空间用谐波减速器加速寿命试验方法研究

b 刚轮输出型
图1 谐波减速器组成
课题研究意义——谐波减速器优势
a. 减速比范围大，单级减速比可以达到30:1～320:1； b. 精度高，回差小，理论上可以实现零回差； c. 低噪声、低震动，高传动效率，平均传动效率可以达到80%～
90%；
d. 高承载力。齿啮合率30%以上； e. 质量轻，体积小。在空间飞行器应用上有较大优势。
拟采取的技术路线
开题 谐波减速器失 效模式分析 加速应力选择 确定加速寿命 试验模型 确定加速应力 载荷谱 效率下降 ≥20% 试验结束
谐波减速器润 滑、装配
真空下谐波减 速器测试装置 搭建
按制定载荷谱 进行真空加速 寿命试验
减速器精度、 效率测试
效率下降 <20%
最小二乘法确 定待定系数
外推正常应力 下寿命水平
b.柔轮内壁和柔性轴承外圈之间磨损导致谐波减速器效率降
低； c.刚轮-柔轮传动副磨损导致谐波减速器效率降低和精度下降。 谐波减速器的失效模式都是是相互运动的部件磨损导致的失 效。
2.加速应力选择
a．温度：由于谐波减速器传动副间采用脂润滑，温度的变 化会影响润滑剂的粘度，进而影响润滑状态，另外，还会影响润 滑剂的蠕动、蒸发、流失和蜕化，这些影响会导致谐波减速器的 失效模式发生改变，例如，温度高时，润滑脂粘度降低，润滑状 态会变好。因此，不选择温度作为加速应力； b．转速：与地面用谐波减速器不同，空间用谐波减速器传 动副间的润滑脂量很少，传动副之间长期处于边界润滑状态中， 如果寿命试验速度太高，会影响传动副间的润滑状态，进而影响 减速器失效模式。寿命试验转速选择范围不好确定，不作为加速 应力； c．负载：提高负载对谐波减速器寿命影响比较大，已经在 前期的试验中得到证实。拟选择负载作为加速应力； d．润滑脂添加量：减少润滑脂添加量，可以加速减速器磨 损，在国外文献报道中，将润滑脂添加量作为加速应力之一。但 文献中没有具体的添加量选取方法描述，工程中也没有这样的经 验，本课题中不选择润滑脂添加量作为加速应力。
工程硕士学位论文开题报告
论文题目：空间用谐波减速器加速寿命试 验方法研究
主要内容
课题意义及国内外研究现状综述
课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题 拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性分析
课题的创新性
计划进度、预期进展和预期成果
课题研究意义——谐波减速器简介
a 柔轮输出型
课题研究可行性分析
图7 某预研产品真空试验
课题研究可行性分析
图8 大气试验
课题研究可行性分析
图9 真空试验
课题研究可行性分析
图10
试验设备
主要内容
课题意义及国内外研究现状综述 课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题 拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性分析
课题的创新性
国内加速寿命试验现状
序号 1 航天产品 红外地平仪滚动 轴承 陀螺电机 寿命分布 —— —— 加速模型 —— Arrhenius 模型 试验方法和试验应力 60~300rpm，真空常 温下持续3.5个月 恒定应力；温度 变载荷谱，综合应 力(温度变化率和 驱动转速) 温度 高温，加速老化高 低温交变循环温度 1)提高环境温度， 恒温箱70℃，2)增 加电机负载， 恒 温箱30℃， 1.2 倍 额定负载 恒定-步进应力组 合，电压 1.5°/min~14°/mi n，真空常温下工 作5个月，测电流、 摩擦力矩等 试验数据评估结果 固体润滑状况良好，轴承几乎无 磨损 80℃的加速因子为21.2；获得正常 应力寿命 1692h。 ALT 得到的寿命最大值48h，加速 因子为568.3；正常应力下 的寿命 为 1.96a。 80℃时整机加速因子3.2；基本可 靠性水平MTBF 为 1050h。 高温 65℃， 贮存加速因子 18；使 用寿命15a 以上。 1）加速因子： 1.327，27， 1.57； 2）加速因子： 1.798， 9.96，1.235。 中位寿命：3.638×106h； 平均失效率：.2×10-6/h。 试验结束时，机构摆动次数相当 于在轨工作5年的次数，无失效。
——
——
国内外航天产品加速寿命试验特点
航天产品的加速寿命试验具有以下特点： 目前开展的加速寿命试验，主要是针对元器件级和材料级，针对 整机级、系统级的加速寿命试验研究较少； 加速寿命试验统计分析方法和优化设计方法很复杂，而工程研究 和可用的数据又不够，这些方法距离工程应用还有一定差距； 航天机构产品开展的加速寿命试验较少，一般都进行的是针对空 间具体应用工况的寿命试验（提高速度和缩短时间间隔），以满 足使用寿命为主，而产品最终的寿命缺乏关注； 航天机构产品的加速寿命试验模型建立和应力选择基本上时基于 以往的研究经验，缺乏理论依据。
目前国内外关于空间用机构产品的加速寿命试验一般都是通
过折算加速条件下产品的转数或工作次数来折算在轨工作寿命， 特别是谐波减速器，没有文献报道进行加速寿命试验，在这方面 是个尝试。
主要内容
课题意义及国内外研究现状综述 课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题
拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可 行性分析
计划进度、预期进展和预期成果
课题的创新性
目前针对空间用机构产品的加速寿命试验，国内外文献报道 较少。一般空间用机构产品从工程实际应用出发，都是按照1：1的 模式进行寿命试验，投入子样1~2台。但是随着型号和预研任务的 增长，产品研制周期越来越紧张，进行1：1试验不现实。本课题首 次将通用的加速寿命试验模式（失效分析 加速模型 加速寿命试
按前表所示的加速应力进行真空常温下的加速寿命试验，子 样数6，要求真空度优于1.3×10-3Pa。 在加速寿命试验过程中，定期对谐波减速器的效率和进度指 标进行测试（拟定100h测试一次），当效率指标降低20%时，则 认为减速器失效。
6.外推正常应力下谐波减速器寿命
加速寿命试验完成后，根据得到的试验数据，按式（2-4）推
结题
图6 本课题技术路线图
课题研究可行性分析
加速寿命试验可行性分析
一般加速寿命试验都遵循一条原则：在加速前后，产品的失效机 理不变。通过之前的失效模式分析可知，选择负载作为加速应力，空 间用谐波减速器失效机理不变，是可以进行加速寿命试验的。
谐波减速器试验及测试方法可行性分析
在之前的产品研制和预先研究过程中，进行了较多的谐波减速器 性能测试，测试方法比较成熟，课题内容可以完成。 加速寿命试验数据处理方法可行性分析 国内有很多 文献报道了加速寿命试验数据的统计分析，其中恒定 应力加速寿命试验的数据统计分析已经比较成熟，课题内容可以完成。
验 外推正常寿命）应用到空间用谐波减速器上，希望积累一定的 研究经验，为以后工作打下基础。
主要内容
课题意义及国内外研究现状综述 课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题 拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性分析
课题的创新性
计划进度、预期进展和预期成果
课题研究进度
2011.8—2011.10：查阅、收集与课题相关的国内外文献、资料， 整理、分析。 2011.9—2011.12：调查并研究国内高校、科研院所及大型企业类 似课题的研究情况，对研究方向进行初步的可行性论证。 2011.12—2012.1： 撰写开题报告，准备开题答辩。 2012.2—2012.3： 深入学习加速寿命试验理论和数据处理方法。 2012.4—2012.5： 确定加速寿命试验载荷谱，准备加速寿命试验 用工装和台架。 2012.6—2012.7： 谐波减速器润滑处理、装配，进行前期测试。 2012.7—2012.9： 谐波减速器加速寿命试验。 2012.9—2012.10： 整理试验数据，外推正常应力下谐波减速器工 作寿命。 2012.10—2012.12： 撰写毕业论文，准备答辩。
驱动 电机 力矩传感 器 减速器
力矩传感 器
负载
驱动控制 器
转矩 测试仪
转矩 测试仪
图4 减速器传动效率测试框图
拟采取的研究方法——精度测试方法
err
驱动 电机 角度传感 器
i
i
o
角度传感 器
减速器
负载
驱动控制 器
转矩 测试仪
转矩 测试仪
图5 减速器传动精度测试框图
拟采取的研究方法——加速寿命试验数据处理
恒定应力加速寿命试验数据处理方法较多，目前较常用的方法有 图估法、线性回归估计法、最小二乘法、极大似然估计法、线性无偏 估计法等，各有优缺点。 对加速寿命试验公式两边求对数得：
Baidu Nhomakorabea
ln L ln A ln P
式中，lnL与lnP呈线性关系，拟采用最小二乘法进行数据的 统计分析，确定加速寿命试验模型中的待定系数A和α 。
空间飞行器上越来越广泛的应用。
国外加速寿命试验现状
a.美国波音公司已于1994年在波音-777研制中应用加速寿命试 验方法。 b.美国空军ROME实验室对412L飞行器的警报与控制系统进行 了装配级的加速寿命试验。 c.美国把加速寿命试验当作导弹武器装备的一种寿命预测技术， 利用加速老化技术提供了48个月使用寿命预报。 d.俄罗斯研制“C-300”、 “朵尔”等多种防空导弹系统的火炬 设计局， 开发并运用“加速贮存寿命试验”和“加速运输试验”等 技术取得了卓著成效。 用6个月的加速贮存试验，即可获得贮存寿 命为10年的结论，
课题的创新性 计划进度、预期进展和预期成果
拟采取的研究方法——试验方法
驱动 电机
减速器 真空环模设备
力矩电机
驱动控制 器
力矩控制 器
图3 空间用谐波减速器真空试验框图
拟采取的研究方法——效率测试方法
Po no To no To To 100% 100% Pi ni Ti no i Ti i Ti
4. 制定载荷谱
调研国内外资料，结合加速寿命理论，合理制定如表所示的 应力载荷谱，在制定载荷谱时，应根据实际使用工况，确定应力 的最大值。 加速寿命试验载荷谱
组件编号 1 转速（rpm） 100 负载（N· m） 10 寿命
2
3 4 5
100
100 100 100
10
15 15 20
6
100
20
5. 真空下加速寿命试验

主要内容
课题意义及国内外研究现状综述
课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题
拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性分析 课题的创新性 计划进度、预期进展和预期成果
本课题研究目标
以空间用谐波减速器为研究对象，对其进行失效模式分析， 选取合理的加速因子，建立加速寿命试验模型，开展一定子样的 真空加速寿命试验，获取详细的试验数据，根据加速寿命试验模 型，外推出正常工作应力下谐波减速器寿命。
课题研究意义——谐波减速器空间应用
图2 火星探测器上的高增益天线
课题研究意义——必要性
a.应用日益广泛，寿命试验评价需求越来越迫切；
b.空间用谐波减速器应用需求特点之一便是精度要求越来越 高，寿命要求越来越长。在轨寿命8年~12年; c. 研制周期和成本限制， 1:1 寿命试验不现实，迫切需要开 展空间用谐波减速器加速寿命试验研究，以支持谐波减速器在
2
3
月球车驱动系统 密封副
测频接收机(航 天电子对抗设备) 固体火箭发动机 推进剂
混合Weibull 分布
指数分布 ——
综合应力 加速模型
—— Arrhenius 模型
4 5
6
无刷直流电机
Weibull分布， 指数分布
载荷－寿命曲线 Arrhenius模型
7
电容器
Weibull 分布
逆幂律模型
8
扫描机构
3. 加速寿命试验模型建立
目前常用的加速寿命试验模型有：适用于电子产品的 Arrhenius 模型﹑适应于机械产品和电工产品的逆幂律（IPL）模 型 ﹑ Eyring 模型。 在本课题中，选取负载为加速应力，拟建立加速寿命试验模 型如下：
L AP

式中，L为平均寿命，A、α均为待定系数，P为负载。
课题研究内容
1. 空间用谐波减速器失效模式分析 2. 加速应力选择
3. 加速寿命试验模型建立
4. 制定载荷谱 5. 真空下加速寿命试验
6. 外推正常应力下谐波减速器寿命
1.空间用谐波减速器失效模式分析
地面应用工况下，柔轮的疲劳断裂是谐波减速器失效的主要 原因。空间应用中，由于空间用谐波减速器负载都较小，不会出 现柔轮断裂的情况。空间工程应用中一般选择效率作为谐波减速 器是否失效的判定准则，精度作为参考判据。主要失效模式： a.固体润滑柔性轴承磨损失效导致谐波减速器效率降低；
导得出相关系数，最终外推得出正常应力下的谐波减速器寿命。
拟解决的关键问题
加速寿命试验模型的建立，是本课题的关键性问题。2.2.3中 建立的加速寿命试验模型是根据前期的工程经验及文献调研所得， 应用于空间谐波减速器加速寿命试验，其准确性有待验证。在试 验完成后，根据本次试验所得数据，外推出正常应力下的谐波减 速器寿命，与之前积累的研究试验结果进行对比，得到较为准确 的加速试验模型。