Smary stałe do mechanizmów stosowanych w przestrzeni kosmicznej
Przemysł lotniczy i astronautyczny wymaga mechanizmów przenoszenia mocy zdolnych do pracy w temperaturach spadających nawet do -173 stopni Celsjusza. Względny wskaźnik poziomu szumów czujników wzrasta wraz ze spadkiem temperatury. Tego typu środowiska kriogeniczne mogą zapewnić dokładne pomiary, jak te wymagane w spektroskopii dalekiej podczerwieni. Na dzień dzisiejszy przekładnie falowe Harmonic Drive® zapewniają wysoką sztywność i precyzję nawet przy bardzo małych prędkościach, jednak ich stosowanie ogranicza konieczność smarowania olejem lub smarem stałym. Badacze uczestniczący w projekcie HARMLES (Dry lubricated Harmonic Drives for space applications), finansowanym ze środków UE, przyjrzeli się użyciu smarów stałych, aby rozszerzyć ich stosowanie w zakresie temperatur z -170 do 300 stopni Celsjusza. Ze względu na niskie ciśnienie i temperaturę w przestrzeni kosmicznej, zastosowanie smarów ciekłych wiąże się z ryzykiem odgazowania i odparowania. Prowadzi to do utraty właściwości smarnych, a także do osadzania się produktów odgazowywania na czułej powierzchni komponentów optycznych. W przypadku przekładni o wysokich wymaganiach atrakcyjną alternatywą są powłoki cienkowarstwowe na bazie disiarczku molibdenu (MoS2). Na bazie tego związku badacze opracowali zaawansowaną powłokę. Jest to powłoka kompozytowa składająca się z międzywarstwy z węglika wolframu i warstwy zewnętrznej smaru stałego wzmocnionej MoS2. Aby dokonać walidacji zachowania trybologicznego powłoki, przeprowadzono rozległe testy. Były to m.in. testy typu pin-on-disc i zużycia ciernokorozyjnego, które porównano z osiągami różnych typów powłok m.in. na bazie węgla diamentopodobnego. Na podstawie analizy elementów skończonych i symulacji liczbowych kinematyki przekładni, zespół HARMLES przystąpił do przeprojektowywania mechanizmów Harmonic Drive®. Potencjalne zmiany konstrukcyjne szczegółowo opracowano, uwzględniając zdatność smarowania suchego. W trakcie realizacji projektu zespół HARMLES doprowadził do 20-krotnego zwiększenia osiągalnej wytrzymałości przekładni, a także do uzyskania zgodności charakterystyki prototypów z wymogami określonymi przez przemysł astronautyczny: W testach w komorze próżniowej, przy momencie obrotowym wynoszącym 4 Nm, uzyskano okresy życia nawet do 20 000 obrotów wyjściowych (częściowo nawet bez uszkodzeń po zakończeniu testu, w porównaniu do kilkuset obrotów na początku projektu). W przeciwieństwie do przekładni HD smarowanych smarem stałym, krzywa sprawności mechanizmu w czasie testu wytrzymałości w komorze próżniowej była niemal stała przez cały czas trwania testu. Projekt HARMLES zwiększy konkurencyjność europejskiego przemysłu astronautycznego, który jest już zainteresowany tym wynalazkiem. Po opublikowaniu kilku artykułów liczba zapytań wysyłanych przez firmy już wzrosła. Wciąż jednak pozostaje miejsce na ulepszenia. Oczekuje się, że wkrótce pojawią się firmy typu spin-off zajmujące się zastosowaniami wysokopróżniowymi w sektorze półprzewodników i środowisku kriogenicznym w dużych laboratoriach testowych, jak choćby Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY).
Słowa kluczowe
Smary stałe, przekładnia falowa Harmonic Drive®, przenoszenie mocy, środowisko kriogeniczne, disiarczek molibdenu, analiza elementów skończonych, trybologia, tarcie i zużycie
