601EF脂潤滑諧波減速器熱真空傳動性能試驗研究

李曉輝，劉繼奎，王 術

（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、重量輕等特點在航天領域得到廣泛應用。太陽翼驅動機構、天線指向機構、各種有效載荷掃描驅動機構、行星巡視探測器驅動機構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隙擠壓式配合方式。由于空間用諧波減速器多為低轉速工作狀態，因此摩擦對偶間大多情況下處于邊界潤滑狀態，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較大、熱傳導性能差和易產生磨屑等缺點，同時由于固體潤滑劑的自修復性能差而影響其潤滑壽命，因此在長壽命、高可靠空間任務應用上受到一定的局限[3]。工作在空間環境中的諧波減速器將遭受高真空、冷熱交變等環境的影響，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鍵。美國 Castrol公司生產的 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-80～204 ℃，其優點是極壓性好、抗輻射性強和化學惰性好等，缺點是抗磨性差。601EF脂廣泛應用于航天飛機、衛星等航天器上傳動零部件的潤滑，典型的應用包括球軸承、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鍵組件：柔輪、剛輪和波發生器。其中柔輪為杯形結構，波發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，試驗在真空室中進行。試驗裝置由驅動電機、磁流體密封轉軸、聯軸器、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、柔性軸承內外套圈溝道及擋邊表面、柔性軸承外圈與柔輪內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。

試驗的環境條件選取高軌道空間環境條件，力學條件按兩種諧波減速器的典型應用情況選取，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。

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的輸入扭矩進行測量，從試驗現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油的粘度決定。試驗前后采用紅外光譜和等離子發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。根據美國材料試驗學會的ASTM D 341等標準，液體石油產品粘度-溫度關系都采用Walther公式，其表達式為[6-7]

2 試驗結果及分析

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、輸出轉速和輸出端摩擦力矩；Ti、ωi和Tri分別為輸入力矩、輸入轉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境溫度的變化情況，其中采用多次循環的目的是考察傳動效率長時間在熱真空情況下是否會發生明顯變化。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系為：總體來看，溫度越低，傳動效率也隨之降低；當溫度高于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，發現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載較大、轉速較高所致。在較低負載時，潤滑膜的形成主要取決于潤滑脂的粘度；而在較高負載情況下，潤滑性能還與潤滑脂的相對速度、抗磨性和極壓性有關[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境溫度的關系：在高溫時，溫升幅度很小，潤滑脂處于良好的工作狀態，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]。從試驗數據來看，在低溫環境中，溫升最高達到7 ℃。在溫升不會對諧波減速器結構產生傷害的情況下，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的負載較大和轉速較高，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，結果顯示2種諧波減速器上潤滑脂樣品的化學成分均未見明顯變化，表明潤滑脂在熱真空環境中穩定性良好。

采用等離子發射光譜對 601EF潤滑脂試驗前后的元素進行了分析，結果表明：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諧波減速器摩擦表面的少量磨損所致；沒有發現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。

2）在高負荷、較高轉速的情況下，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快速下降。

3）由于諧波減速器傳動力矩和負荷較大，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的阻滯作用。

（References）

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