用于谐波减速器性能试验的空间真空高低温环境模拟试验装置

米雄伟，周广武，周青华

（四川大学 空天科学与工程学院，成都610065）

0 引言

谐波减速器是通过中间挠性构件的弹性变形来传递运动和力的传动装置。由于其具有精度高、噪声低、重量轻、速比大等优点，被广泛应用于空间环境下的空间机器人、卫星和月球车等高端装备[1-4]。实践表明，空间传动系统的故障大多是来自于轴承、减速器等关键零部件[5]。因此，为了掌握谐波减速器在空间环境下的服役性能，研制谐波减速器空间环境模拟试验装置显得十分必要。

谐波减速器空间环境模拟试验装置主要是用于检验谐波减速器在真空及高低温等极端环境中能否满足规定的传动性能要求及使用寿命而进行的地面试验，以保证空间飞行器的成功发射及在轨安全可靠运行[6-8]。美、日、德等国家对谐波减速器的空间环境试验和评价研究起步较早，从试验台的方案设计到最终的样品制造都进行了大量研究，并已形成系列化的设计模式[9]。与国外相比，国内对谐波减速器试验台的研究起步较晚[10-11]。孙晓军等[12]根据谐波减速器在空间传动中的工况条件，研制出真空环境模拟试验装置，并对谐波减速器在真空环境下的运行性能进行了测试。孙京等[13]对固体润滑的谐波减速器在优于1×10-3Pa 的真空环境中进行了传动效率和工作负载、工作温度关系研究，并开展了1000 h 真空寿命试验。

航天器运动部件对不同任务的速度和力矩要求多样，在轨运行寿命要求也越来越长，对谐波减速器空间环境模拟试验装置的性能及测试要求也日益提高。然而，目前我国研制的谐波减速器空间环境模拟试验装置与国外同类产品相比整体性能差距较大，无法满足谐波减速器技术的发展需求[14]。

本文着眼于更好地实现空间环境下的谐波减速器的服役性能测试，设计真空高低温环境条件下的谐波减速器试验装置，并针对现有谐波减速器空间环境模拟试验技术中系统安装误差大、磁流体附加摩擦力矩波动等问题，提出将整个谐波减速器测试台架置入空间环境模拟试验舱内的方案，以及相关的驱动、加载和测试单元的温控技术，并进行典型性能的测试试验验证。

1 总体方案和技术指标

1.1 总体方案

谐波减速器空间环境模拟试验装置的设计思路如图1所示。试验台架在真空室外部完成装配，由与真空室内部轨道高度一致的支撑小车将载有试验件的试验台架送入真空室内，位置确定后对试验台架进行固定；试验参数由试验台架及真空容器内部的传感器测得。根据空间环境的温度范围，对试验台架的核心元器件进行选型，优先选择温度适应范围宽的规格型号，并对试验台架元器件进行温度控制保护和监测系统设计，同时控制被测试件谐波减速器本体温度。该试验装置主要用于研究谐波减速器在空间模拟环境下的传动效率、传动误差、回差、扭转刚度、空载启动转矩、振动加速度、噪声等综合性能。其中振动加速度和噪声试验还需要附加的振动噪声测试仪配合完成。

图1 谐波减速器空间环境模拟试验装置Fig.1 The space environment simulation facility for harmonic reducer

1.2 技术指标

谐波减速器空间环境模拟试验装置应满足如下要求：

1）真空室尺寸：ϕ1200 mm×1600 mm；

2）罐体热沉温度范围：-70～150℃；

3）极限真空度优于5×10-4Pa，工作真空度优于1.3×10-3Pa；

4）测试台架相邻零部件间同轴度小于0.04 mm。

2 空间环境模拟试验装置研制

2.1 总体设计

目前，谐波减速器空间环境模试验系统主要利用磁流体密封技术通过穿舱来实现减速器的驱动和加载，但是磁流体密封不可避免地会带来附加摩擦力矩，且试验轴系较长，安装误差较大[8]。因此，本文将谐波减速器测试台架整体置于空间环境模拟试验舱内，不必穿舱，不需要使用磁流体密封轴，使整个试验轴系缩短，能够避免磁流体密封轴引起的附加摩擦力矩，同时减小试验装置系统的累积误差。如图2 所示，谐波减速器试验台架包括驱动电机、输入端扭矩仪、输入端角度编码器、被测试谐波减速器、输出端角度编码器、输出端扭矩仪、加载力矩电机等。为了准确测试谐波减速器的传动误差和回差等技术指标，在谐波减速器输入/输出端与编码器的连接采用刚性联轴器，以减少扭矩角的测试误差；同时，为便于轴与轴的安装对中，选用胀紧套作为刚性联轴器，实际安装过程中相邻轴的同轴度最大值为0.027mm（小于0.04 mm）。其他部件的连接选用弹性联轴器（如波纹管联轴器），用于降低转速的波动，克服安装不对中带来的不平衡力矩。

图2 谐波减速器空间环境模拟试验装置组成Fig.2 Diagram of the space environment simulation facility for testing the harmonic reducer

谐波减速器空间环境模拟试验装置的运行方案设计如下：

1）在进行谐波减速器低温试验时，启动热真空环境试验箱的制冷系统降温，同时打开元器件温控系统，保证元器件在工作温度范围内。各连接部位采用隔热片进行连接，以使谐波减速器处于低温状态，而整个测试系统处于正常工作温度范围内，并完成测试任务。

2）在进行谐波减速器高温试验时，打开谐波减速器加热系统，使减速器处于预定的环境温度；同时，为避免谐波减速器试验台架元器件在真空环境下长时间工作而温度逐渐升高，启动热真空环境试验箱制冷系统使试验台架元器件处于冷黑环境下，从而可通过辐射散热使元器件工作温度稳定在正常范围内。

2.2 温控系统方案设计

驱动、加载及测试元器件对工作温度要求极高，故温控系统的设计极为关键。首先根据试验装置热沉温度范围（-70～150℃），对试验台架的核心元器件（如驱动电机、力矩加载电机、扭矩仪、角度编码器等）进行选型，优先选择温度适应范围宽的元器件。然后，设计试验台架元器件温控保护系统，在各核心元器件外壳粘贴柔性加热片、安装温度传感器（PT100），对元器件表面温度进行监控；在谐波减速器支架或表面粘贴加热片对谐波减速器进行加热。各元器件柔性加热片功率如表1所示。

表1 各元器件柔性加热片功率Table 1 Heating power input to each flexible heating element forvarious parts

图3给出了热沉温度-70℃、被测减速器温度-20℃时，各元器件的温控情况。由图可知，各元器件均工作在正常温度范围内，且实际温度控制在设定的温度。

图3 各元器件温控示例（热沉温度-70℃、被测减速器温度-20℃）Fig.3 Example of temperature control of each component(temperature conditions:the heat sink,-70℃;the tested reducer,-20℃)

在谐波减速器高温环境试验时，只需将被测试减速器及支座的膜片加热片设置为试验温度（如60℃），其系统热沉温度仍然设定为-70℃，元器件的保护温度为20℃。

2.3 加载及测试原理

谐波减速器空间环境模拟试验装置测试原理如图4所示。首先通过计算机测试与控制系统，控制真空系统、加热/制冷系统、温控系统、减速器加热系统等，使被测试件处于预定的空间环境中，而试验台架其他元器件处于正常工作温度范围内；然后通过运动控制卡和伺服驱动器，控制驱动电机转速和加载力矩电机加载载荷；同时通过A/D采集卡记录输入轴、输出轴转速和转矩信息，通过角度编码器计数卡，记录输入轴、输出轴转角信息。

图4 谐波减速器空间环境模拟试验装置测试原理Fig.4 Principle for testing the harmonic reducer with the space environmental simulation facility

3 测试试验验证

3.1 空罐真空高低温测试试验

先在试验平台上进行空罐的真空和高低温测试试验。空罐真空测试试验技术要求为极限真空度优于5×10-4Pa（空载，2 h 内）；实际测得从大气抽到5×10-4Pa 用时67m in，满足指标要求。空罐高低温测试试验技术要求为空罐温度范围-70～150℃，热沉升温速率≥2℃/m in、降温速率≥1℃/m in、表面温度均匀性优于±2℃。实际测得热沉从150℃降温到-70℃用时150m in，平均速率1.47℃/m in；从-70℃升温到150℃用时80 min，平均速率2.75℃/min；热沉达到热平衡后表面温度均匀性优于±2℃：以上均满足指标要求。

3.2 谐波减速器性能测试试验

将某型谐波减速器置于所研制的空间环境模拟试验装置中，开展真空高低温环境下的谐波减速器传动效率、传动误差和回差测试，测试方法参照GB/T 35089—2018[15]。为了验证试验装置的性能，选取2种典型工况开展测试，工况1为：减速器表面温度-20℃，真空度优于0.001 Pa，额定转矩67 N·m，转速50 r/m in；工况2为：减速器表面温度60℃，真空度优于0.001Pa，额定转矩67 N·m，转速50 r/min。试验中2种工况对应的环境温度和真空度曲线如图5所示。

图5 谐波减速器性能测试试验工况温度和真空度曲线Fig.5 Temperature and vacuum curves of the harmonic reducer during performance test

谐波减速器传动效率、传动误差和回差测试在减速器运转正常后取数据，145 s为1个运动周期。

1）传动效率

在空间环境模拟试验装置内某型谐波减速器2种工况下的传动效率曲线如图6所示：工况1的平均传动效率为56.68%；工况2的平均传动效率为63.04%。可见，温度对谐波减速器的传动效率有较大影响，60℃时的传动效率明显高于-20℃时的传动效率。

2）传动误差

在空间环境模拟试验装置内某型谐波减速器2种工况下的传动误差曲线如图7所示：工况1的平均传动误差为1.23′；工况2的平均传动误差为0.92′。可以看到，谐波减速器的传动误差均在±2′以内，但在低温下，由于零件的热胀冷缩变形，齿轮的齿侧间隙增大，使得传动误差略大。

图6 谐波减速器传动效率曲线Fig.6 Transmission efficiency of theharmonic reducer

图7 谐波减速器传动误差曲线Fig.7 Transmission error of the harmonic reducer

3）回差

在空间环境模拟试验装置内某型谐波减速器2种工况下的滞回曲线如图8所示：工况1的总回差为4.12′；工况2的总回差为4.53′。究其原因，可能是随着温度升高，材料的弹性模量降低，从而引起较大的弹性回差，导致总回差增大。

图8 谐波减速器滞回曲线Fig.8 The hysteresis curve of harmonic reducer

4 结束语

针对现有谐波减速器空间环境模拟试验技术中传动链长、系统累积误差大等问题，提出将谐波减速器试验台架整体置入真空高低温试验舱内，设计了一套舱内驱动单元、加载单元、测试元器件高低温保护和监测系统，使其能承受一定的空间环境温度，并且通过试验验证了所设计的谐波减速器空间环境模拟试验装置满足技术要求，可为空间活动零部件试验装置研制提供参考。