601EF脂潤(rùn)滑諧波減速器熱真空傳動(dòng)性能試驗(yàn)研究

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?yàn)榫哂袀鲃?dòng)比大、精度高、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)平穩(wěn)、重量輕等特點(diǎn)在航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、天線(xiàn)指向機(jī)構(gòu)、各種有效載荷掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、行星巡視探測(cè)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和空間機(jī)器人等大都采用諧波減速器作為傳動(dòng)方式[1-2]。

諧波減速器利用柔輪的彈性變形來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，剛輪與柔輪間配合屬于無(wú)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(duì)偶間大多情況下處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，對(duì)偶間潤(rùn)滑一般采用脂潤(rùn)滑和固體潤(rùn)滑方式。與潤(rùn)滑脂相比，固體潤(rùn)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(diǎn)，同時(shí)由于固體潤(rùn)滑劑的自修復(fù)性能差而影響其潤(rùn)滑壽命，因此在長(zhǎng)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(dòng)性能是確保為空間飛行器提供高性能傳動(dòng)的關(guān)鍵。美國(guó) Castrol公司生產(chǎn)的 601EF潤(rùn)滑脂是一種白色半透明的全氟聚醚潤(rùn)滑脂，適用溫度范圍可達(dá)-80～204 ℃，其優(yōu)點(diǎn)是極壓性好、抗輻射性強(qiáng)和化學(xué)惰性好等，缺點(diǎn)是抗磨性差。601EF脂廣泛應(yīng)用于航天飛機(jī)、衛(wèi)星等航天器上傳動(dòng)零部件的潤(rùn)滑，典型的應(yīng)用包括球軸承、滾子軸承、齒輪等[4]。本文對(duì)采用601EF滑后的諧波減速器在熱真空條件下進(jìn)行了試驗(yàn)研究，考察了其在不同環(huán)境下的傳動(dòng)性能。

1 熱真空試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)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(hào)諧波減速器作為試驗(yàn)對(duì)象，它們的減速比分別為80和160。圖1為諧波減速器的三個(gè)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(dòng)，波發(fā)生器作為傳動(dòng)輸入件，柔輪作為傳動(dòng)輸出件。諧波減速器的傳動(dòng)潤(rùn)滑采用601EF潤(rùn)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(shí)地模擬空間工作狀態(tài)，試驗(yàn)在真空室中進(jìn)行。試驗(yàn)裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、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(dòng)器、控溫點(diǎn)、測(cè)溫點(diǎn)和扭轉(zhuǎn)傳感器等組成，如圖2所示[5]。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test device

1.2 潤(rùn)滑處理及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)前需要對(duì)諧波減速器的傳動(dòng)零部件進(jìn)行潤(rùn)滑處理，過(guò)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(rùn)滑脂；

2）將諧波減速器固定在工裝上進(jìn)行正反兩個(gè)方向上的跑合，每個(gè)方向跑合100圈，以確保潤(rùn)滑脂均勻擴(kuò)散到剛輪、柔輪齒面等各個(gè)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(rùn)滑脂擦拭干凈；

4）最后要控制潤(rùn)滑脂的涂敷厚度，約為0.1～0.2 mm，可通過(guò)測(cè)量涂敷潤(rùn)滑脂前后重量差的方式來(lái)確定潤(rùn)滑脂的厚度。

試驗(yàn)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(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)條件Table 1 Test conditions

式中：v為運(yùn)動(dòng)粘度，mm2/s；T為潤(rùn)滑油所處的絕對(duì)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(rùn)滑性能和潤(rùn)滑效果的好壞。溫升較小，說(shuō)明潤(rùn)滑脂性能良好，潤(rùn)滑效果較好，使得兩傳動(dòng)部件之間的摩擦較小，產(chǎn)生的熱量較小。試驗(yàn)過(guò)程中須對(duì)諧波減速器的溫升情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖2中的測(cè)溫點(diǎn)和控溫點(diǎn)之間的溫度差值就是溫升。

除了測(cè)量溫升之外，還進(jìn)行了輸入扭矩和潤(rùn)滑脂成分的測(cè)量分析。通過(guò)試驗(yàn)裝置中的扭矩傳感器對(duì)系統(tǒng)的輸入扭矩進(jìn)行測(cè)量，從試驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)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(rùn)滑脂粘度的影響，而潤(rùn)滑脂的粘度主要由基礎(chǔ)油的粘度決定。試驗(yàn)前后采用紅外光譜和等離子發(fā)射光譜檢測(cè)潤(rùn)滑脂的元素種類(lèi)和主要元素的含量，分析潤(rùn)滑脂在試驗(yàn)過(guò)程中的變化情況。

1.3 試驗(yàn)測(cè)量

溫度是影響潤(rùn)滑性能的重要參數(shù)。根據(jù)美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)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(yàn)結(jié)果及分析

2.1 傳動(dòng)效率分析

諧波減速器的傳動(dòng)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(guò)式(2)可以計(jì)算得到諧波減速器的傳動(dòng)效率。圖3、圖4分別為兩種諧波減速器的傳動(dòng)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(dòng)效率長(zhǎng)時(shí)間在熱真空情況下是否會(huì)發(fā)生明顯變化。由圖可以看出兩種諧波減速器的傳動(dòng)效率在50%～75%之間變化。傳動(dòng)效率隨著溫度變化關(guān)系為：總體來(lái)看，溫度越低，傳動(dòng)效率也隨之降低；當(dāng)溫度高于20 ℃時(shí)，隨著溫度升高，效率-溫度曲線(xiàn)的斜率變小，這是因?yàn)闈?rùn)滑脂的粘度在20 ℃以上變化很緩慢；而在低于 20 ℃時(shí)，效率-溫度曲線(xiàn)的斜率較大，其原因是隨著溫度的降低，潤(rùn)滑脂流動(dòng)性和飽和蒸氣壓降低，粘度快速增加，因此潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑性能降低，這種情況在距離潤(rùn)滑脂的傾點(diǎn)越近的情況下變化越明顯（傾點(diǎn)是指油品在規(guī)定的條件下，被冷卻的試樣能夠流動(dòng)的最低溫度，用來(lái)衡量潤(rùn)滑脂低溫流動(dòng)性）。對(duì)比兩種諧波減速器的傳動(dòng)效率，發(fā)現(xiàn)XBS-80-160的傳動(dòng)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(shí)，潤(rùn)滑膜的形成主要取決于潤(rùn)滑脂的粘度；而在較高負(fù)載情況下，潤(rùn)滑性能還與潤(rùn)滑脂的相對(duì)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(huì)在一定程度上影響諧波減速器的傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)，溫升幅度很小，潤(rùn)滑脂處于良好的工作狀態(tài)，因此傳動(dòng)效率較高；在低溫階段，由于潤(rùn)滑脂的粘度增加而導(dǎo)致傳動(dòng)效率降低，更多的能量以摩擦熱的方式損失掉[9-10]。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，在低溫環(huán)境中，溫升最高達(dá)到7 ℃。在溫升不會(huì)對(duì)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(rùn)滑脂粘度，從而可有效改善低溫下的傳動(dòng)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(rùn)滑脂分析

2.3.1 形貌分析

試驗(yàn)后拆下 2種諧波減速器的零件，并進(jìn)行了觀測(cè)：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(méi)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(rùn)滑脂擠壓出摩擦面所致。對(duì)清洗后的部件進(jìn)行了觀測(cè)：2種諧波減速器摩擦表面均未見(jiàn)到明顯磨損和污染，試驗(yàn)前后剛輪表面沒(méi)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(yàn)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(duì) 2種諧波減速器中試驗(yàn)前后的潤(rùn)滑脂都進(jìn)行了紅外光譜分析，結(jié)果顯示2種諧波減速器上潤(rùn)滑脂樣品的化學(xué)成分均未見(jiàn)明顯變化，表明潤(rùn)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(duì) 601EF潤(rùn)滑脂試驗(yàn)前后的元素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：試驗(yàn)后潤(rùn)滑脂的Fe元素含量都有一定的增加，這主要是由于在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)諧波減速器摩擦表面的少量磨損所致；沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他金屬元素含量有明顯變化，說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)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(rùn)滑性能下降與潤(rùn)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(rùn)滑脂潤(rùn)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(dòng)力矩和負(fù)荷較大，因此需要控制潤(rùn)滑脂填充量，過(guò)量的潤(rùn)滑脂會(huì)形成干涸脂塊而加劇溫升，從而加大對(duì)諧波減速器運(yùn)轉(zhuǎn)的阻滯作用。

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