李曉輝，劉繼奎，王 術(shù)

（北京控制工程研究所，北京100190）

0 前言

諧波減速器因為具有傳動比大、精度高、承載能力強、傳動平穩(wěn)、重量輕等特點在航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。太陽翼驅(qū)動機構(gòu)、天線指向機構(gòu)、各種有效載荷掃描驅(qū)動機構(gòu)、行星巡視探測器驅(qū)動機構(gòu)和空間機器人等大都采用諧波減速器作為傳動方式[1-2]。

諧波減速器利用柔輪的彈性變形來傳遞運動和動力，剛輪與柔輪間配合屬于無側(cè)隙擠壓式配合方式。由于空間用諧波減速器多為低轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)，因此摩擦對偶間大多情況下處于邊界潤滑狀態(tài)，對偶間潤滑一般采用脂潤滑和固體潤滑方式。與潤滑脂相比，固體潤滑劑具有摩擦系數(shù)較大、熱傳導(dǎo)性能差和易產(chǎn)生磨屑等缺點，同時由于固體潤滑劑的自修復(fù)性能差而影響其潤滑壽命，因此在長壽命、高可靠空間任務(wù)應(yīng)用上受到一定的局限[3]。工作在空間環(huán)境中的諧波減速器將遭受高真空、冷熱交變等環(huán)境的影響，其熱真空傳動性能是確保為空間飛行器提供高性能傳動的關(guān)鍵。美國 Castrol公司生產(chǎn)的 601EF潤滑脂是一種白色半透明的全氟聚醚潤滑脂，適用溫度范圍可達(dá)-80～204 ℃，其優(yōu)點是極壓性好、抗輻射性強和化學(xué)惰性好等，缺點是抗磨性差。601EF脂廣泛應(yīng)用于航天飛機、衛(wèi)星等航天器上傳動零部件的潤滑，典型的應(yīng)用包括球軸承、滾子軸承、齒輪等[4]。本文對采用601EF滑后的諧波減速器在熱真空條件下進行了試驗研究，考察了其在不同環(huán)境下的傳動性能。

1 熱真空試驗

1.1 試驗裝置

采用中技克美公司生產(chǎn)的 XBS-32-80和XBS-80-160兩種型號諧波減速器作為試驗對象，它們的減速比分別為80和160。圖1為諧波減速器的三個關(guān)鍵組件：柔輪、剛輪和波發(fā)生器。其中柔輪為杯形結(jié)構(gòu)，波發(fā)生器主要由凸輪和柔性軸承組成。諧波齒輪的工作方式為剛輪固定不動，波發(fā)生器作為傳動輸入件，柔輪作為傳動輸出件。諧波減速器的傳動潤滑采用601EF潤滑脂。

圖1 諧波減速器三大組件Fig.1 Three key components of harmonic gear

為了較真實地模擬空間工作狀態(tài)，試驗在真空室中進行。試驗裝置由驅(qū)動電機、磁流體密封轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器、諧波減速器及其支架、真空室、磁粉制動器、控溫點、測溫點和扭轉(zhuǎn)傳感器等組成，如圖2所示[5]。

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test device

1.2 潤滑處理及試驗條件

試驗前需要對諧波減速器的傳動零部件進行潤滑處理，過程如下：

1）分別在剛輪和柔輪齒面、柔性軸承內(nèi)外套圈溝道及擋邊表面、柔性軸承外圈與柔輪內(nèi)壁接觸部位均勻涂敷601EF潤滑脂；

2）將諧波減速器固定在工裝上進行正反兩個方向上的跑合，每個方向跑合100圈，以確保潤滑脂均勻擴散到剛輪、柔輪齒面等各個接觸部位；

3）將諧波減速器從工裝上取下，用綢布將諧波減速器和工裝上溢出的多余潤滑脂擦拭干凈；

4）最后要控制潤滑脂的涂敷厚度，約為0.1～0.2 mm，可通過測量涂敷潤滑脂前后重量差的方式來確定潤滑脂的厚度。

試驗的環(huán)境條件選取高軌道空間環(huán)境條件，力學(xué)條件按兩種諧波減速器的典型應(yīng)用情況選取，見表1。

表1 試驗條件Table 1 Test conditions

式中：v為運動粘度，mm2/s；T為潤滑油所處的絕對溫度，K；a、b為常數(shù)。

溫升的大小在一定程度上可以表征潤滑性能和潤滑效果的好壞。溫升較小，說明潤滑脂性能良好，潤滑效果較好，使得兩傳動部件之間的摩擦較小，產(chǎn)生的熱量較小。試驗過程中須對諧波減速器的溫升情況進行監(jiān)測。圖2中的測溫點和控溫點之間的溫度差值就是溫升。

除了測量溫升之外，還進行了輸入扭矩和潤滑脂成分的測量分析。通過試驗裝置中的扭矩傳感器對系統(tǒng)的輸入扭矩進行測量，從試驗現(xiàn)象來看輸入扭矩隨著溫度變化，溫度越低輸入扭矩越大。這主要是受潤滑脂粘度的影響，而潤滑脂的粘度主要由基礎(chǔ)油的粘度決定。試驗前后采用紅外光譜和等離子發(fā)射光譜檢測潤滑脂的元素種類和主要元素的含量，分析潤滑脂在試驗過程中的變化情況。

1.3 試驗測量

溫度是影響潤滑性能的重要參數(shù)。根據(jù)美國材料試驗學(xué)會的ASTM D 341等標(biāo)準(zhǔn)，液體石油產(chǎn)品粘度-溫度關(guān)系都采用Walther公式，其表達(dá)式為[6-7]

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 傳動效率分析

諧波減速器的傳動效率為

式中：To、ωo和Tro分別為輸出力矩、輸出轉(zhuǎn)速和輸出端摩擦力矩；Ti、ωi和Tri分別為輸入力矩、輸入轉(zhuǎn)速和輸入端摩擦力矩。

通過式(2)可以計算得到諧波減速器的傳動效率。圖3、圖4分別為兩種諧波減速器的傳動效率隨環(huán)境溫度的變化情況，其中采用多次循環(huán)的目的是考察傳動效率長時間在熱真空情況下是否會發(fā)生明顯變化。由圖可以看出兩種諧波減速器的傳動效率在50%～75%之間變化。傳動效率隨著溫度變化關(guān)系為：總體來看，溫度越低，傳動效率也隨之降低；當(dāng)溫度高于20 ℃時，隨著溫度升高，效率-溫度曲線的斜率變小，這是因為潤滑脂的粘度在20 ℃以上變化很緩慢；而在低于 20 ℃時，效率-溫度曲線的斜率較大，其原因是隨著溫度的降低，潤滑脂流動性和飽和蒸氣壓降低，粘度快速增加，因此潤滑脂的潤滑性能降低，這種情況在距離潤滑脂的傾點越近的情況下變化越明顯（傾點是指油品在規(guī)定的條件下，被冷卻的試樣能夠流動的最低溫度，用來衡量潤滑脂低溫流動性）。對比兩種諧波減速器的傳動效率，發(fā)現(xiàn)XBS-80-160的傳動效率在低溫階段下降得更快，這是由于該諧波減速器的輸出負(fù)載較大、轉(zhuǎn)速較高所致。在較低負(fù)載時，潤滑膜的形成主要取決于潤滑脂的粘度；而在較高負(fù)載情況下，潤滑性能還與潤滑脂的相對速度、抗磨性和極壓性有關(guān)[8]。在相同溫度下，溫度變化速率的不同也會在一定程度上影響諧波減速器的傳動效率，這種情況在低溫階段更明顯。

圖3 XBS-32-80諧波減速器傳動效率隨溫度的變化Fig.3 Variation of transmission efficiency against ambient temperature in XBS-32-80 harmonic gear

圖4 XBS-80-160諧波減速器傳動效率隨溫度的變化Fig.4 Variation of transmission efficiency against ambient temperature in XBS-80-160 harmonic gear

2.2 溫升分析

圖5、圖6所示的為2種諧波減速器的溫升情況，可以明顯看出溫升與環(huán)境溫度的關(guān)系：在高溫時，溫升幅度很小，潤滑脂處于良好的工作狀態(tài)，因此傳動效率較高；在低溫階段，由于潤滑脂的粘度增加而導(dǎo)致傳動效率降低，更多的能量以摩擦熱的方式損失掉[9-10]。從試驗數(shù)據(jù)來看，在低溫環(huán)境中，溫升最高達(dá)到7 ℃。在溫升不會對諧波減速器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傷害的情況下，適度的溫升可以降低潤滑脂粘度，從而可有效改善低溫下的傳動性能。

圖5 XBS-32-80諧波減速器在不同環(huán)境溫度下的溫升情況Fig.5 Temperature rise in XBS-32-80 harmonic gear vs.ambient temperature

圖6 XBS-80-160諧波減速器在不同環(huán)境溫度下的溫升情況Fig.6 Temperature rise in XBS-80-160 harmonic gear vs.ambient temperature

2.3 潤滑脂分析

2.3.1 形貌分析

試驗后拆下 2種諧波減速器的零件，并進行了觀測：其中XBS-80-160的柔輪和剛輪齒面上殘留了少量的油脂，齒外有黑色的脂塊；而XBS-32-80的柔輪和剛輪齒面上油脂附著較好，也沒有干涸。這是由于XBS-80-160的負(fù)載較大和轉(zhuǎn)速較高，將一部分潤滑脂擠壓出摩擦面所致。對清洗后的部件進行了觀測：2種諧波減速器摩擦表面均未見到明顯磨損和污染，試驗前后剛輪表面沒有明顯變化。圖7所示的是XBS-32-80剛輪表面磨損情況。

圖7 試驗前后剛輪的表面磨損Fig.7 Surface abrasion of stiff gear before & after the test

2.3.2 成分分析

對 2種諧波減速器中試驗前后的潤滑脂都進行了紅外光譜分析，結(jié)果顯示2種諧波減速器上潤滑脂樣品的化學(xué)成分均未見明顯變化，表明潤滑脂在熱真空環(huán)境中穩(wěn)定性良好。

采用等離子發(fā)射光譜對 601EF潤滑脂試驗前后的元素進行了分析，結(jié)果表明：試驗后潤滑脂的Fe元素含量都有一定的增加，這主要是由于在試驗過程中出現(xiàn)諧波減速器摩擦表面的少量磨損所致；沒有發(fā)現(xiàn)其他金屬元素含量有明顯變化，說明試驗過程中對諧波減速器的磨損量較小。

3 結(jié)論

1）在低溫下，諧波減速器的潤滑性能下降與潤滑脂粘度增加有關(guān)。

2）在高負(fù)荷、較高轉(zhuǎn)速的情況下，由于受抗磨性和極壓性的影響，潤滑脂潤滑性能受低溫影響更大而出現(xiàn)快速下降。

3）由于諧波減速器傳動力矩和負(fù)荷較大，因此需要控制潤滑脂填充量，過量的潤滑脂會形成干涸脂塊而加劇溫升，從而加大對諧波減速器運轉(zhuǎn)的阻滯作用。

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