月面環境下諧波減速器固液復合潤滑壽命試驗研究

鄭宗勇，張智芳，方蒙生，王長亮，張崇峰，王治易

（1.上海宇航系統工程研究所，上海 201109；2.上海航天技術研究院，上海 201109）

0 引言

諧波減速器具有傳動比大、精度高、空程小、承載能力高、效率高、體積小、傳動平穩等優點，技術相對成熟，已廣泛應用于空間航天器驅動機構、精密指向掃描機構、空間機器人等機構產品［1-3］。“玉兔號”月面巡視器作為我國首次地外天體表面探測的新型航天器，相對于以往的地球軌道航天器有很大不同，具有活動機構多、系統資源嚴苛等技術難點，月面巡視器上的活動機構必須重量輕、力矩大、運動精度高、能夠適應月面惡劣環境［4-5］。因此，月面巡視器對諧波減速傳動部件的要求非常高。

考慮到月面環境惡劣以及油脂在真空低溫下黏度增大會導致阻力矩變大，初樣階段諧波減速器選用CPL 型WS2固體潤滑諧波減速器。為滿足在軌月面工作壽命要求，初樣階段對固體潤滑諧波減速器開展了壽命試驗（3 個月壽命轉數≥17×104r）。但是，固體潤滑諧波減速器在運轉至2×104r 左右出現諧波減速器轉動有雜音、電流不平穩、驅動力矩下降等異常現象，諧波減速器失效，壽命不能滿足使用要求。該問題將直接影響到巡視器各機構產品的壽命、設計狀態及型號研制進度。因而，提高固體潤滑諧波減速器的壽命是一個亟需解決的問題。

本文通過對諧波減速器的失效機理和壽命影響因素進行專門研究分析，開展長壽命、高可靠空間潤滑技術的研究，并進行月面環境適應性分析，為確定月面巡視器各活動機構諧波減速器的潤滑技術狀態提供了理論和試驗依據，也為后續其他航天器的潤滑技術狀態提供了一條新的設計思路。

1 固體潤滑諧波減速器試驗結果分析

通過對出現問題的減速器進行剛度測試和分解，發現波發生器柔性軸承外圈外表面以及柔輪齒面、剛輪齒面均有明顯的磨損，諧波減速器剛度下降，如圖1 和圖2 所示。由于輪齒工作面干涉磨損，產生的磨粒進入柔性軸承滾道，柔輪和鋼輪嚙合齒面潤滑膜嚴重破壞而導致柔性軸承運動阻力增加，諧波減速器傳動效率由初期的62.5%明顯下降至30.0%。諧波減速器中齒輪面接觸區域的潤滑狀態不良導致活動零件材料產生磨粒磨損，致使諧波減速器的固體潤滑膜遭受破壞，從而導致傳動性能的逐漸衰退［6-7］。

圖1 壽命試驗前后諧波減速器扭轉剛度曲線Fig.1 The torsional stiffness curve of harmonic reducer before and after life test

圖2 壽命試驗后各部件外觀照片Fig.2 Appearance pictures of components after life test

經對諧波減速器失效機理分析，潤滑是影響機構中諧波減速器在軌性能和轉動壽命的關鍵因素。通過改進其潤滑方式來提高空間機構運動部件工作可靠性和轉動壽命的研究，具有重要的應用價值［8-11］。

空間機構傳統的潤滑方式主要有固體潤滑和液體（油脂）潤滑。固體潤滑材料具有可承載大的載荷，有較寬的使用溫度范圍，可在高真空、低溫和強輻射等特殊空間環境條件下工作等優點；液體潤滑材料則存在真空易揮發、高溫易降解、爬移、需要密封等特點，液體潤滑材料在承載能力和穩定性方面與固體潤滑材料相比較差。

近年來，國內外部分學者提出將固體潤滑和液體潤滑混合在一起使用。經研究表明，某些固體油脂復合潤滑體系相對于純固體潤滑、純液體潤滑會表現出更好的潤滑穩定性和耐磨壽命，該復合潤滑體系有可能大幅提高運動機構的潤滑性能和耐磨損性能，延長運動副的使用壽命［12-13］。美國國家航空航天局（NASA）曾報道的MoS2-TiC/PFPE 固體涂層/液體潤滑劑復合潤滑體系、黏結固體潤滑涂層與潤滑脂復合體系等具有良好的摩擦學性能，已在空間機構上獲得了成功的應用［14］。固液復合潤滑方式作為一種新潤滑方式在國內尚缺乏系統性和深入的研究［15-16］。

2 固液復合潤滑特性分析

固體潤滑材料和液體潤滑材料分類較多，但是，固液復合潤滑體系并不是任意固體潤滑材料和液體潤滑材料的簡單組合，需要考慮諸多因素，如協同效應、相容性和浸潤性、運動部件類型和使用工況等。

2.1 協同效應

當固體潤滑材料和液體潤滑材料產生協同效應時，固液復合潤滑體系的性能明顯優于純固體潤滑和純液體潤滑，反之則潤滑性能無明顯改善或下降。例如MoS2基薄膜和114 脂復合時，其摩擦系數雖得到改善，但耐磨壽命縮短，說明MoS2基薄膜-114 脂不宜進行復合；而MoS2基復合薄膜以及Ag基合金薄膜與CSF-250 潤滑油復合潤滑在特定工藝條件下出現了摩擦系數降低、耐磨壽命延長的良好結果。

2.2 相容性和浸潤性

固體潤滑材料與液體潤滑材料復合時，需考慮液體潤滑劑是否對固體潤滑材料的組分、結構、表面形態等造成影響。如兩者材料發生化學反應產生腐蝕，破壞固體潤滑材料的表面狀態或者影響其與基體材料的結合強度而導致潤滑性能明顯下降等，則不能復合使用。因此，相容性差的固/液潤滑材料不宜進行復合。

即使是相容性好的固液潤滑材料，其浸潤性不好，即液體潤滑劑無法在固體潤滑材料表面展開，無法形成油膜，將對復合使用后的潤滑性能產生不利影響。

2.3 運動部件類型和傳動工況

不同運動部件要求的潤滑方式不同，如軸承一般采用固體潤滑或油脂潤滑，齒輪多采用脂膜或自潤滑材料潤滑。另外，潤滑材料和潤滑方式的選擇要充分結合運動部件的工況，如溫度、速度、載荷、真空度等。在高速輕載情況下，選用潤滑油與固體潤滑混合使用；而在低速重載情況下，可采用潤滑脂與固體潤滑進行混合使用。對不同運動部件和工況，需考慮運動部件的特點，合理選擇潤滑方式。

2.4 固液復合潤滑的特點

從理論上分析，協同效應、相容性、浸潤性好的固液復合潤滑體系可以明顯提高潤滑性能，同時在耐空間環境性能、工作壽命、載荷承載等方面也可以獲得顯著改善，主要原因如下：

1）空間活動部件在型號發射前都要經歷貯存、地面環境試驗等過程，要求所使用的潤滑材料具有良好的環境適應性。MoS2、WS2等固體潤滑材料與油脂進行混合后，油脂在固體潤滑膜表面產生一層油膜，可在一定程度上隔離固體潤滑材料與水和氧氣，減緩固體潤滑材料與水、氧氣等的化學反應，改善其貯存性能并提高可靠性，起到保護作用。

2）固體與油脂復合潤滑體系中的油脂潤滑劑可降低摩擦，延長空間活動部件潤滑的使用壽命。對于油脂潤滑而言，其潤滑效果主要受潤滑劑量和運動部件的運動速度及載荷的影響，在摩擦過程中易產生熱量，使油脂潤滑劑容易降解，增加適量的固體潤滑薄膜可減少或阻止熱量的產生，避免油脂潤滑劑的降解。

結合國內外的調研情況，通過改進潤滑方式采用適當固體潤滑和油脂潤滑劑復合使用，有可能提高諧波減速器的潤滑和抗磨損性能，從而提高諧波減速器使用壽命。因此，針對前面固體潤滑諧波減速器的壽命不能滿足使用要求的問題，在原WS2固體潤滑諧波減速器上，涂覆宇航級601EF 油脂后的固液復合潤滑諧波減速器，從理論上講，可以提高月面巡視器諧波減速器的工作壽命。

3 固液復合潤滑月面環境適應性分析

考慮到月面上低重力、高真空、高溫差等空間環境較為復雜，由于地面驗證試驗條件的局限性，需要對WS2+601EF 固液復合潤滑進行月面環境適應性全面分析，開展油脂的蒸發量測試和固液復合潤滑配伍特性測試驗證固液復合潤滑的效果，測試過程及方法不在本文中闡述。

3.1 摩擦學性能測試

通過采用真空球盤摩擦試驗，進行WS2和WS2+601EF 兩種潤滑方式的摩擦學性能比對。摩擦副材料選用9Cr18 鋼球，工作轉速1 000 r/min，載荷5 N，赫茲接觸應力921.4 MPa，摩擦半徑12 mm，線速度約1.26 m/s，膜厚1 μm。

WS2固體潤滑在干摩擦條件下的平均摩擦系數約0.1，干摩擦普遍壽命較短，約450 r，WS2+601EF混合潤滑的摩擦系數范圍0.15～0.20，耐磨壽命1.46×105r，如圖3所示。“WS2+601EF”混 合潤滑方式與純WS2固體潤滑相比較，“WS2+601EF”混合潤滑的摩擦系數略高于WS2固體潤滑干摩擦的摩擦系數，但是能顯著增加摩擦副的耐磨壽命，說明“WS2+601EF 油脂”組成的復合潤滑體系具有良好的潤滑性能。

圖3 真空下WS2和WS2+601EF 摩擦學性能對比Fig.3 Comparison of tribological properties of WS2 and WS2+601EF under vacuum

3.2 諧波減速器油脂蒸發損失量計算

諧波減速器的潤滑脂蒸發計算量公式如下：

式中：MLn為溫度下潤滑脂的蒸發損失量，g；Wn為潤滑脂在該溫度下的蒸發速率，g/（cm2·s）；S為蒸發面積，cm2；t為蒸發時間，s。

1）首先在150 ℃、1.6×10?4Pa，進行60 h 基線掃描測試，以去除天平在測試環境下的漂移。然后放入潤滑脂，重新抽真空至1.6×10?4Pa，升溫至150 ℃，經過10 h 出氣，然后開始50 h 測試。通過計算平穩階段的單位時間質損，從而計算出蒸發速率。601EF 潤滑脂在真空150 ℃溫度下的蒸發速率實測值為7.65×10?9g/（cm2·s）。

2）針對月面3 個月的測試周期，每個測試周期共有14 d 處于150 ℃高溫狀態下，另外一半時間處于低溫狀態，由于潤滑脂的蒸發速率與溫度緊密相關。在150 ℃下的蒸發速率一般是20 ℃蒸發速率的上千倍，因此，低溫下的蒸發可忽略不計，僅計算高溫時間，即3×14×24×60×60=3 628 800 s。

3）潤滑脂在實際使用工況中僅通過剛輪和柔輪傳動副斷面的嚙合齒縫隙釋放出不可返回的分子，潤滑脂蒸發面積是剛輪齒廓包含的截面積與柔輪齒廓包含的截面積之差的2 倍。最大的縫隙面積，即假設剛輪和柔輪輪齒全部磨平，是剛輪齒根包含的截面積與柔輪齒根包含的截面積之差的2 倍。

柔輪齒根圓直徑為Φ34.4 mm，剛輪齒根圓直徑為Φ35.8 mm，因此，潤滑脂最大蒸發面積為

對于諧波減速器，在高真空環境中，150 ℃高溫下，工作42 d，601EF 潤滑脂通過剛輪柔輪的揮發量為

因此，采用“WS2+601EF”混合潤滑方式諧波減速器油脂在150 ℃高溫下蒸發量絕對值很小，諧波減速器的油脂涂覆量約為（1.9±0.1）g，蒸發量相對占比約為2.3%，不會對諧波減速器的潤滑性能造成影響。

4 固液復合潤滑諧波減速器壽命試驗與月面驗證

通過以上分析，表明“WS2+601EF”固液復合潤滑體系可以滿足月面的環境使用要求，可以用于月面巡視探測器活動機構中。因此，在原諧波減速器狀態上開展了固液復合潤滑后的諧波減速器壽命試驗驗證。

4.1 油脂涂覆要求

通過在原WS2固體潤滑諧波減速器上涂覆宇航級適用空間環境應用601EF 油脂后的潤滑方案，即在諧波減速器剛輪齒面、柔輪齒面和柔輪與波發生器連接處等涂覆合適重量的601EF 油脂，柔性軸承內增加合適重量的Z25油，涂覆狀態如圖4所示，涂覆的油脂重量需大于3.2節計算得出的油脂蒸發量。

圖4 柔輪油脂涂覆狀態Fig.4 Grease coating state of flexspline

在諧波減速器涂油脂過程中，每套諧波減速器部件涂覆量必須有相應表格記錄；最終裝配前，應及時檢查諧波潤滑脂情況是否正常（應無嚴重損失、污染、夾渣、變色等異常現象），并及時清潔齒輪非工作面的多余物，保證后續裝配試驗順利進行。

4.2 壽命試驗驗證

在經過油脂涂覆后，對固液復合潤滑方式的諧波減速器開展壽命試驗進行驗證。試驗條件與前期試驗條件一致，見表1。

表1 壽命試驗條件Tab.1 Life test conditions

試驗過程中監視驅動電機電流情況和運轉聲音，在整個試驗過程驅動電流平穩，無噪聲，諧波減速器共計運行3.4×105r 測試，試驗后的扭轉剛度和傳動精度基本一致。壽命試驗前后的諧波減速器扭轉剛度曲線和部件外觀照片，如圖5 和圖6 所示。試驗后諧波減速器剛輪、柔輪的齒面和波發生器未見明顯磨損，通過了壽命試驗的考核。

圖5 固液復合潤滑諧波減速器試驗前后諧波扭轉剛度曲線Fig.5 Torsional stiffness curve of solid-liquid composite lubrication harmonic reducer before and after test

圖6 固液復合潤滑諧波減速器壽命試驗后各部件外觀照片Fig.6 Appearance pictures of components of the solidliquid composite lubrication harmonic reducer after life test

在諧波減速器部件通過壽命試驗后，將采用“WS2+601EF 油脂”固液復合潤滑的新諧波減速器裝入機構產品中，重新開展機構加載熱真空壽命試驗，順利通過了熱真空壽命試驗考核。

在確定諧波減速器潤滑技術狀態后，將固液復合潤滑的諧波減速器應用在“玉兔號”和“玉兔二號”巡視器結構與機構分系統上。截至目前，“玉兔二號”巡視器已在月面正常工作26 個月，已遠遠超過原先壽命要求，通過了地面試驗驗證和月面在軌驗證。

5 結束語

本文通過對固體潤滑諧波減速器的失效機理和壽命影響因素進行了分析，采用全新“WS2+601EF 油脂”等構成復合潤滑體系，能產生良好的協同效應、相容性和浸潤性，固體薄膜與油脂潤滑劑起到了混合潤滑的作用，使其潤滑性能與純固體潤滑相比獲得顯著改善，大大提高了機構的可靠性，較好地解決了月面環境下諧波減速器壽命不足的問題。本文的研究說明“WS2+601EF 油脂”固液復合潤滑體系，可以大大提高在高溫差、高真空環境下諧波減速器的壽命，為后續其他航天器機構的潤滑設計方面提供了一條新的設計思路。