柔性軸承動性能試驗技術的研究及展望

馮戴一楠，陳曉陽，趙聯春，張濤，王朋

(上海大學 機電工程及自動化學院，上海 200072)

1 柔性軸承試驗技術的研究背景

1.1 柔性軸承的應用

諧波減速器自發明起至今已50余年，憑借高傳動比、高傳動精度、高傳動平穩性等特點，廣泛應用于生活及工業生產中的各個領域，小到印刷機中的張緊裝置，大到航天工業中的空間機械臂、衛星恒速裝置和火星車等[1-5],部分應用場景如圖1所示。

圖1 諧波減速器的應用Fig.1 Application of harmonic reducer

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

圖2 諧波減速器的結構Fig.2 Structure of harmonic reducer

1.2 柔性軸承的運行特點

一般情況下，軸承在徑向只承受單向載荷，其內外圈均視為剛體，而柔性軸承則承受徑向對稱載荷。運行時，柔性軸承的內圈受凸輪作用產生強制形變，在波發生器轉動時則不再產生周期性形變；外圈受球擠壓產生彈性形變，并在外載荷作用下隨著波發生器的轉動而產生周期性形變。柔性軸承的內外圈具有不同的轉速和相反的轉動方向，內圈的轉速與波發生器相同，外圈與柔輪之間存在較小的相對滑動[6]，但轉速仍可近似等于柔輪轉速。

整個運行過程中，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蝕現象，還存在由交變應力引起的彎曲疲勞現象。常見的柔性軸承破壞現象主要有：麻點、外圈磨損及保持架斷裂等。由于柔性軸承的受力及運行具有普通軸承不具備的特殊性，普通軸承的疲勞試驗機往往無法滿足柔性軸承的受載特點，從而無法模擬柔性軸承在實際工況下的運行。

2 柔性軸承性能試驗的發展

近年來，學者們利用有限元軟件對柔性軸承進行了一些分析[7-10]，探討了諸如內外圈結構參數、載荷、溫度等對軸承應力的影響，但關于柔性軸承性能試驗的研究較少。從試驗的對象看，柔性軸承的試驗研究主要分為以諧波減速器為對象和以柔性軸承單一元件為試驗對象，其中以諧波減速器為對象時，對柔性軸承的分析主要集中于摩擦性能、載荷測試及疲勞磨損等方面；從加載方式來看，主要分為液壓加載、慣性加載、磁粉制動器加載、發電機加載及陪侍加載輪式加載。

2.1 以諧波減速器為試驗對象

文獻[11]搭建了如圖3所示的試驗裝置，用于諧波傳動中柔性軸承的摩擦性能及柔輪剛度的分析。該試驗裝置與減速器構造類似，整體機構可分為波發生器、柔輪及剛輪，采用力臂配合載重塊的加載方式。試驗裝置的波發生器一側搭載有編碼器，柔輪一側則搭載有扭矩傳感器、旋轉變壓器等傳感器。試驗裝置垂直安放，輸入電動機安裝在固定桁架上，波發生器通過輸入電動機的驅動發生轉動，剛輪為固定件，柔輪為輸出件，在輸出側提供慣性負載并連接有輸出解析器。

圖3 諧波傳動試驗裝置Fig.3 Harmonic drive test device

文獻[12-13]采用的試驗裝置如圖4所示，試驗裝置以電動機為輸入，柔輪為輸出，對柔輪內壁與柔性軸承外圈之間的摩擦機理進行了比較系統的研究。該試驗裝置采用了平衡砝碼的加載方式(圖4b)，相較于圖3的試驗裝置，不僅負載的可調性大大提高，而且增強了動平衡，從而減小了傳動誤差，使試驗結果更加精確。另外，為模擬太空中減速器的運行環境，在試驗裝置的外側安裝了熱真空系統，并系統分析了真空環境與大氣環境、不同潤滑程度下柔性軸承外壁的摩擦性能。

圖4 試驗裝置Fig.4 Test device

為研究柔性軸承中鋼球的受力問題，在圖4裝置的基礎上，文獻[14]在波發生器位置處設計了一種檢測軸承力矩的裝置，用以了解諧波減速器運行過程中柔性軸承內部載荷的分布情況。該試驗分為2步進行：1)取出柔性軸承，裝入波發生器，固定波發生器并在軸承外圈上通過砝碼施加外力P，在鋼球上安裝力桿，當軸承受載荷作用產生力矩，彈簧秤便能顯示所得力Q，通過接觸桿的長度及偏轉角度即可得到靜態力矩M，從而建立鋼球受力P與其所受靜態力矩M之間的關系式，檢測原理如圖5所示；2)運行諧波減速器，利用上述方法求得柔性軸承中每個球的力矩，通過監測所得力矩便能反求得實際運行中柔性軸承內每個球的受力。

圖5 鋼球受力測量Fig.5 Force measurement for steel ball

國內學者搭建的的試驗裝置類似于圖4，文獻[15]研究了柔性軸承及柔輪等接觸副在低速、輕載、少潤滑等環境下對傳動效率的影響，發現柔性軸承內部接觸副之間的摩擦阻力將直接影響諧波減速器的傳動效率，而柔性軸承外圈與柔輪之間的摩擦磨損是直接導致諧波減速器失效的主導因素；文獻[16]以諧波減速器為研究對象，在環境真空度小于1.3×10-3Pa、溫度為20～25 ℃的真空罐中進行了5 000 h壽命試驗，對試驗后柔輪內壁與柔性軸承外壁接觸的區域進行觀察，發現磨損情況嚴重，且輸入轉速為3 r/min的磨損情況比輸入轉速為150 r/min時更為嚴重，確認了柔性軸承外圈的磨損與整個裝置傳動效率的減小有直接關系。

文獻[17]以諧波減速器為對象，設計了一種新的試驗平臺，如圖6所示。為了保持試驗機結構的簡潔可靠，同時使試驗機可在模擬空間環境的真空罐內使用，設計了一種新的載荷加載方式，通過電動機控制進行加載，從而擺脫了人工加載的方式。該試驗機可以測試柔性軸承的壽命和磨損性能，其工作過程為：主伺服電動機驅動諧波減速器運行，輔助伺服電動機則帶動連接在諧波減速器的扭桿彈簧轉動，從而對減速器形成負載效應。工作原理為：試驗機的2個伺服電動機通過一定的轉速差產生相互間的轉角差φ，為扭桿施加扭轉角度變形從而產生扭矩，實現對被測產品的加載。扭矩大小與變形量成正比，通過調整轉角差φ即可實現對加載扭矩的動態控制。

圖6 新型諧波傳動平臺示意圖Fig.6 Diagram of new harmonic drive platform

2.2 以單一柔性軸承為試驗對象

文獻[18]設計了一種專用于柔性軸承的疲勞試驗機，如圖7所示，其擺脫了基于諧波減速器進行試驗臺設計的理念。該試驗機的運行過程為：將待測柔性軸承安裝在波發生器上，固定波發生器使其不產生轉動，平帶對稱張緊在波發生器長軸的兩端；通過控制電動機驅動平帶轉動，依靠平帶與外圈之間的摩擦力帶動柔性軸承外圈轉動。其加載方式為：通過控制張緊輪的張緊程度實現平帶對柔性軸承的壓緊，從而實現柔性軸承受載運行。

圖7 柔性軸承壽命試驗機Fig.7 Life tester of flexible bearing

該試驗機的優點明確：以柔性軸承為單一試驗元件，模擬并實現了柔性軸承運行中長軸位置處徑向對稱受載的特點。但其缺陷也比較明顯：1)只能模擬波發生器固定、外圈轉動的工況，而實際運行中柔性軸承的內、外圈均發生轉動，且速度不同、方向相反；2)試驗機的加載無法達到實際軸承的承載水平；3)缺少軸承與柔輪間的相互作用。

3 總結與展望

3.1 性能分析熱點

現階段，對柔性軸承的試驗研究集中于載荷的測量分析、摩擦學性能及疲勞壽命研究這3個方面。

載荷的測量分析方面，主要測量2個狀態下柔性軸承的受力狀況:1)裝入凸輪時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施加載荷時柔性軸承的受力大小及分布。

摩擦學性能的研究熱點主要側重于模擬空間環境下各種工況因素對柔性軸承的影響，如大溫差、高真空、高承載下考察不同的潤滑狀態及潤滑劑對柔性軸承摩擦學性能的影響。

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

3.2 試驗機發展趨勢

由于柔性軸承受力及運動的特點，僅針對柔性軸承單一元件進行性能研究的試驗機較少，研究人員對柔性軸承動態性能和受力的分析多基于諧波減速器進行研究。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)，當采用整機模型對柔性軸承單一元件進行性能研究時，減速器其他部件若先于柔性軸承發生破壞，將大大增加柔性軸承繼續試驗的難度和成本。以柔性軸承為單一試驗對象進行研究能夠增加試驗的可控性和操作性，應成為將來試驗研究的發展方向。

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 結束語

隨著國內工業化水平的不斷提升，諧波減速器將發揮越來越重要的作用，柔性軸承作為諧波減速器的重要零部件，研制一種對柔性軸承單一器件進行性能研究的試驗機變得越來越迫切。在未來可期的時間內，這種新型柔性軸承試驗機應該滿足以下幾點要求：1)柔性軸承在試驗過程中始終處于變形狀態；2)試驗能夠模擬實際工況，實現軸承內、外圈不同轉速比、不同方向下的旋轉；3)轉動過程中，施加在柔性軸承上的載荷值固定，并始終位于波發生器長軸兩端；4)能夠模擬柔性軸承外圈的運行狀態及磨損情況；5)能夠對一定尺寸范圍內的柔性軸承進行試驗。