空间用谐波减速器加速寿命试验方法研究

1、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 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30:1320:1； 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

2、小。在空间飞行器应用上有较大优势。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

3、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， 序号航天产品寿命分布加速模型试验方法和试验应力试验数据评估结果1红外地平仪滚动轴承60300rpm，真空常温下持续3.5个月固体润滑状况良好，轴承几乎无磨损2陀螺电机 Arrhenius模型 恒定应力；温度 80的加速因子为21.2；获得正常应力寿命 1692h。 3月球车驱动系统密封副混合Weibull

4、分布综合应力加速模型变载荷谱，综合应力(温度变化率和驱动转速) 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。 4测频接收机(航天电子对抗设备) 指数分布 温度 80时整机加速因子3.2；基本可靠性水平MTBF 为 1050h。 5固体火箭发动机推进剂Arrhenius模型 高温，加速老化高低温交变循环温度 高温 65， 贮存加速因子 18；使用寿命15a 以上。 6无刷直流电机Weibull分布，指数分布载荷寿命曲线Arrhenius模型 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 1）加速因子： 1.327

5、，27， 1.57； 2）加速因子： 1.798，9.96，1.235。 7电容器 Weibull 分布逆幂律模型 恒定-步进应力组合，电压中位寿命：3.638106h； 平均失效率：.210-6/h。 8扫描机构1.5/min14/min，真空常温下工作5个月，测电流、摩擦力矩等试验结束时，机构摆动次数相当于在轨工作5年的次数，无失效。国内加速寿命试验现状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

6、，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。 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

7、，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； b.柔

8、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

9、，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

10、如下： APL式中，L为平均寿命，A、均为待定系数，P为负载。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 转速（rpm） 负载（Nm） 寿命1 10010 2 10010 310015 410015 5100206100205. 真空下加速寿命试验 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1.310-3Pa。 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。

11、加速寿命试验完成后，根据得到的试验数据，按式（2-4）推导得出相关系数，最终外推得出正常应力下的谐波减速器寿命。6.外推正常应力下谐波减速器寿命 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。 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

12、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、试验方案及其可拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性分析行性分析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减速器力矩电机驱动电机真空环模设备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100%100%ooooooiiioiiPnTnTTPnTni Ti T 减速器力矩传感器驱动电机力矩传感器转矩测试仪转矩测试仪负载驱动控制器图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

13、减速器角度传感器驱动电机角度传感器转矩测试仪转矩测试仪负载驱动控制器图5 减速器传动精度测试框图oierri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：PALlnlnln 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。拟采取的技术路线图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

14、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。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

15、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课题的创新性计划进度、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12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计划进度、预期进展和预期成果课题研究进度2011.82011.10：查阅、收集与课题相关的国内外文献、资料，整理、分析。2011.92011.12：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。2011.122012.1： 撰写开题报告，准备开题答辩。2012.22012.3： 深入学习加速寿命试验理论和数据处理方法。2012