馮戴一楠，陳曉陽(yáng)，趙聯(lián)春，張濤，王朋

(上海大學(xué) 機(jī)電工程及自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

1 柔性軸承試驗(yàn)技術(shù)的研究背景

1.1 柔性軸承的應(yīng)用

諧波減速器自發(fā)明起至今已50余年，憑借高傳動(dòng)比、高傳動(dòng)精度、高傳動(dòng)平穩(wěn)性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生活及工業(yè)生產(chǎn)中的各個(gè)領(lǐng)域，小到印刷機(jī)中的張緊裝置，大到航天工業(yè)中的空間機(jī)械臂、衛(wèi)星恒速裝置和火星車等[1-5],部分應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 諧波減速器的應(yīng)用Fig.1 Application of harmonic reducer

諧波減速器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其組成部件為波發(fā)生器、柔輪及剛輪，柔性軸承則安裝在波發(fā)生器上，與柔輪配合。柔性軸承是諧波減速器的重要元件，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞決定了諧波減速器的壽命。

圖2 諧波減速器的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of harmonic reducer

1.2 柔性軸承的運(yùn)行特點(diǎn)

一般情況下，軸承在徑向只承受單向載荷，其內(nèi)外圈均視為剛體，而柔性軸承則承受徑向?qū)ΨQ載荷。運(yùn)行時(shí)，柔性軸承的內(nèi)圈受凸輪作用產(chǎn)生強(qiáng)制形變，在波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)則不再產(chǎn)生周期性形變；外圈受球擠壓產(chǎn)生彈性形變，并在外載荷作用下隨著波發(fā)生器的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生周期性形變。柔性軸承的內(nèi)外圈具有不同的轉(zhuǎn)速和相反的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速與波發(fā)生器相同，外圈與柔輪之間存在較小的相對(duì)滑動(dòng)[6]，但轉(zhuǎn)速仍可近似等于柔輪轉(zhuǎn)速。

整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，柔性軸承不僅存在與普通軸承類似的由接觸疲勞引起的疲勞點(diǎn)蝕現(xiàn)象，還存在由交變應(yīng)力引起的彎曲疲勞現(xiàn)象。常見(jiàn)的柔性軸承破壞現(xiàn)象主要有：麻點(diǎn)、外圈磨損及保持架斷裂等。由于柔性軸承的受力及運(yùn)行具有普通軸承不具備的特殊性，普通軸承的疲勞試驗(yàn)機(jī)往往無(wú)法滿足柔性軸承的受載特點(diǎn)，從而無(wú)法模擬柔性軸承在實(shí)際工況下的運(yùn)行。

2 柔性軸承性能試驗(yàn)的發(fā)展

近年來(lái)，學(xué)者們利用有限元軟件對(duì)柔性軸承進(jìn)行了一些分析[7-10]，探討了諸如內(nèi)外圈結(jié)構(gòu)參數(shù)、載荷、溫度等對(duì)軸承應(yīng)力的影響，但關(guān)于柔性軸承性能試驗(yàn)的研究較少。從試驗(yàn)的對(duì)象看，柔性軸承的試驗(yàn)研究主要分為以諧波減速器為對(duì)象和以柔性軸承單一元件為試驗(yàn)對(duì)象，其中以諧波減速器為對(duì)象時(shí)，對(duì)柔性軸承的分析主要集中于摩擦性能、載荷測(cè)試及疲勞磨損等方面；從加載方式來(lái)看，主要分為液壓加載、慣性加載、磁粉制動(dòng)器加載、發(fā)電機(jī)加載及陪侍加載輪式加載。

2.1 以諧波減速器為試驗(yàn)對(duì)象

文獻(xiàn)[11]搭建了如圖3所示的試驗(yàn)裝置，用于諧波傳動(dòng)中柔性軸承的摩擦性能及柔輪剛度的分析。該試驗(yàn)裝置與減速器構(gòu)造類似，整體機(jī)構(gòu)可分為波發(fā)生器、柔輪及剛輪，采用力臂配合載重塊的加載方式。試驗(yàn)裝置的波發(fā)生器一側(cè)搭載有編碼器，柔輪一側(cè)則搭載有扭矩傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器等傳感器。試驗(yàn)裝置垂直安放，輸入電動(dòng)機(jī)安裝在固定桁架上，波發(fā)生器通過(guò)輸入電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，剛輪為固定件，柔輪為輸出件，在輸出側(cè)提供慣性負(fù)載并連接有輸出解析器。

圖3 諧波傳動(dòng)試驗(yàn)裝置Fig.3 Harmonic drive test device

文獻(xiàn)[12-13]采用的試驗(yàn)裝置如圖4所示，試驗(yàn)裝置以電動(dòng)機(jī)為輸入，柔輪為輸出，對(duì)柔輪內(nèi)壁與柔性軸承外圈之間的摩擦機(jī)理進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。該試驗(yàn)裝置采用了平衡砝碼的加載方式(圖4b)，相較于圖3的試驗(yàn)裝置，不僅負(fù)載的可調(diào)性大大提高，而且增強(qiáng)了動(dòng)平衡，從而減小了傳動(dòng)誤差，使試驗(yàn)結(jié)果更加精確。另外，為模擬太空中減速器的運(yùn)行環(huán)境，在試驗(yàn)裝置的外側(cè)安裝了熱真空系統(tǒng)，并系統(tǒng)分析了真空環(huán)境與大氣環(huán)境、不同潤(rùn)滑程度下柔性軸承外壁的摩擦性能。

圖4 試驗(yàn)裝置Fig.4 Test device

為研究柔性軸承中鋼球的受力問(wèn)題，在圖4裝置的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[14]在波發(fā)生器位置處設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)軸承力矩的裝置，用以了解諧波減速器運(yùn)行過(guò)程中柔性軸承內(nèi)部載荷的分布情況。該試驗(yàn)分為2步進(jìn)行：1)取出柔性軸承，裝入波發(fā)生器，固定波發(fā)生器并在軸承外圈上通過(guò)砝碼施加外力P，在鋼球上安裝力桿，當(dāng)軸承受載荷作用產(chǎn)生力矩，彈簧秤便能顯示所得力Q，通過(guò)接觸桿的長(zhǎng)度及偏轉(zhuǎn)角度即可得到靜態(tài)力矩M，從而建立鋼球受力P與其所受靜態(tài)力矩M之間的關(guān)系式，檢測(cè)原理如圖5所示；2)運(yùn)行諧波減速器，利用上述方法求得柔性軸承中每個(gè)球的力矩，通過(guò)監(jiān)測(cè)所得力矩便能反求得實(shí)際運(yùn)行中柔性軸承內(nèi)每個(gè)球的受力。

圖5 鋼球受力測(cè)量Fig.5 Force measurement for steel ball

國(guó)內(nèi)學(xué)者搭建的的試驗(yàn)裝置類似于圖4，文獻(xiàn)[15]研究了柔性軸承及柔輪等接觸副在低速、輕載、少潤(rùn)滑等環(huán)境下對(duì)傳動(dòng)效率的影響，發(fā)現(xiàn)柔性軸承內(nèi)部接觸副之間的摩擦阻力將直接影響諧波減速器的傳動(dòng)效率，而柔性軸承外圈與柔輪之間的摩擦磨損是直接導(dǎo)致諧波減速器失效的主導(dǎo)因素；文獻(xiàn)[16]以諧波減速器為研究對(duì)象，在環(huán)境真空度小于1.3×10-3Pa、溫度為20～25 ℃的真空罐中進(jìn)行了5 000 h壽命試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)后柔輪內(nèi)壁與柔性軸承外壁接觸的區(qū)域進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)磨損情況嚴(yán)重，且輸入轉(zhuǎn)速為3 r/min的磨損情況比輸入轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)更為嚴(yán)重，確認(rèn)了柔性軸承外圈的磨損與整個(gè)裝置傳動(dòng)效率的減小有直接關(guān)系。

文獻(xiàn)[17]以諧波減速器為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種新的試驗(yàn)平臺(tái)，如圖6所示。為了保持試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔可靠，同時(shí)使試驗(yàn)機(jī)可在模擬空間環(huán)境的真空罐內(nèi)使用，設(shè)計(jì)了一種新的載荷加載方式，通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制進(jìn)行加載，從而擺脫了人工加載的方式。該試驗(yàn)機(jī)可以測(cè)試柔性軸承的壽命和磨損性能，其工作過(guò)程為：主伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)諧波減速器運(yùn)行，輔助伺服電動(dòng)機(jī)則帶動(dòng)連接在諧波減速器的扭桿彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對(duì)減速器形成負(fù)載效應(yīng)。工作原理為：試驗(yàn)機(jī)的2個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)一定的轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生相互間的轉(zhuǎn)角差φ，為扭桿施加扭轉(zhuǎn)角度變形從而產(chǎn)生扭矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)產(chǎn)品的加載。扭矩大小與變形量成正比，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)角差φ即可實(shí)現(xiàn)對(duì)加載扭矩的動(dòng)態(tài)控制。

圖6 新型諧波傳動(dòng)平臺(tái)示意圖Fig.6 Diagram of new harmonic drive platform

2.2 以單一柔性軸承為試驗(yàn)對(duì)象

文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)了一種專用于柔性軸承的疲勞試驗(yàn)機(jī)，如圖7所示，其擺脫了基于諧波減速器進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的理念。該試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程為：將待測(cè)柔性軸承安裝在波發(fā)生器上，固定波發(fā)生器使其不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，平帶對(duì)稱張緊在波發(fā)生器長(zhǎng)軸的兩端；通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)平帶轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠平帶與外圈之間的摩擦力帶動(dòng)柔性軸承外圈轉(zhuǎn)動(dòng)。其加載方式為：通過(guò)控制張緊輪的張緊程度實(shí)現(xiàn)平帶對(duì)柔性軸承的壓緊，從而實(shí)現(xiàn)柔性軸承受載運(yùn)行。

圖7 柔性軸承壽命試驗(yàn)機(jī)Fig.7 Life tester of flexible bearing

該試驗(yàn)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)明確：以柔性軸承為單一試驗(yàn)元件，模擬并實(shí)現(xiàn)了柔性軸承運(yùn)行中長(zhǎng)軸位置處徑向?qū)ΨQ受載的特點(diǎn)。但其缺陷也比較明顯：1)只能模擬波發(fā)生器固定、外圈轉(zhuǎn)動(dòng)的工況，而實(shí)際運(yùn)行中柔性軸承的內(nèi)、外圈均發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，且速度不同、方向相反；2)試驗(yàn)機(jī)的加載無(wú)法達(dá)到實(shí)際軸承的承載水平；3)缺少軸承與柔輪間的相互作用。

3 總結(jié)與展望

3.1 性能分析熱點(diǎn)

現(xiàn)階段，對(duì)柔性軸承的試驗(yàn)研究集中于載荷的測(cè)量分析、摩擦學(xué)性能及疲勞壽命研究這3個(gè)方面。

載荷的測(cè)量分析方面，主要測(cè)量2個(gè)狀態(tài)下柔性軸承的受力狀況:1)裝入凸輪時(shí)柔性軸承的受力大小及分布；2)裝入柔輪后且在柔輪輸出側(cè)施加載荷時(shí)柔性軸承的受力大小及分布。

摩擦學(xué)性能的研究熱點(diǎn)主要側(cè)重于模擬空間環(huán)境下各種工況因素對(duì)柔性軸承的影響，如大溫差、高真空、高承載下考察不同的潤(rùn)滑狀態(tài)及潤(rùn)滑劑對(duì)柔性軸承摩擦學(xué)性能的影響。

柔性軸承的疲勞壽命試驗(yàn)方面，至今未有較好解決方案，圖7的試驗(yàn)裝置雖然為廣大研究人員提供了一種新的研究思路，但與柔性軸承的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)不符，試驗(yàn)獲取的軸承失效部位也會(huì)與實(shí)際情況有所偏差。

3.2 試驗(yàn)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

由于柔性軸承受力及運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，僅針對(duì)柔性軸承單一元件進(jìn)行性能研究的試驗(yàn)機(jī)較少，研究人員對(duì)柔性軸承動(dòng)態(tài)性能和受力的分析多基于諧波減速器進(jìn)行研究。而諧波減速器本身存在多種失效模式，如柔輪磨損、剛輪輪齒破壞等(圖8)，當(dāng)采用整機(jī)模型對(duì)柔性軸承單一元件進(jìn)行性能研究時(shí)，減速器其他部件若先于柔性軸承發(fā)生破壞，將大大增加柔性軸承繼續(xù)試驗(yàn)的難度和成本。以柔性軸承為單一試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行研究能夠增加試驗(yàn)的可控性和操作性，應(yīng)成為將來(lái)試驗(yàn)研究的發(fā)展方向。

圖8 諧波減速器不同元件的磨損情況Fig.8 Wear condition of different components in harmonic reducer

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)化水平的不斷提升，諧波減速器將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，柔性軸承作為諧波減速器的重要零部件，研制一種對(duì)柔性軸承單一器件進(jìn)行性能研究的試驗(yàn)機(jī)變得越來(lái)越迫切。在未來(lái)可期的時(shí)間內(nèi)，這種新型柔性軸承試驗(yàn)機(jī)應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)要求：1)柔性軸承在試驗(yàn)過(guò)程中始終處于變形狀態(tài)；2)試驗(yàn)?zāi)軌蚰M實(shí)際工況，實(shí)現(xiàn)軸承內(nèi)、外圈不同轉(zhuǎn)速比、不同方向下的旋轉(zhuǎn)；3)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，施加在柔性軸承上的載荷值固定，并始終位于波發(fā)生器長(zhǎng)軸兩端；4)能夠模擬柔性軸承外圈的運(yùn)行狀態(tài)及磨損情況；5)能夠?qū)σ欢ǔ叽绶秶鷥?nèi)的柔性軸承進(jìn)行試驗(yàn)。