空間用諧波減速器加速壽命試驗(yàn)方法研究

1、工程碩士學(xué)位論文開題報(bào)告 論文題目：空間用諧波減速器加速壽命試 驗(yàn)方法研究主要內(nèi)容課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述課題研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵性問題擬采取的研究方法、技術(shù)路線、試驗(yàn)方案及其可行性分析課題的創(chuàng)新性計(jì)劃進(jìn)度、預(yù)期進(jìn)展和預(yù)期成果課題研究意義諧波減速器簡介 a 柔輪輸出型 b 剛輪輸出型圖1 諧波減速器組成課題研究意義諧波減速器優(yōu)勢a. 減速比范圍大，單級(jí)減速比可以達(dá)到30:1320:1； b. 精度高，回差小，理論上可以實(shí)現(xiàn)零回差；c. 低噪聲、低震動(dòng)，高傳動(dòng)效率，平均傳動(dòng)效率可以達(dá)到80%90%；d. 高承載力。齒嚙合率30%以上；e. 質(zhì)量輕，體積

2、小。在空間飛行器應(yīng)用上有較大優(yōu)勢。課題研究意義諧波減速器空間應(yīng)用 圖2 火星探測器上的高增益天線課題研究意義必要性 a.應(yīng)用日益廣泛，壽命試驗(yàn)評價(jià)需求越來越迫切； b.空間用諧波減速器應(yīng)用需求特點(diǎn)之一便是精度要求越來越高，壽命要求越來越長。在軌壽命8年12年; c.研制周期和成本限制，1:1壽命試驗(yàn)不現(xiàn)實(shí)，迫切需要開展空間用諧波減速器加速壽命試驗(yàn)研究，以支持諧波減速器在空間飛行器上越來越廣泛的應(yīng)用。國外加速壽命試驗(yàn)現(xiàn)狀 a.美國波音公司已于1994年在波音-777研制中應(yīng)用加速壽命試驗(yàn)方法。 b.美國空軍ROME實(shí)驗(yàn)室對412L飛行器的警報(bào)與控制系統(tǒng)進(jìn)行了裝配級(jí)的加速壽命試驗(yàn)。 c.美國把加速

3、壽命試驗(yàn)當(dāng)作導(dǎo)彈武器裝備的一種壽命預(yù)測技術(shù)，利用加速老化技術(shù)提供了48個(gè)月使用壽命預(yù)報(bào)。 d.俄羅斯研制“C-300”、 “朵爾”等多種防空導(dǎo)彈系統(tǒng)的火炬設(shè)計(jì)局， 開發(fā)并運(yùn)用“加速貯存壽命試驗(yàn)”和“加速運(yùn)輸試驗(yàn)”等技術(shù)取得了卓著成效。 用6個(gè)月的加速貯存試驗(yàn)，即可獲得貯存壽命為10年的結(jié)論， 序號(hào)航天產(chǎn)品壽命分布加速模型試驗(yàn)方法和試驗(yàn)應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)評估結(jié)果1紅外地平儀滾動(dòng)軸承60300rpm，真空常溫下持續(xù)3.5個(gè)月固體潤滑狀況良好，軸承幾乎無磨損2陀螺電機(jī) Arrhenius模型 恒定應(yīng)力；溫度 80的加速因子為21.2；獲得正常應(yīng)力壽命 1692h。 3月球車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)密封副混合Weibull

4、分布綜合應(yīng)力加速模型變載荷譜，綜合應(yīng)力(溫度變化率和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速) ALT 得到的壽命最大值48h，加速因子為568.3；正常應(yīng)力下 的壽命為 1.96a。 4測頻接收機(jī)(航天電子對抗設(shè)備) 指數(shù)分布 溫度 80時(shí)整機(jī)加速因子3.2；基本可靠性水平MTBF 為 1050h。 5固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑Arrhenius模型 高溫，加速老化高低溫交變循環(huán)溫度 高溫 65， 貯存加速因子 18；使用壽命15a 以上。 6無刷直流電機(jī)Weibull分布，指數(shù)分布載荷壽命曲線Arrhenius模型 1)提高環(huán)境溫度， 恒溫箱70，2)增加電機(jī)負(fù)載， 恒溫箱30， 1.2 倍額定負(fù)載 1）加速因子： 1.327

5、，27， 1.57； 2）加速因子： 1.798，9.96，1.235。 7電容器 Weibull 分布逆冪律模型 恒定-步進(jìn)應(yīng)力組合，電壓中位壽命：3.638106h； 平均失效率：.210-6/h。 8掃描機(jī)構(gòu)1.5/min14/min，真空常溫下工作5個(gè)月，測電流、摩擦力矩等試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，機(jī)構(gòu)擺動(dòng)次數(shù)相當(dāng)于在軌工作5年的次數(shù)，無失效。國內(nèi)加速壽命試驗(yàn)現(xiàn)狀國內(nèi)外航天產(chǎn)品加速壽命試驗(yàn)特點(diǎn) 航天產(chǎn)品的加速壽命試驗(yàn)具有以下特點(diǎn)： 目前開展的加速壽命試驗(yàn)，主要是針對元器件級(jí)和材料級(jí)，針對整機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的加速壽命試驗(yàn)研究較少； 加速壽命試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法很復(fù)雜，而工程研究和可用的數(shù)據(jù)又不夠

6、，這些方法距離工程應(yīng)用還有一定差距； 航天機(jī)構(gòu)產(chǎn)品開展的加速壽命試驗(yàn)較少，一般都進(jìn)行的是針對空間具體應(yīng)用工況的壽命試驗(yàn)（提高速度和縮短時(shí)間間隔），以滿足使用壽命為主，而產(chǎn)品最終的壽命缺乏關(guān)注； 航天機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒑蛻?yīng)力選擇基本上時(shí)基于以往的研究經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論依據(jù)。 主要內(nèi)容課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述課題研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵性問題課題研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵性問題擬采取的研究方法、技術(shù)路線、試驗(yàn)方案及其可行性分析課題的創(chuàng)新性計(jì)劃進(jìn)度、預(yù)期進(jìn)展和預(yù)期成果本課題研究目標(biāo) 以空間用諧波減速器為研究對象，對其進(jìn)行失效模式分析，選取合理的加速因子，建立加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

7、，開展一定子樣的真空加速壽命試驗(yàn)，獲取詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，外推出正常工作?yīng)力下諧波減速器壽命。 課題研究內(nèi)容1. 空間用諧波減速器失效模式分析2. 加速應(yīng)力選擇 3. 加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?4. 制定載荷譜 5. 真空下加速壽命試驗(yàn) 6. 外推正常應(yīng)力下諧波減速器壽命1.空間用諧波減速器失效模式分析 地面應(yīng)用工況下，柔輪的疲勞斷裂是諧波減速器失效的主要原因?？臻g應(yīng)用中，由于空間用諧波減速器負(fù)載都較小，不會(huì)出現(xiàn)柔輪斷裂的情況?？臻g工程應(yīng)用中一般選擇效率作為諧波減速器是否失效的判定準(zhǔn)則，精度作為參考判據(jù)。主要失效模式： a.固體潤滑柔性軸承磨損失效導(dǎo)致諧波減速器效率降低； b.柔

8、輪內(nèi)壁和柔性軸承外圈之間磨損導(dǎo)致諧波減速器效率降低； c.剛輪-柔輪傳動(dòng)副磨損導(dǎo)致諧波減速器效率降低和精度下降。 諧波減速器的失效模式都是是相互運(yùn)動(dòng)的部件磨損導(dǎo)致的失效。2.加速應(yīng)力選擇 a溫度：由于諧波減速器傳動(dòng)副間采用脂潤滑，溫度的變化會(huì)影響潤滑劑的粘度，進(jìn)而影響潤滑狀態(tài)，另外，還會(huì)影響潤滑劑的蠕動(dòng)、蒸發(fā)、流失和蛻化，這些影響會(huì)導(dǎo)致諧波減速器的失效模式發(fā)生改變，例如，溫度高時(shí)，潤滑脂粘度降低，潤滑狀態(tài)會(huì)變好。因此，不選擇溫度作為加速應(yīng)力； b轉(zhuǎn)速：與地面用諧波減速器不同，空間用諧波減速器傳動(dòng)副間的潤滑脂量很少，傳動(dòng)副之間長期處于邊界潤滑狀態(tài)中，如果壽命試驗(yàn)速度太高，會(huì)影響傳動(dòng)副間的潤滑狀態(tài)

9、，進(jìn)而影響減速器失效模式。壽命試驗(yàn)轉(zhuǎn)速選擇范圍不好確定，不作為加速應(yīng)力； c負(fù)載：提高負(fù)載對諧波減速器壽命影響比較大，已經(jīng)在前期的試驗(yàn)中得到證實(shí)。擬選擇負(fù)載作為加速應(yīng)力； d潤滑脂添加量：減少潤滑脂添加量，可以加速減速器磨損，在國外文獻(xiàn)報(bào)道中，將潤滑脂添加量作為加速應(yīng)力之一。但文獻(xiàn)中沒有具體的添加量選取方法描述，工程中也沒有這樣的經(jīng)驗(yàn)，本課題中不選擇潤滑脂添加量作為加速應(yīng)力。3. 加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?目前常用的加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀校哼m用于電子產(chǎn)品的Arrhenius 模型適應(yīng)于機(jī)械產(chǎn)品和電工產(chǎn)品的逆冪律（IPL）模型 Eyring 模型。 在本課題中，選取負(fù)載為加速應(yīng)力，擬建立加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

10、如下： APL式中，L為平均壽命，A、均為待定系數(shù)，P為負(fù)載。4. 制定載荷譜 調(diào)研國內(nèi)外資料，結(jié)合加速壽命理論，合理制定如表所示的應(yīng)力載荷譜，在制定載荷譜時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用工況，確定應(yīng)力的最大值。 加速壽命試驗(yàn)載荷譜組件編號(hào) 轉(zhuǎn)速（rpm） 負(fù)載（Nm） 壽命1 10010 2 10010 310015 410015 5100206100205. 真空下加速壽命試驗(yàn) 按前表所示的加速應(yīng)力進(jìn)行真空常溫下的加速壽命試驗(yàn)，子樣數(shù)6，要求真空度優(yōu)于1.310-3Pa。 在加速壽命試驗(yàn)過程中，定期對諧波減速器的效率和進(jìn)度指標(biāo)進(jìn)行測試（擬定100h測試一次），當(dāng)效率指標(biāo)降低20%時(shí)，則認(rèn)為減速器失效。

11、加速壽命試驗(yàn)完成后，根據(jù)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按式（2-4）推導(dǎo)得出相關(guān)系數(shù)，最終外推得出正常應(yīng)力下的諧波減速器壽命。6.外推正常應(yīng)力下諧波減速器壽命 擬解決的關(guān)鍵問題 加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?，是本課題的關(guān)鍵性問題。2.2.3中建立的加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪歉鶕?jù)前期的工程經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)調(diào)研所得，應(yīng)用于空間諧波減速器加速壽命試驗(yàn)，其準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證。在試驗(yàn)完成后，根據(jù)本次試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，外推出正常應(yīng)力下的諧波減速器壽命，與之前積累的研究試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，得到較為準(zhǔn)確的加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?目前國內(nèi)外關(guān)于空間用機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的加速壽命試驗(yàn)一般都是通過折算加速條件下產(chǎn)品的轉(zhuǎn)數(shù)或工作次數(shù)來折算在軌工作壽命，特別是諧波減速器，沒有文獻(xiàn)

12、報(bào)道進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，在這方面是個(gè)嘗試。 主要內(nèi)容課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述課題研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵性問題擬采取的研究方法、技術(shù)路線、試驗(yàn)方案及其可擬采取的研究方法、技術(shù)路線、試驗(yàn)方案及其可行性分析行性分析課題的創(chuàng)新性計(jì)劃進(jìn)度、預(yù)期進(jìn)展和預(yù)期成果擬采取的研究方法試驗(yàn)方法減速器力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)真空環(huán)模設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制器力矩控制器圖3 空間用諧波減速器真空試驗(yàn)框圖 擬采取的研究方法效率測試方法100%100%ooooooiiioiiPnTnTTPnTni Ti T 減速器力矩傳感器驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩傳感器轉(zhuǎn)矩測試儀轉(zhuǎn)矩測試儀負(fù)載驅(qū)動(dòng)控制器圖4 減速器傳動(dòng)效率測試框圖擬采取的研究方法精度測試方法

13、減速器角度傳感器驅(qū)動(dòng)電機(jī)角度傳感器轉(zhuǎn)矩測試儀轉(zhuǎn)矩測試儀負(fù)載驅(qū)動(dòng)控制器圖5 減速器傳動(dòng)精度測試框圖oierri擬采取的研究方法加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法較多，目前較常用的方法有圖估法、線性回歸估計(jì)法、最小二乘法、極大似然估計(jì)法、線性無偏估計(jì)法等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。 對加速壽命試驗(yàn)公式兩邊求對數(shù)得：PALlnlnln 式中，lnL與lnP呈線性關(guān)系，擬采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，確定加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械拇ㄏ禂?shù)A和。擬采取的技術(shù)路線圖6 本課題技術(shù)路線圖課題研究可行性分析 加速壽命試驗(yàn)可行性分析 一般加速壽命試驗(yàn)都遵循一條原則：在加速前后，產(chǎn)品的失效機(jī)理不變。通過之前的

14、失效模式分析可知，選擇負(fù)載作為加速應(yīng)力，空間用諧波減速器失效機(jī)理不變，是可以進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)的。 諧波減速器試驗(yàn)及測試方法可行性分析 在之前的產(chǎn)品研制和預(yù)先研究過程中，進(jìn)行了較多的諧波減速器性能測試，測試方法比較成熟，課題內(nèi)容可以完成。 加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法可行性分析 國內(nèi)有很多 文獻(xiàn)報(bào)道了加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，其中恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析已經(jīng)比較成熟，課題內(nèi)容可以完成。課題研究可行性分析圖7 某預(yù)研產(chǎn)品真空試驗(yàn)課題研究可行性分析圖8 大氣試驗(yàn)課題研究可行性分析圖9 真空試驗(yàn)課題研究可行性分析圖10 試驗(yàn)設(shè)備 主要內(nèi)容課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述課題研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解

15、決的關(guān)鍵性問題擬采取的研究方法、技術(shù)路線、試驗(yàn)方案及其可行性分析課題的創(chuàng)新性課題的創(chuàng)新性計(jì)劃進(jìn)度、預(yù)期進(jìn)展和預(yù)期成果課題的創(chuàng)新性 目前針對空間用機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的加速壽命試驗(yàn)，國內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道較少。一般空間用機(jī)構(gòu)產(chǎn)品從工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，都是按照1：1的模式進(jìn)行壽命試驗(yàn)，投入子樣12臺(tái)。但是隨著型號(hào)和預(yù)研任務(wù)的增長，產(chǎn)品研制周期越來越緊張，進(jìn)行1：1試驗(yàn)不現(xiàn)實(shí)。本課題首次將通用的加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑ㄊХ治?加速模型 加速壽命試驗(yàn) 外推正常壽命）應(yīng)用到空間用諧波減速器上，希望積累一定的研究經(jīng)驗(yàn)，為以后工作打下基礎(chǔ)。 主要內(nèi)容課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述課題研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵性問題擬采取的研究方法、技術(shù)路線、試驗(yàn)方案及其可行性分析課題的創(chuàng)新性計(jì)劃進(jìn)度、預(yù)期進(jìn)展和預(yù)期成果計(jì)劃進(jìn)度、預(yù)期進(jìn)展和預(yù)期成果課題研究進(jìn)度2011.82011.10：查閱、收集與課題相關(guān)的國內(nèi)外文獻(xiàn)、資料，整理、分析。2011.92011.12：調(diào)查并研究國內(nèi)高校、科研院所及大型企業(yè)類似課題的研究情況，對研究方向進(jìn)行初步的可行性論證。2011.122012.1： 撰寫開題報(bào)告，準(zhǔn)備開題答辯。2012.22012.3： 深入學(xué)習(xí)加速壽命試驗(yàn)理論和數(shù)據(jù)處理方法。2012