李 振，石佳東，馬國(guó)政，張執(zhí)南，李國(guó)祿，郭偉玲，王海斗,4

（1.上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300401；3.陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備再制造國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.陸軍裝甲兵學(xué)院 機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心：北京 100072）

0 引言

太陽(yáng)電池陣、天線、機(jī)械臂等空間展開和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中含有大量的齒輪及軸承等基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部件。高可靠的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部件對(duì)于保證航天器的正常運(yùn)行有著舉足輕重的作用。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星的失效數(shù)據(jù)分析可知，姿態(tài)和軌道控制分系統(tǒng)的故障占故障總數(shù)的37%，而其中由齒輪、軸承等運(yùn)動(dòng)部件失效造成的故障占比高達(dá)50%[1-2]。隨著我國(guó)深空探測(cè)等航天任務(wù)的實(shí)施，對(duì)于長(zhǎng)壽命、高可靠基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部件的需求不斷增長(zhǎng)。而要設(shè)計(jì)制備滿足未來(lái)航天任務(wù)需求的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部件，必須對(duì)部件進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)和壽命評(píng)估，考察其在空間環(huán)境服役過(guò)程中的可能失效行為。

由于航天器的特殊性，難以對(duì)其在軌損傷的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行維修更換，也就無(wú)法針對(duì)實(shí)際損傷零件開展失效分析。國(guó)外雖開展過(guò)在軌試驗(yàn)，但試驗(yàn)方式成本高，且僅能實(shí)現(xiàn)部分零件的性能測(cè)試[3-4]。利用空間環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置可方便地對(duì)不同型號(hào)、不同工況的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行測(cè)試，其中的難點(diǎn)在于明確基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部件服役的空間環(huán)境，并還原其實(shí)際工況。

此外，潤(rùn)滑是保證空間基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部件長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的核心，評(píng)判運(yùn)動(dòng)部件服役狀態(tài)，離不開對(duì)其潤(rùn)滑性能的評(píng)價(jià)。固體潤(rùn)滑以其良好的耐真空性及低溫適應(yīng)性而被廣泛應(yīng)用于空間基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部件，如MoS2基薄膜應(yīng)用于空間站機(jī)械臂的薄壁軸承[5]、DLC 薄膜應(yīng)用于球軸承[6]、聚酰亞胺應(yīng)用于軸承保持架、聚四氟乙烯襯墊應(yīng)用于關(guān)節(jié)軸承等。其中的涂層型和襯墊型自潤(rùn)滑材料因材料來(lái)源廣泛、對(duì)基體要求低、可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)原有運(yùn)動(dòng)部件的性能提升等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。面向空間高性能的服役需求，需要通過(guò)具有可監(jiān)測(cè)其磨損失效的摩擦磨損試驗(yàn)裝置來(lái)評(píng)判各種潤(rùn)滑材料的性能優(yōu)劣，以便確定適合空間運(yùn)動(dòng)部件的最佳潤(rùn)滑方案。

國(guó)內(nèi)外面向典型的空間環(huán)境，通常采用同一試驗(yàn)裝置集成多種空間環(huán)境因素（包括高/低溫、帶電粒子等）模擬[7-19]，以滿足對(duì)材料級(jí)與整機(jī)測(cè)試的需求。但針對(duì)運(yùn)動(dòng)部件特別是自潤(rùn)滑運(yùn)動(dòng)部件的測(cè)試裝置還少見報(bào)道。本文針對(duì)典型的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部件，即具有涂層/襯墊自潤(rùn)滑特性的軸承和自潤(rùn)滑涂層特性的齒輪，分別介紹了近年來(lái)的滾動(dòng)軸承和關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)裝置，零件級(jí)與組件級(jí)齒輪試驗(yàn)裝置的研究進(jìn)展；之后，對(duì)未來(lái)具有磨損失效評(píng)判功能的模擬空間環(huán)境摩擦學(xué)試驗(yàn)裝置的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 模擬空間環(huán)境軸承摩擦試驗(yàn)裝置

軸承作為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)部件，是航天器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心零件。由于軸承類型多樣、工況苛刻復(fù)雜，致使其損傷形式多樣，因此須對(duì)具有固體潤(rùn)滑層的軸承在實(shí)際工作環(huán)境下的性能進(jìn)行評(píng)估。

1.1 滾動(dòng)軸承摩擦試驗(yàn)裝置

以角接觸球軸承、深溝球軸承和推力球軸承為代表的滾動(dòng)軸承主要由外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體和保持架組成。在運(yùn)行過(guò)程中，不同的軸承會(huì)承受不同的軸/徑向力和高/低轉(zhuǎn)速。因此，面向滾動(dòng)軸承的試驗(yàn)裝置需滿足不同軸承類型和工況下的測(cè)試與采集需求。一般來(lái)說(shuō)，滾動(dòng)軸承摩擦磨損試驗(yàn)裝置主要由加載部分、動(dòng)力部分、傳感采集部分和環(huán)境控制部分組成。

角接觸球軸承是衛(wèi)星掃描機(jī)構(gòu)、動(dòng)量輪等的核心部件，其服役壽命直接影響衛(wèi)星運(yùn)行精度。針對(duì)于此，王健等[20]研制了具有雙真空罐的軸承摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，可滿足多組角接觸球軸承在不同溫度下擺動(dòng)測(cè)試的需求。張執(zhí)南等[21]研制了以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主的真空摩擦力矩試驗(yàn)機(jī)（如圖1 所示），其巧妙地采用螺栓滾輪和力矩傳遞塊的設(shè)計(jì)方案，保證了測(cè)試過(guò)程中動(dòng)量輪僅承受豎直方向扭矩，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。穆猷等[22]以及Zhou 等[23]分別研制了針對(duì)具有自潤(rùn)滑薄膜的真空、變溫工況的角接觸球軸承軸系試驗(yàn)機(jī)。作為使用最廣泛的深溝球軸承，其摩擦學(xué)性能的考核也受到了學(xué)者的關(guān)注。楊朝暉等[24]、Xia 等[25]以及吳玉厚等[26]針對(duì)重載低溫、真空低溫等特殊工況研制了模擬工況環(huán)境的原位深溝球軸承試驗(yàn)機(jī)。

圖1 真空摩擦力矩試驗(yàn)機(jī)[21]Fig.1 Vacuum friction torque test facility[21]

止推軸承是專門承受軸向載荷的軸承，其滾動(dòng)體作為承載和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件，是失效的主要部位。Eichler 等[27]研制了立式軸承試驗(yàn)機(jī)，并對(duì)具有WC/a-C:H 和Cr2N 的止推軸承進(jìn)行了大氣環(huán)境下的測(cè)試。日本佐賀大學(xué)[28]和戴建新等[29]研制了在真空環(huán)境下使用的立式止推軸承壽命試驗(yàn)機(jī)。

上述滾動(dòng)軸承試驗(yàn)機(jī)的工作工況及特點(diǎn)歸納見表1。

表1 典型滾動(dòng)軸承試驗(yàn)機(jī)工況與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Table 1 Working conditions and structural characteristics of typical rolling bearing test facilities

綜上，面向不同類型的固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承的模擬空間環(huán)境摩擦試驗(yàn)裝置均有所研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同工況環(huán)境的模擬測(cè)試，有效保證了航天器的在軌運(yùn)行。但針對(duì)空間環(huán)境因素的模擬均集中在真空與高低溫環(huán)境下的測(cè)試，少有具有原位輻照測(cè)試功能的滾動(dòng)軸承試驗(yàn)機(jī)被報(bào)道。此外，滾動(dòng)軸承空間運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、低速與高速相結(jié)合，研制具有程控變速的試驗(yàn)機(jī)可以更真實(shí)地模擬固體潤(rùn)滑涂層的在軌運(yùn)行狀態(tài)，明確其運(yùn)動(dòng)行為所導(dǎo)致的失效行為。

1.2 關(guān)節(jié)軸承摩擦試驗(yàn)裝置

關(guān)節(jié)軸承是一種球面接觸運(yùn)動(dòng)副，主要由具有外球面的內(nèi)圈與具有內(nèi)球面的外圈組成。關(guān)節(jié)軸承的承載能力大、耐磨損、可自調(diào)心，被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)電池陣、跟蹤定位指向裝置等的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)中。關(guān)節(jié)軸承特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得其失效部位集中于外圈內(nèi)球面和內(nèi)圈外球面的接觸區(qū)域。

襯墊型自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的自潤(rùn)滑材料以襯墊材料為主，其厚度一般≥0.5 mm，并以襯墊的磨損深度作為該類型軸承的失效判據(jù)。如Lu 等[30]、尉成果等[31]和李正國(guó)[32]研制的襯墊型關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)均采用位移傳感器對(duì)襯墊磨損深度進(jìn)行檢測(cè)。崔文巖等[33]采用探測(cè)組件、角錐鏡組件等實(shí)現(xiàn)對(duì)襯墊磨損量的測(cè)量。

涂層型自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承是指通過(guò)噴/鍍工藝在相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面制備一層固體潤(rùn)滑層。相比于襯墊材料，涂層厚度較薄，通?！?0 μm，甚至在幾μm，難以采用磨損深度測(cè)量的方式來(lái)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)軸承的性能變化規(guī)律。Liu 等[34]和Qiu 等[35]通過(guò)對(duì)含磷化膜和MoS2/石墨烯的關(guān)節(jié)軸承的試驗(yàn)表明，當(dāng)薄膜被磨穿后，軸承的摩擦扭矩和溫度信號(hào)會(huì)發(fā)生突變?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，李國(guó)祿等[36]和馬國(guó)政等[37]提出基于摩擦扭矩和溫度信號(hào)來(lái)評(píng)判涂層型自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承性能的試驗(yàn)機(jī)。

上述關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)的工作工況及特點(diǎn)歸納見表2。

表2 典型關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)工況與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Table 2 Working conditions and structural characteristics of typical joint bearing test facilities

綜上，不同的學(xué)者針對(duì)固體自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的特點(diǎn)、面向不同的需求設(shè)計(jì)了關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)，豐富了關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)種類。但也顯現(xiàn)出當(dāng)前關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方案尚未統(tǒng)一，未有功能全面的空間環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置出現(xiàn)。此外，雖通過(guò)四連桿、外置電機(jī)-磁流體密封軸、作動(dòng)器等可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)軸承的小角度擺動(dòng)，但在復(fù)合擺動(dòng)測(cè)試的需求下，這些方法均存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性低的問(wèn)題。因此，需進(jìn)一步開發(fā)可實(shí)現(xiàn)固體潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承復(fù)合擺動(dòng)，并準(zhǔn)確判定其是否失效的方法。

2 模擬空間環(huán)境齒輪摩擦試驗(yàn)裝置

齒輪作為常用的減速增扭和動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天器的相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂等?？臻g齒輪材料通常為金屬，但金屬在空間中無(wú)法形成抗磨損的氧化薄膜；若不進(jìn)行防護(hù)處理，嚙合齒輪之間將變?yōu)榧儍艚饘俚哪Σ?，極易發(fā)生黏著磨損，甚至出現(xiàn)冷焊，導(dǎo)致齒輪的運(yùn)動(dòng)行為喪失。因此，利用模擬空間環(huán)境齒輪摩擦試驗(yàn)裝置開展齒輪壽命試驗(yàn)，對(duì)于明確齒輪的空間損傷機(jī)制，提升其空間應(yīng)用性能具有重要意義。

2.1 零件級(jí)齒輪試驗(yàn)裝置

明確高真空、寬溫域等空間環(huán)境因素下的齒輪失效規(guī)律，需對(duì)齒輪傳動(dòng)的基本單元——1 對(duì)嚙合的齒輪開展性能測(cè)試。He 等[38]利用所研發(fā)的大氣環(huán)境下的齒輪摩擦試驗(yàn)裝置，測(cè)試發(fā)現(xiàn)具有MoS2自潤(rùn)滑薄膜的齒輪傳動(dòng)效率更高。原祖浩[39]研制了適用于小模數(shù)高速齒輪的試驗(yàn)機(jī)，分析了具有CrN和Ag 薄膜的空間小齒輪的性能，并監(jiān)測(cè)了齒輪的溫升。為更快捷地獲取適用于齒輪的固體自潤(rùn)滑材料，茍世寧等[40]提出了一種空間機(jī)構(gòu)齒輪傳動(dòng)副潤(rùn)滑方案優(yōu)選試驗(yàn)裝置，通過(guò)并聯(lián)多個(gè)1:1 傳動(dòng)齒輪副，可實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境下1 臺(tái)裝置同時(shí)完成多組齒輪測(cè)試的功能。Schwarz 等[41]基于FZG 試驗(yàn)機(jī)對(duì)具有DLC 自潤(rùn)滑薄膜的齒輪進(jìn)行考核，結(jié)果表明DLC自潤(rùn)滑薄膜可使齒輪的平均摩擦系數(shù)和總體溫度分別下降20%和3.5%。

嚙合齒輪的齒數(shù)、模數(shù)確定之后，其傳動(dòng)軸與從動(dòng)軸的中心距即確定。為了適應(yīng)不同齒數(shù)與模數(shù)的齒輪測(cè)試需求，石照耀等[42]、陳奇等[43]和王海霞等[44]分別從不同角度考慮設(shè)計(jì)了可變中心距的齒輪試驗(yàn)裝置。為了更加真實(shí)地模擬空間環(huán)境因素下的齒輪失效過(guò)程，張浪[45]搭建了熱真空環(huán)境下的齒輪試驗(yàn)機(jī)裝置（見圖2），其中由于磁粉制動(dòng)器無(wú)法在真空環(huán)境下使用，采用外置磁粉制動(dòng)器為負(fù)載對(duì)行星齒輪進(jìn)行真空熱試驗(yàn)；齊立群[4]則研制了基于磁阻式步進(jìn)電機(jī)的恒定制動(dòng)轉(zhuǎn)矩負(fù)載制動(dòng)器，并對(duì)多組齒輪進(jìn)行了熱真空試驗(yàn)評(píng)估。

圖2 熱真空齒輪試驗(yàn)機(jī)[45]Fig.2 Thermal vacuum gear test facility[45]

具有固體潤(rùn)滑涂層的齒輪零件，可通過(guò)評(píng)判其在干摩擦測(cè)試工況下的薄膜磨損與脫落情況來(lái)判定其是否失效；而現(xiàn)有齒輪試驗(yàn)裝置較少具有在線齒面圖像判定的功能。因此，結(jié)合圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)固體潤(rùn)滑齒輪性能的在線評(píng)價(jià)應(yīng)是未來(lái)齒輪試驗(yàn)裝置的發(fā)展方向。

2.2 組件級(jí)齒輪試驗(yàn)裝置

實(shí)際航天器中，齒輪多以組件形式出現(xiàn)，如行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、擺線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)因具有回差小、單級(jí)減速比大等特點(diǎn)，被應(yīng)用于各種航天器機(jī)械臂的傳動(dòng)單元和星載天線轉(zhuǎn)動(dòng)單元。諧波減速器利用柔性齒輪產(chǎn)生可控制的彈性變形波，利用剛輪與柔輪的齒間相對(duì)錯(cuò)齒來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)；但受制于材料特性，諧波減速器在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)因磨損導(dǎo)致其傳動(dòng)精度逐漸降低，進(jìn)而給設(shè)備的正常運(yùn)行帶來(lái)巨大的影響。翁立軍等[46]搭建面向XB3-60 扁平式諧波減速器的真空環(huán)境試驗(yàn)裝置，研究了MoS2基、TiN 等固體潤(rùn)滑薄膜對(duì)減速器性能的影響。周暉等[47]對(duì)具有MoS2基復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的XB40-200 型諧波減速器進(jìn)行了長(zhǎng)期熱真空試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)柔輪內(nèi)壁與波發(fā)生器的接觸部位是減速器失效的主要部位。Wang 等[48]面向具有DLC 固體潤(rùn)滑薄膜的諧波減速器設(shè)計(jì)了一種真空高低溫性能測(cè)試裝置（見圖3），實(shí)現(xiàn)了多試樣、變負(fù)載、多扭矩輸出。Ueura 等[49]研制的諧波齒輪減速器試驗(yàn)機(jī)采用真空腔體外置的砝碼加載來(lái)提供測(cè)試所需要的扭矩值，并通過(guò)電壓與扭矩信號(hào)評(píng)估減速器的真空服役性能。

圖3 諧波減速器真空高低溫性能測(cè)試裝置[48]Fig.3 Vacuum and high/low temperature test facility for harmonic reducer[48]

3 總結(jié)與展望

綜上，鑒于空間齒輪組件的高精度、小尺寸特性，其試驗(yàn)裝置以專機(jī)為主；并配置動(dòng)力、負(fù)載和空間環(huán)境模擬裝置，以適應(yīng)不同的測(cè)試需求。通過(guò)理論計(jì)算的方法獲取組件的動(dòng)力負(fù)載曲線，可進(jìn)一步提高試驗(yàn)機(jī)的擬實(shí)度。

目前，世界各航天強(qiáng)國(guó)均針對(duì)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部件的空間應(yīng)用性能評(píng)估需求，研制了具有高真空、極端/寬溫、輻射等多功能的空間環(huán)境因素模擬試驗(yàn)裝置，同時(shí)也研制了面向自潤(rùn)滑軸承和齒輪的空間環(huán)境摩擦磨損試驗(yàn)裝置。上述裝置的研發(fā)有效推動(dòng)了固體自潤(rùn)滑基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部件在航天器中的應(yīng)用，對(duì)于航天裝備性能的提升起到重要的作用，但尚不能完全滿足未來(lái)航天器的服役需求。此外，發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期在軌與地面試驗(yàn)積累了大量的自潤(rùn)滑材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，解決了深空環(huán)境下活動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損問(wèn)題，而我國(guó)針對(duì)自潤(rùn)滑基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究起步較晚，自潤(rùn)滑材料尚未在軌長(zhǎng)期應(yīng)用。而且，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異自潤(rùn)滑材料的服役，不僅需要自潤(rùn)滑材料的發(fā)展，更需要空間環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置的發(fā)展?；诖?，本文對(duì)未來(lái)自潤(rùn)滑基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)空間環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置研究作出以下展望：

1）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期在軌服役，不可避免地受到空間輻射累積影響，產(chǎn)生性能退化。而當(dāng)前試驗(yàn)多采用先輻照、后摩擦學(xué)測(cè)試的方法，與在軌服役工況不符。因此應(yīng)明確運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下自潤(rùn)滑材料所受輻射量對(duì)其性能的退化機(jī)制，進(jìn)而揭示自潤(rùn)滑材料的磨損失效行為，以指導(dǎo)具有空間典型環(huán)境與運(yùn)動(dòng)集成的試驗(yàn)機(jī)研制。

2）采用涂層作為自潤(rùn)滑材料的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部件，以涂層磨穿為其失效判據(jù)。但μm 級(jí)涂層磨損量無(wú)法直接測(cè)量，需通過(guò)其他顯性量（扭矩?cái)?shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、攝影圖像等）來(lái)反映，存在滯后性。因此，應(yīng)基于多維傳感數(shù)據(jù)，建立顯性量與隱性量之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)部件失效的提前預(yù)測(cè)，有效提高試驗(yàn)機(jī)的判定實(shí)時(shí)性和精度。

3）自潤(rùn)滑運(yùn)動(dòng)副作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，其地面模擬測(cè)試常采用組件測(cè)試的方法，費(fèi)時(shí)耗力。因此，應(yīng)基于動(dòng)力學(xué)方法，獲取自潤(rùn)滑運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)負(fù)載曲線，建立具有擬實(shí)功能的最小單元級(jí)測(cè)試試驗(yàn)機(jī)，以有效縮短試驗(yàn)周期，提高研制效率。