用于諧波減速器性能試驗的空間真空高低溫環(huán)境模擬試驗裝置

米雄偉，周廣武，周青華

（四川大學(xué) 空天科學(xué)與工程學(xué)院，成都610065）

0 引言

諧波減速器是通過中間撓性構(gòu)件的彈性變形來傳遞運動和力的傳動裝置。由于其具有精度高、噪聲低、重量輕、速比大等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于空間環(huán)境下的空間機器人、衛(wèi)星和月球車等高端裝備[1-4]。實踐表明，空間傳動系統(tǒng)的故障大多是來自于軸承、減速器等關(guān)鍵零部件[5]。因此，為了掌握諧波減速器在空間環(huán)境下的服役性能，研制諧波減速器空間環(huán)境模擬試驗裝置顯得十分必要。

諧波減速器空間環(huán)境模擬試驗裝置主要是用于檢驗諧波減速器在真空及高低溫等極端環(huán)境中能否滿足規(guī)定的傳動性能要求及使用壽命而進行的地面試驗，以保證空間飛行器的成功發(fā)射及在軌安全可靠運行[6-8]。美、日、德等國家對諧波減速器的空間環(huán)境試驗和評價研究起步較早，從試驗臺的方案設(shè)計到最終的樣品制造都進行了大量研究，并已形成系列化的設(shè)計模式[9]。與國外相比，國內(nèi)對諧波減速器試驗臺的研究起步較晚[10-11]。孫曉軍等[12]根據(jù)諧波減速器在空間傳動中的工況條件，研制出真空環(huán)境模擬試驗裝置，并對諧波減速器在真空環(huán)境下的運行性能進行了測試。孫京等[13]對固體潤滑的諧波減速器在優(yōu)于1×10-3Pa 的真空環(huán)境中進行了傳動效率和工作負載、工作溫度關(guān)系研究，并開展了1000 h 真空壽命試驗。

航天器運動部件對不同任務(wù)的速度和力矩要求多樣，在軌運行壽命要求也越來越長，對諧波減速器空間環(huán)境模擬試驗裝置的性能及測試要求也日益提高。然而，目前我國研制的諧波減速器空間環(huán)境模擬試驗裝置與國外同類產(chǎn)品相比整體性能差距較大，無法滿足諧波減速器技術(shù)的發(fā)展需求[14]。

本文著眼于更好地實現(xiàn)空間環(huán)境下的諧波減速器的服役性能測試，設(shè)計真空高低溫環(huán)境條件下的諧波減速器試驗裝置，并針對現(xiàn)有諧波減速器空間環(huán)境模擬試驗技術(shù)中系統(tǒng)安裝誤差大、磁流體附加摩擦力矩波動等問題，提出將整個諧波減速器測試臺架置入空間環(huán)境模擬試驗艙內(nèi)的方案，以及相關(guān)的驅(qū)動、加載和測試單元的溫控技術(shù)，并進行典型性能的測試試驗驗證。

1 總體方案和技術(shù)指標

1.1 總體方案

諧波減速器空間環(huán)境模擬試驗裝置的設(shè)計思路如圖1所示。試驗臺架在真空室外部完成裝配，由與真空室內(nèi)部軌道高度一致的支撐小車將載有試驗件的試驗臺架送入真空室內(nèi)，位置確定后對試驗臺架進行固定；試驗參數(shù)由試驗臺架及真空容器內(nèi)部的傳感器測得。根據(jù)空間環(huán)境的溫度范圍，對試驗臺架的核心元器件進行選型，優(yōu)先選擇溫度適應(yīng)范圍寬的規(guī)格型號，并對試驗臺架元器件進行溫度控制保護和監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，同時控制被測試件諧波減速器本體溫度。該試驗裝置主要用于研究諧波減速器在空間模擬環(huán)境下的傳動效率、傳動誤差、回差、扭轉(zhuǎn)剛度、空載啟動轉(zhuǎn)矩、振動加速度、噪聲等綜合性能。其中振動加速度和噪聲試驗還需要附加的振動噪聲測試儀配合完成。

圖1 諧波減速器空間環(huán)境模擬試驗裝置Fig.1 The space environment simulation facility for harmonic reducer

1.2 技術(shù)指標

諧波減速器空間環(huán)境模擬試驗裝置應(yīng)滿足如下要求：

1）真空室尺寸：?1200 mm×1600 mm；

2）罐體熱沉溫度范圍：-70～150℃；

3）極限真空度優(yōu)于5×10-4Pa，工作真空度優(yōu)于1.3×10-3Pa；

4）測試臺架相鄰零部件間同軸度小于0.04 mm。

2 空間環(huán)境模擬試驗裝置研制

2.1 總體設(shè)計

目前，諧波減速器空間環(huán)境模試驗系統(tǒng)主要利用磁流體密封技術(shù)通過穿艙來實現(xiàn)減速器的驅(qū)動和加載，但是磁流體密封不可避免地會帶來附加摩擦力矩，且試驗軸系較長，安裝誤差較大[8]。因此，本文將諧波減速器測試臺架整體置于空間環(huán)境模擬試驗艙內(nèi)，不必穿艙，不需要使用磁流體密封軸，使整個試驗軸系縮短，能夠避免磁流體密封軸引起的附加摩擦力矩，同時減小試驗裝置系統(tǒng)的累積誤差。如圖2 所示，諧波減速器試驗臺架包括驅(qū)動電機、輸入端扭矩儀、輸入端角度編碼器、被測試諧波減速器、輸出端角度編碼器、輸出端扭矩儀、加載力矩電機等。為了準確測試諧波減速器的傳動誤差和回差等技術(shù)指標，在諧波減速器輸入/輸出端與編碼器的連接采用剛性聯(lián)軸器，以減少扭矩角的測試誤差；同時，為便于軸與軸的安裝對中，選用脹緊套作為剛性聯(lián)軸器，實際安裝過程中相鄰軸的同軸度最大值為0.027mm（小于0.04 mm）。其他部件的連接選用彈性聯(lián)軸器（如波紋管聯(lián)軸器），用于降低轉(zhuǎn)速的波動，克服安裝不對中帶來的不平衡力矩。

圖2 諧波減速器空間環(huán)境模擬試驗裝置組成Fig.2 Diagram of the space environment simulation facility for testing the harmonic reducer

諧波減速器空間環(huán)境模擬試驗裝置的運行方案設(shè)計如下：

1）在進行諧波減速器低溫試驗時，啟動熱真空環(huán)境試驗箱的制冷系統(tǒng)降溫，同時打開元器件溫控系統(tǒng)，保證元器件在工作溫度范圍內(nèi)。各連接部位采用隔熱片進行連接，以使諧波減速器處于低溫狀態(tài)，而整個測試系統(tǒng)處于正常工作溫度范圍內(nèi)，并完成測試任務(wù)。

2）在進行諧波減速器高溫試驗時，打開諧波減速器加熱系統(tǒng)，使減速器處于預(yù)定的環(huán)境溫度；同時，為避免諧波減速器試驗臺架元器件在真空環(huán)境下長時間工作而溫度逐漸升高，啟動熱真空環(huán)境試驗箱制冷系統(tǒng)使試驗臺架元器件處于冷黑環(huán)境下，從而可通過輻射散熱使元器件工作溫度穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)。

2.2 溫控系統(tǒng)方案設(shè)計

驅(qū)動、加載及測試元器件對工作溫度要求極高，故溫控系統(tǒng)的設(shè)計極為關(guān)鍵。首先根據(jù)試驗裝置熱沉溫度范圍（-70～150℃），對試驗臺架的核心元器件（如驅(qū)動電機、力矩加載電機、扭矩儀、角度編碼器等）進行選型，優(yōu)先選擇溫度適應(yīng)范圍寬的元器件。然后，設(shè)計試驗臺架元器件溫控保護系統(tǒng)，在各核心元器件外殼粘貼柔性加熱片、安裝溫度傳感器（PT100），對元器件表面溫度進行監(jiān)控；在諧波減速器支架或表面粘貼加熱片對諧波減速器進行加熱。各元器件柔性加熱片功率如表1所示。

表1 各元器件柔性加熱片功率Table 1 Heating power input to each flexible heating element forvarious parts

圖3給出了熱沉溫度-70℃、被測減速器溫度-20℃時，各元器件的溫控情況。由圖可知，各元器件均工作在正常溫度范圍內(nèi)，且實際溫度控制在設(shè)定的溫度。

圖3 各元器件溫控示例（熱沉溫度-70℃、被測減速器溫度-20℃）Fig.3 Example of temperature control of each component(temperature conditions:the heat sink,-70℃;the tested reducer,-20℃)

在諧波減速器高溫環(huán)境試驗時，只需將被測試減速器及支座的膜片加熱片設(shè)置為試驗溫度（如60℃），其系統(tǒng)熱沉溫度仍然設(shè)定為-70℃，元器件的保護溫度為20℃。

2.3 加載及測試原理

諧波減速器空間環(huán)境模擬試驗裝置測試原理如圖4所示。首先通過計算機測試與控制系統(tǒng)，控制真空系統(tǒng)、加熱/制冷系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、減速器加熱系統(tǒng)等，使被測試件處于預(yù)定的空間環(huán)境中，而試驗臺架其他元器件處于正常工作溫度范圍內(nèi)；然后通過運動控制卡和伺服驅(qū)動器，控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和加載力矩電機加載載荷；同時通過A/D采集卡記錄輸入軸、輸出軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信息，通過角度編碼器計數(shù)卡，記錄輸入軸、輸出軸轉(zhuǎn)角信息。

圖4 諧波減速器空間環(huán)境模擬試驗裝置測試原理Fig.4 Principle for testing the harmonic reducer with the space environmental simulation facility

3 測試試驗驗證

3.1 空罐真空高低溫測試試驗

先在試驗平臺上進行空罐的真空和高低溫測試試驗。空罐真空測試試驗技術(shù)要求為極限真空度優(yōu)于5×10-4Pa（空載，2 h 內(nèi)）；實際測得從大氣抽到5×10-4Pa 用時67m in，滿足指標要求?？展薷叩蜏販y試試驗技術(shù)要求為空罐溫度范圍-70～150℃，熱沉升溫速率≥2℃/m in、降溫速率≥1℃/m in、表面溫度均勻性優(yōu)于±2℃。實際測得熱沉從150℃降溫到-70℃用時150m in，平均速率1.47℃/m in；從-70℃升溫到150℃用時80 min，平均速率2.75℃/min；熱沉達到熱平衡后表面溫度均勻性優(yōu)于±2℃：以上均滿足指標要求。

3.2 諧波減速器性能測試試驗

將某型諧波減速器置于所研制的空間環(huán)境模擬試驗裝置中，開展真空高低溫環(huán)境下的諧波減速器傳動效率、傳動誤差和回差測試，測試方法參照GB/T 35089—2018[15]。為了驗證試驗裝置的性能，選取2種典型工況開展測試，工況1為：減速器表面溫度-20℃，真空度優(yōu)于0.001 Pa，額定轉(zhuǎn)矩67 N·m，轉(zhuǎn)速50 r/m in；工況2為：減速器表面溫度60℃，真空度優(yōu)于0.001Pa，額定轉(zhuǎn)矩67 N·m，轉(zhuǎn)速50 r/min。試驗中2種工況對應(yīng)的環(huán)境溫度和真空度曲線如圖5所示。

圖5 諧波減速器性能測試試驗工況溫度和真空度曲線Fig.5 Temperature and vacuum curves of the harmonic reducer during performance test

諧波減速器傳動效率、傳動誤差和回差測試在減速器運轉(zhuǎn)正常后取數(shù)據(jù)，145 s為1個運動周期。

1）傳動效率

在空間環(huán)境模擬試驗裝置內(nèi)某型諧波減速器2種工況下的傳動效率曲線如圖6所示：工況1的平均傳動效率為56.68%；工況2的平均傳動效率為63.04%?？梢?，溫度對諧波減速器的傳動效率有較大影響，60℃時的傳動效率明顯高于-20℃時的傳動效率。

2）傳動誤差

在空間環(huán)境模擬試驗裝置內(nèi)某型諧波減速器2種工況下的傳動誤差曲線如圖7所示：工況1的平均傳動誤差為1.23′；工況2的平均傳動誤差為0.92′?？梢钥吹?，諧波減速器的傳動誤差均在±2′以內(nèi)，但在低溫下，由于零件的熱脹冷縮變形，齒輪的齒側(cè)間隙增大，使得傳動誤差略大。

圖6 諧波減速器傳動效率曲線Fig.6 Transmission efficiency of theharmonic reducer

圖7 諧波減速器傳動誤差曲線Fig.7 Transmission error of the harmonic reducer

3）回差

在空間環(huán)境模擬試驗裝置內(nèi)某型諧波減速器2種工況下的滯回曲線如圖8所示：工況1的總回差為4.12′；工況2的總回差為4.53′。究其原因，可能是隨著溫度升高，材料的彈性模量降低，從而引起較大的彈性回差，導(dǎo)致總回差增大。

圖8 諧波減速器滯回曲線Fig.8 The hysteresis curve of harmonic reducer

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有諧波減速器空間環(huán)境模擬試驗技術(shù)中傳動鏈長、系統(tǒng)累積誤差大等問題，提出將諧波減速器試驗臺架整體置入真空高低溫試驗艙內(nèi)，設(shè)計了一套艙內(nèi)驅(qū)動單元、加載單元、測試元器件高低溫保護和監(jiān)測系統(tǒng)，使其能承受一定的空間環(huán)境溫度，并且通過試驗驗證了所設(shè)計的諧波減速器空間環(huán)境模擬試驗裝置滿足技術(shù)要求，可為空間活動零部件試驗裝置研制提供參考。