，即軸承材料的熱膨脹係數要比較小。不需要使用潤滑脂潤滑，即所謂的自潤滑軸承。根據以上的分析，氮化矽陶瓷軸承能夠滿足以上的要求。氮化矽陶瓷軸承摩擦係數小於軸承鋼30%，熱膨脹係數小於軸承鋼20%，硬度是軸承鋼的1倍，抗壓是軸承鋼的5-7倍。高度軸支承結構
高度軸支承望遠鏡的整個鏡筒(如圖1所示)，圖6是鏡筒一邊的支承結構。與方位軸相反，高度軸在徑向(圖6-1、6-2中Y方向)是承擔鏡筒重量的，而在軸向(圖6-1、6-2中X 方向)只是起定位作用。因此，徑向承重採用永磁磁懸浮支承，軸向定位採用氮化矽陶瓷軸承定位。徑向承重軸承由軸承動圈21和固定磁板23組成，軸承動圈是由若干塊法向充磁的磁瓦拼接而成，通過螺釘22固定在高度軸頸20的外圈，與高度軸頸一起形成轉子。固定磁板23通過螺釘固定在軸承座M上。軸承動圈與固定磁板間的永磁斥力平衡望遠鏡鏡筒的重量。由於叉臂3上的空間有限，此處沒有加軸承動圈和固定磁板間隙的調整機構。不過，兩者之間的間隙可通過磨削墊片厚度的方法進行調整。為了保證高度軸運行的平穩性， 徑向軸承永磁定板的長度至少應大於兩個動圈磁瓦的寬度。軸向定位採用低膨脹係數、耐低溫、自潤滑的氮化矽陶瓷軸承的分析與方位軸支承相同，不再螯述。
權利要求
1.一種適用於南極天文望遠鏡的永磁懸浮支承軸繫結構，天文望遠鏡的高度軸支承望遠鏡的整個鏡筒，該高度軸上設置有高度軸的徑向承重軸承與高度軸的軸向定位軸承；天文望遠鏡的位轉盤通過彈性連接板固聯於中心定位軸上，該方位轉盤、彈性連接板與中心定位軸連成一整體，組成方位軸系的轉子；方位轉盤上通過叉臂安放望遠鏡的高度軸及其支承的鏡筒；驅動電機驅動方位軸系轉子，從而驅動整個望遠鏡實現方位旋轉；方位軸的支承軸繫結構設置在所述的方位軸系的轉子與望遠鏡機座之間，其特徵在於，所述高度軸的徑向承重軸承採用永磁磁懸浮支承，該徑向承重軸承的永磁磁懸浮支承由軸承動圈和固定磁板組成，軸承動圈是由若干塊法向充磁的磁瓦拼接而成，通過螺釘固定在高度軸頸的外圈，與高度軸頸一起形成轉子；固定磁板通過螺釘固定在軸承座上；該軸承動圈與固定磁板間的永磁斥力平衡望遠鏡鏡筒的重量；所述高度軸的軸向定位軸承採用氮化矽陶瓷軸承定位；所述方位軸的支承軸繫結構由非承重定位軸承與承重的定位軸承組成，所述的非承重定位軸承採用低膨脹係數、耐低溫、自潤滑的氮化矽陶瓷軸承支承；所述承重的定位軸承採用永磁軸向軸承支承，該永磁軸向軸承由動磁圈與定磁圈組成，該動磁圈通過螺釘固定於方位轉盤的底面；該定磁圈通過螺釘固定在底座的上表面；由所述動磁圈與定磁圈之間產生的永磁斥力平衡望遠鏡的重量。
2.根據權利要求1所述的適用於南極天文望遠鏡的永磁懸浮支承軸繫結構，其特徵在於，所述永磁軸向軸承的動圈和定圈是由若干法向充磁的小磁瓦拼接而成的。
3.根據權利要求2所述的適用於南極天文望遠鏡的永磁懸浮支承軸繫結構，其特徵在於，所述永磁軸向軸承動磁圈與定磁圈的小磁瓦的拼接接縫彼此錯開一定的角度。
4.根據權利要求1或2或3所述的適用於南極天文望遠鏡的永磁懸浮支承軸繫結構， 其特徵在於，所述永磁軸向軸承的動磁圈與定磁圈之間的間隙約2毫米。
5.根據權利要求4所述的適用於南極天文望遠鏡的永磁懸浮支承軸繫結構，其特徵在於，在所述的望遠鏡底座下面設有調整墊鐵。
6.根據權利要求4所述的適用於適用於南極天文望遠鏡的永磁懸浮支承軸繫結構，其特徵在於，所述徑向軸承定磁板的長度至少大於兩個動磁圈小磁瓦的寬度。
全文摘要
適用於南極天文望遠鏡的永磁懸浮支承軸繫結構，高度軸上設置有徑向承重軸承與軸向定位軸承；方位軸的支承軸繫結構設置在方位軸系的轉子與望遠鏡機座之間，特徵是高度軸的徑向承重軸承採用永磁磁懸浮支承，軸承動圈與固定磁板間的永磁斥力平衡望遠鏡鏡筒的重量；高度軸的軸向定位軸承採用氮化矽陶瓷軸承定位；方位軸的非承重定位軸承採用氮化矽陶瓷軸承支承；方位軸的承重定位軸承採用永磁軸向軸承支承，永磁軸向軸承動磁圈與定磁圈之間產生的永磁斥力平衡望遠鏡的重量。本發明解決了南極望遠鏡機械軸承潤滑問題、熱脹冷縮問題、重載下低速爬行問題及液體靜壓軸承無法使用的問題。為南極望遠鏡向高精度跟蹤和大口徑發展創造了條件。
文檔編號F16C32/04GK102162910SQ201110097930
公開日2011年8月24日 申請日期2011年4月19日 優先權日2011年4月19日
發明者劉亮, 王國民 申請人:中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所