月面環(huán)境下諧波減速器固液復(fù)合潤(rùn)滑壽命試驗(yàn)研究

鄭宗勇，張智芳，方蒙生，王長(zhǎng)亮，張崇峰，王治易

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109；2.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）

0 引言

諧波減速器具有傳動(dòng)比大、精度高、空程小、承載能力高、效率高、體積小、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)相對(duì)成熟，已廣泛應(yīng)用于空間航天器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、精密指向掃描機(jī)構(gòu)、空間機(jī)器人等機(jī)構(gòu)產(chǎn)品［1-3］。“玉兔號(hào)”月面巡視器作為我國(guó)首次地外天體表面探測(cè)的新型航天器，相對(duì)于以往的地球軌道航天器有很大不同，具有活動(dòng)機(jī)構(gòu)多、系統(tǒng)資源嚴(yán)苛等技術(shù)難點(diǎn)，月面巡視器上的活動(dòng)機(jī)構(gòu)必須重量輕、力矩大、運(yùn)動(dòng)精度高、能夠適應(yīng)月面惡劣環(huán)境［4-5］。因此，月面巡視器對(duì)諧波減速傳動(dòng)部件的要求非常高。

考慮到月面環(huán)境惡劣以及油脂在真空低溫下黏度增大會(huì)導(dǎo)致阻力矩變大，初樣階段諧波減速器選用CPL 型WS2固體潤(rùn)滑諧波減速器。為滿足在軌月面工作壽命要求，初樣階段對(duì)固體潤(rùn)滑諧波減速器開(kāi)展了壽命試驗(yàn)（3 個(gè)月壽命轉(zhuǎn)數(shù)≥17×104r）。但是，固體潤(rùn)滑諧波減速器在運(yùn)轉(zhuǎn)至2×104r 左右出現(xiàn)諧波減速器轉(zhuǎn)動(dòng)有雜音、電流不平穩(wěn)、驅(qū)動(dòng)力矩下降等異?，F(xiàn)象，諧波減速器失效，壽命不能滿足使用要求。該問(wèn)題將直接影響到巡視器各機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的壽命、設(shè)計(jì)狀態(tài)及型號(hào)研制進(jìn)度。因而，提高固體潤(rùn)滑諧波減速器的壽命是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)諧波減速器的失效機(jī)理和壽命影響因素進(jìn)行專門(mén)研究分析，開(kāi)展長(zhǎng)壽命、高可靠空間潤(rùn)滑技術(shù)的研究，并進(jìn)行月面環(huán)境適應(yīng)性分析，為確定月面巡視器各活動(dòng)機(jī)構(gòu)諧波減速器的潤(rùn)滑技術(shù)狀態(tài)提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)，也為后續(xù)其他航天器的潤(rùn)滑技術(shù)狀態(tài)提供了一條新的設(shè)計(jì)思路。

1 固體潤(rùn)滑諧波減速器試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的減速器進(jìn)行剛度測(cè)試和分解，發(fā)現(xiàn)波發(fā)生器柔性軸承外圈外表面以及柔輪齒面、剛輪齒面均有明顯的磨損，諧波減速器剛度下降，如圖1 和圖2 所示。由于輪齒工作面干涉磨損，產(chǎn)生的磨粒進(jìn)入柔性軸承滾道，柔輪和鋼輪嚙合齒面潤(rùn)滑膜嚴(yán)重破壞而導(dǎo)致柔性軸承運(yùn)動(dòng)阻力增加，諧波減速器傳動(dòng)效率由初期的62.5%明顯下降至30.0%。諧波減速器中齒輪面接觸區(qū)域的潤(rùn)滑狀態(tài)不良導(dǎo)致活動(dòng)零件材料產(chǎn)生磨粒磨損，致使諧波減速器的固體潤(rùn)滑膜遭受破壞，從而導(dǎo)致傳動(dòng)性能的逐漸衰退［6-7］。

圖1 壽命試驗(yàn)前后諧波減速器扭轉(zhuǎn)剛度曲線Fig.1 The torsional stiffness curve of harmonic reducer before and after life test

圖2 壽命試驗(yàn)后各部件外觀照片F(xiàn)ig.2 Appearance pictures of components after life test

經(jīng)對(duì)諧波減速器失效機(jī)理分析，潤(rùn)滑是影響機(jī)構(gòu)中諧波減速器在軌性能和轉(zhuǎn)動(dòng)壽命的關(guān)鍵因素。通過(guò)改進(jìn)其潤(rùn)滑方式來(lái)提高空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件工作可靠性和轉(zhuǎn)動(dòng)壽命的研究，具有重要的應(yīng)用價(jià)值［8-11］。

空間機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)的潤(rùn)滑方式主要有固體潤(rùn)滑和液體（油脂）潤(rùn)滑。固體潤(rùn)滑材料具有可承載大的載荷，有較寬的使用溫度范圍，可在高真空、低溫和強(qiáng)輻射等特殊空間環(huán)境條件下工作等優(yōu)點(diǎn)；液體潤(rùn)滑材料則存在真空易揮發(fā)、高溫易降解、爬移、需要密封等特點(diǎn)，液體潤(rùn)滑材料在承載能力和穩(wěn)定性方面與固體潤(rùn)滑材料相比較差。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者提出將固體潤(rùn)滑和液體潤(rùn)滑混合在一起使用。經(jīng)研究表明，某些固體油脂復(fù)合潤(rùn)滑體系相對(duì)于純固體潤(rùn)滑、純液體潤(rùn)滑會(huì)表現(xiàn)出更好的潤(rùn)滑穩(wěn)定性和耐磨壽命，該復(fù)合潤(rùn)滑體系有可能大幅提高運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑性能和耐磨損性能，延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)副的使用壽命［12-13］。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）曾報(bào)道的MoS2-TiC/PFPE 固體涂層/液體潤(rùn)滑劑復(fù)合潤(rùn)滑體系、黏結(jié)固體潤(rùn)滑涂層與潤(rùn)滑脂復(fù)合體系等具有良好的摩擦學(xué)性能，已在空間機(jī)構(gòu)上獲得了成功的應(yīng)用［14］。固液復(fù)合潤(rùn)滑方式作為一種新潤(rùn)滑方式在國(guó)內(nèi)尚缺乏系統(tǒng)性和深入的研究［15-16］。

2 固液復(fù)合潤(rùn)滑特性分析

固體潤(rùn)滑材料和液體潤(rùn)滑材料分類較多，但是，固液復(fù)合潤(rùn)滑體系并不是任意固體潤(rùn)滑材料和液體潤(rùn)滑材料的簡(jiǎn)單組合，需要考慮諸多因素，如協(xié)同效應(yīng)、相容性和浸潤(rùn)性、運(yùn)動(dòng)部件類型和使用工況等。

2.1 協(xié)同效應(yīng)

當(dāng)固體潤(rùn)滑材料和液體潤(rùn)滑材料產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)時(shí)，固液復(fù)合潤(rùn)滑體系的性能明顯優(yōu)于純固體潤(rùn)滑和純液體潤(rùn)滑，反之則潤(rùn)滑性能無(wú)明顯改善或下降。例如MoS2基薄膜和114 脂復(fù)合時(shí)，其摩擦系數(shù)雖得到改善，但耐磨壽命縮短，說(shuō)明MoS2基薄膜-114 脂不宜進(jìn)行復(fù)合；而MoS2基復(fù)合薄膜以及Ag基合金薄膜與CSF-250 潤(rùn)滑油復(fù)合潤(rùn)滑在特定工藝條件下出現(xiàn)了摩擦系數(shù)降低、耐磨壽命延長(zhǎng)的良好結(jié)果。

2.2 相容性和浸潤(rùn)性

固體潤(rùn)滑材料與液體潤(rùn)滑材料復(fù)合時(shí)，需考慮液體潤(rùn)滑劑是否對(duì)固體潤(rùn)滑材料的組分、結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)等造成影響。如兩者材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕，破壞固體潤(rùn)滑材料的表面狀態(tài)或者影響其與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度而導(dǎo)致潤(rùn)滑性能明顯下降等，則不能復(fù)合使用。因此，相容性差的固/液潤(rùn)滑材料不宜進(jìn)行復(fù)合。

即使是相容性好的固液潤(rùn)滑材料，其浸潤(rùn)性不好，即液體潤(rùn)滑劑無(wú)法在固體潤(rùn)滑材料表面展開(kāi)，無(wú)法形成油膜，將對(duì)復(fù)合使用后的潤(rùn)滑性能產(chǎn)生不利影響。

2.3 運(yùn)動(dòng)部件類型和傳動(dòng)工況

不同運(yùn)動(dòng)部件要求的潤(rùn)滑方式不同，如軸承一般采用固體潤(rùn)滑或油脂潤(rùn)滑，齒輪多采用脂膜或自潤(rùn)滑材料潤(rùn)滑。另外，潤(rùn)滑材料和潤(rùn)滑方式的選擇要充分結(jié)合運(yùn)動(dòng)部件的工況，如溫度、速度、載荷、真空度等。在高速輕載情況下，選用潤(rùn)滑油與固體潤(rùn)滑混合使用；而在低速重載情況下，可采用潤(rùn)滑脂與固體潤(rùn)滑進(jìn)行混合使用。對(duì)不同運(yùn)動(dòng)部件和工況，需考慮運(yùn)動(dòng)部件的特點(diǎn)，合理選擇潤(rùn)滑方式。

2.4 固液復(fù)合潤(rùn)滑的特點(diǎn)

從理論上分析，協(xié)同效應(yīng)、相容性、浸潤(rùn)性好的固液復(fù)合潤(rùn)滑體系可以明顯提高潤(rùn)滑性能，同時(shí)在耐空間環(huán)境性能、工作壽命、載荷承載等方面也可以獲得顯著改善，主要原因如下：

1）空間活動(dòng)部件在型號(hào)發(fā)射前都要經(jīng)歷貯存、地面環(huán)境試驗(yàn)等過(guò)程，要求所使用的潤(rùn)滑材料具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。MoS2、WS2等固體潤(rùn)滑材料與油脂進(jìn)行混合后，油脂在固體潤(rùn)滑膜表面產(chǎn)生一層油膜，可在一定程度上隔離固體潤(rùn)滑材料與水和氧氣，減緩固體潤(rùn)滑材料與水、氧氣等的化學(xué)反應(yīng)，改善其貯存性能并提高可靠性，起到保護(hù)作用。

2）固體與油脂復(fù)合潤(rùn)滑體系中的油脂潤(rùn)滑劑可降低摩擦，延長(zhǎng)空間活動(dòng)部件潤(rùn)滑的使用壽命。對(duì)于油脂潤(rùn)滑而言，其潤(rùn)滑效果主要受潤(rùn)滑劑量和運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度及載荷的影響，在摩擦過(guò)程中易產(chǎn)生熱量，使油脂潤(rùn)滑劑容易降解，增加適量的固體潤(rùn)滑薄膜可減少或阻止熱量的產(chǎn)生，避免油脂潤(rùn)滑劑的降解。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外的調(diào)研情況，通過(guò)改進(jìn)潤(rùn)滑方式采用適當(dāng)固體潤(rùn)滑和油脂潤(rùn)滑劑復(fù)合使用，有可能提高諧波減速器的潤(rùn)滑和抗磨損性能，從而提高諧波減速器使用壽命。因此，針對(duì)前面固體潤(rùn)滑諧波減速器的壽命不能滿足使用要求的問(wèn)題，在原WS2固體潤(rùn)滑諧波減速器上，涂覆宇航級(jí)601EF 油脂后的固液復(fù)合潤(rùn)滑諧波減速器，從理論上講，可以提高月面巡視器諧波減速器的工作壽命。

3 固液復(fù)合潤(rùn)滑月面環(huán)境適應(yīng)性分析

考慮到月面上低重力、高真空、高溫差等空間環(huán)境較為復(fù)雜，由于地面驗(yàn)證試驗(yàn)條件的局限性，需要對(duì)WS2+601EF 固液復(fù)合潤(rùn)滑進(jìn)行月面環(huán)境適應(yīng)性全面分析，開(kāi)展油脂的蒸發(fā)量測(cè)試和固液復(fù)合潤(rùn)滑配伍特性測(cè)試驗(yàn)證固液復(fù)合潤(rùn)滑的效果，測(cè)試過(guò)程及方法不在本文中闡述。

3.1 摩擦學(xué)性能測(cè)試

通過(guò)采用真空球盤(pán)摩擦試驗(yàn)，進(jìn)行WS2和WS2+601EF 兩種潤(rùn)滑方式的摩擦學(xué)性能比對(duì)。摩擦副材料選用9Cr18 鋼球，工作轉(zhuǎn)速1 000 r/min，載荷5 N，赫茲接觸應(yīng)力921.4 MPa，摩擦半徑12 mm，線速度約1.26 m/s，膜厚1 μm。

WS2固體潤(rùn)滑在干摩擦條件下的平均摩擦系數(shù)約0.1，干摩擦普遍壽命較短，約450 r，WS2+601EF混合潤(rùn)滑的摩擦系數(shù)范圍0.15～0.20，耐磨壽命1.46×105r，如圖3所示。“WS2+601EF”混 合潤(rùn)滑方式與純WS2固體潤(rùn)滑相比較，“WS2+601EF”混合潤(rùn)滑的摩擦系數(shù)略高于WS2固體潤(rùn)滑干摩擦的摩擦系數(shù)，但是能顯著增加摩擦副的耐磨壽命，說(shuō)明“WS2+601EF 油脂”組成的復(fù)合潤(rùn)滑體系具有良好的潤(rùn)滑性能。

圖3 真空下WS2和WS2+601EF 摩擦學(xué)性能對(duì)比Fig.3 Comparison of tribological properties of WS2 and WS2+601EF under vacuum

3.2 諧波減速器油脂蒸發(fā)損失量計(jì)算

諧波減速器的潤(rùn)滑脂蒸發(fā)計(jì)算量公式如下：

式中：MLn為溫度下潤(rùn)滑脂的蒸發(fā)損失量，g；Wn為潤(rùn)滑脂在該溫度下的蒸發(fā)速率，g/（cm2·s）；S為蒸發(fā)面積，cm2；t為蒸發(fā)時(shí)間，s。

1）首先在150 ℃、1.6×10?4Pa，進(jìn)行60 h 基線掃描測(cè)試，以去除天平在測(cè)試環(huán)境下的漂移。然后放入潤(rùn)滑脂，重新抽真空至1.6×10?4Pa，升溫至150 ℃，經(jīng)過(guò)10 h 出氣，然后開(kāi)始50 h 測(cè)試。通過(guò)計(jì)算平穩(wěn)階段的單位時(shí)間質(zhì)損，從而計(jì)算出蒸發(fā)速率。601EF 潤(rùn)滑脂在真空150 ℃溫度下的蒸發(fā)速率實(shí)測(cè)值為7.65×10?9g/（cm2·s）。

2）針對(duì)月面3 個(gè)月的測(cè)試周期，每個(gè)測(cè)試周期共有14 d 處于150 ℃高溫狀態(tài)下，另外一半時(shí)間處于低溫狀態(tài)，由于潤(rùn)滑脂的蒸發(fā)速率與溫度緊密相關(guān)。在150 ℃下的蒸發(fā)速率一般是20 ℃蒸發(fā)速率的上千倍，因此，低溫下的蒸發(fā)可忽略不計(jì)，僅計(jì)算高溫時(shí)間，即3×14×24×60×60=3 628 800 s。

3）潤(rùn)滑脂在實(shí)際使用工況中僅通過(guò)剛輪和柔輪傳動(dòng)副斷面的嚙合齒縫隙釋放出不可返回的分子，潤(rùn)滑脂蒸發(fā)面積是剛輪齒廓包含的截面積與柔輪齒廓包含的截面積之差的2 倍。最大的縫隙面積，即假設(shè)剛輪和柔輪輪齒全部磨平，是剛輪齒根包含的截面積與柔輪齒根包含的截面積之差的2 倍。

柔輪齒根圓直徑為Φ34.4 mm，剛輪齒根圓直徑為Φ35.8 mm，因此，潤(rùn)滑脂最大蒸發(fā)面積為

對(duì)于諧波減速器，在高真空環(huán)境中，150 ℃高溫下，工作42 d，601EF 潤(rùn)滑脂通過(guò)剛輪柔輪的揮發(fā)量為

因此，采用“WS2+601EF”混合潤(rùn)滑方式諧波減速器油脂在150 ℃高溫下蒸發(fā)量絕對(duì)值很小，諧波減速器的油脂涂覆量約為（1.9±0.1）g，蒸發(fā)量相對(duì)占比約為2.3%，不會(huì)對(duì)諧波減速器的潤(rùn)滑性能造成影響。

4 固液復(fù)合潤(rùn)滑諧波減速器壽命試驗(yàn)與月面驗(yàn)證

通過(guò)以上分析，表明“WS2+601EF”固液復(fù)合潤(rùn)滑體系可以滿足月面的環(huán)境使用要求，可以用于月面巡視探測(cè)器活動(dòng)機(jī)構(gòu)中。因此，在原諧波減速器狀態(tài)上開(kāi)展了固液復(fù)合潤(rùn)滑后的諧波減速器壽命試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 油脂涂覆要求

通過(guò)在原WS2固體潤(rùn)滑諧波減速器上涂覆宇航級(jí)適用空間環(huán)境應(yīng)用601EF 油脂后的潤(rùn)滑方案，即在諧波減速器剛輪齒面、柔輪齒面和柔輪與波發(fā)生器連接處等涂覆合適重量的601EF 油脂，柔性軸承內(nèi)增加合適重量的Z25油，涂覆狀態(tài)如圖4所示，涂覆的油脂重量需大于3.2節(jié)計(jì)算得出的油脂蒸發(fā)量。

圖4 柔輪油脂涂覆狀態(tài)Fig.4 Grease coating state of flexspline

在諧波減速器涂油脂過(guò)程中，每套諧波減速器部件涂覆量必須有相應(yīng)表格記錄；最終裝配前，應(yīng)及時(shí)檢查諧波潤(rùn)滑脂情況是否正常（應(yīng)無(wú)嚴(yán)重?fù)p失、污染、夾渣、變色等異?，F(xiàn)象），并及時(shí)清潔齒輪非工作面的多余物，保證后續(xù)裝配試驗(yàn)順利進(jìn)行。

4.2 壽命試驗(yàn)驗(yàn)證

在經(jīng)過(guò)油脂涂覆后，對(duì)固液復(fù)合潤(rùn)滑方式的諧波減速器開(kāi)展壽命試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)條件與前期試驗(yàn)條件一致，見(jiàn)表1。

表1 壽命試驗(yàn)條件Tab.1 Life test conditions

試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)視驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流情況和運(yùn)轉(zhuǎn)聲音，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程驅(qū)動(dòng)電流平穩(wěn)，無(wú)噪聲，諧波減速器共計(jì)運(yùn)行3.4×105r 測(cè)試，試驗(yàn)后的扭轉(zhuǎn)剛度和傳動(dòng)精度基本一致。壽命試驗(yàn)前后的諧波減速器扭轉(zhuǎn)剛度曲線和部件外觀照片，如圖5 和圖6 所示。試驗(yàn)后諧波減速器剛輪、柔輪的齒面和波發(fā)生器未見(jiàn)明顯磨損，通過(guò)了壽命試驗(yàn)的考核。

圖5 固液復(fù)合潤(rùn)滑諧波減速器試驗(yàn)前后諧波扭轉(zhuǎn)剛度曲線Fig.5 Torsional stiffness curve of solid-liquid composite lubrication harmonic reducer before and after test

圖6 固液復(fù)合潤(rùn)滑諧波減速器壽命試驗(yàn)后各部件外觀照片F(xiàn)ig.6 Appearance pictures of components of the solidliquid composite lubrication harmonic reducer after life test

在諧波減速器部件通過(guò)壽命試驗(yàn)后，將采用“WS2+601EF 油脂”固液復(fù)合潤(rùn)滑的新諧波減速器裝入機(jī)構(gòu)產(chǎn)品中，重新開(kāi)展機(jī)構(gòu)加載熱真空壽命試驗(yàn)，順利通過(guò)了熱真空壽命試驗(yàn)考核。

在確定諧波減速器潤(rùn)滑技術(shù)狀態(tài)后，將固液復(fù)合潤(rùn)滑的諧波減速器應(yīng)用在“玉兔號(hào)”和“玉兔二號(hào)”巡視器結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)上。截至目前，“玉兔二號(hào)”巡視器已在月面正常工作26 個(gè)月，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)原先壽命要求，通過(guò)了地面試驗(yàn)驗(yàn)證和月面在軌驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)固體潤(rùn)滑諧波減速器的失效機(jī)理和壽命影響因素進(jìn)行了分析，采用全新“WS2+601EF 油脂”等構(gòu)成復(fù)合潤(rùn)滑體系，能產(chǎn)生良好的協(xié)同效應(yīng)、相容性和浸潤(rùn)性，固體薄膜與油脂潤(rùn)滑劑起到了混合潤(rùn)滑的作用，使其潤(rùn)滑性能與純固體潤(rùn)滑相比獲得顯著改善，大大提高了機(jī)構(gòu)的可靠性，較好地解決了月面環(huán)境下諧波減速器壽命不足的問(wèn)題。本文的研究說(shuō)明“WS2+601EF 油脂”固液復(fù)合潤(rùn)滑體系，可以大大提高在高溫差、高真空環(huán)境下諧波減速器的壽命，為后續(xù)其他航天器機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)方面提供了一條新的設(shè)計(jì)思路。