空间用谐波减速器加速寿命试验方法研究

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；
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
——
——
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。
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
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
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
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
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
拟采取பைடு நூலகம்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。
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。
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。
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
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：
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 。
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
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
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
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，
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。
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。
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。

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。
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。