500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST)是国家“十一五”重大科技基础设施建设项目，是全球最大的单口径射电天文望远镜，已于2020年1月通过国家验收，正式进入观测运行阶段。FAST具有3项自主创新技术^[1-2]：1) 利用贵州喀斯特洼坑作为台址；2) 可主动变形的反射面；3) 采用六索并联拖动的柔性轻型馈源支撑。这些自主创新技术使FAST的工作原理完全不同于传统的全可动射电望远镜和Arecibo射电望远镜，尤其是后2项自主创新技术决定了FAST的大部分设备和零部件在望远镜工作状态下都处于一种大幅度的反复运动或循环加载过程中，使FAST设备运维的工作难度远远大于传统的射电望远镜，其长期运行面临耐久性和安全性的艰巨考验。

反射面系统是FAST的两大主要结构和机械系统之一，由圈梁格构柱、索网、反射面单元和液压促动器等主要支撑结构或关键部件构成，特点是设备数量庞大、分布地域广、分布高度高以及长期暴露于野外工作环境中^[3]。因此，FAST设备运维任务中的一项主要内容就是反射面系统设备的巡检和维护。根据近3年的统计，反射面系统的运维工作主要包括：对液压促动器(含电控箱)的检修和更换、促动器锚墩的拔出及修复、索网主索外套修复、下拉索修复更换、圈梁格构柱和主索索头的防腐蚀处理、高强螺栓断裂及更换、反射面单元受损及修复、反射面面形的标定、索网等主体支撑结构的实时安全评估等。此外，还包括对附属设施的修复处理、附属电缆和光纤的修复、索力传感器的修复、关键结构构件焊缝探伤，以及对所有设备和零部件的每日巡查等。除此之外，在日常的运维过程中还产生了大量的设备运行日志和设备状态监测等数据资料，需要工作人员进行统计分析，进一步掌握各种设备运维的规律和正常运行状态。反射面系统运维的工作十分繁重，对工作人员的专业素质也提出了很高的要求。

反射面设备承受循环加载的各种观测工况，使相当数量的重要零部件和设备容易产生润滑失效、磨损、变形断裂、疲劳失效和油液清洁度变差等问题，需要及时发现并处理。反射面设备数量庞大、分布地域广且长期暴露于野外环境中，使设备运维极易受到各种外来因素的影响，包括但不限于地质灾害，酸雨腐蚀，沙尘、冰雹、浓雾、高温、暴雨、霜冻等恶劣天气，输电网电压波动，以及生物入侵等。例如，2017年5月，一块体积约1 m³的危石在暴雨后滚落，导致1台促动器和7块反射面单元受损；突发的雹灾也会导致反射面面板凹凸不平，增大面形误差；在电控箱里建窝的蚂蚁也会造成促动器电路短路和跳闸。

本文主要关注由循环加载等工况和运动部件润滑失效所造成的反射面单元故障和损伤问题，该类问题与反射面单元的自适应连接机构有密切关系^[4]。该自适应连接机构是一种完全创新产品，除FAST外没有现成的应用实例可供参考，需要在“故障—改进—更新”的循环中不断完善原有的产品设计和安装工艺。润滑对自适应连接机构非常重要，但因自适应连接机构长期暴露在野外环境中，随着工作时间增加，润滑性能下降，甚至失效，导致其无法通过内部滑动消解反射面主动变形时的相对位置变化，进而损坏反射面单元。因此，需要建立反射面单元及自适应连接机构的力学模型，对其在最不利情况下的承载进行计算，分析判断反射面单元故障的原因、机理和表象形式，从而有针对性地改进产品设计和工艺，提高产品寿命。期望通过本研究完善反射面单元的日常巡检工作，提高对反射面单元预测性维护的能力，满足FAST运维工作需求。

1 反射面单元组成及其工作原理

FAST反射面采用柔性索网作为主要支承结构和主动变形的关键部件^[5-11]。索网结构共包括6 670根主索、2 225根下拉索和2 225个索网节点盘。每根下拉索和每台液压促动器连接并锚固于地面基墩。每个节点盘和相邻6根主索相互连接，共同编织形成巨大的主索网，是FAST反射面球面面形的基础，如图 1所示。通过协调控制2 225台液压促动器的伸缩运动，进而带动主索和节点盘运动，可以实现反射面面形的改变，如基准球面(曲率半径300 m)和天文观测所需的各种指向的旋转抛物面(口径300 m)等。

主索网构成的曲面面域主要采用短程线分割方法^[6-7]，被划分为4 300个近似等边三角形域和150个边缘四边形域，每个节点盘均位于这些三角形和四边形的顶点位置。主索网的每个三角形域和四边形域均安装全铝合金反射面单元，覆盖整个面域，构成FAST反射面。其中，三角形单元边长约11 m，质量约450~480 kg。每个反射面单元包括面板、背架和自适应连接机构3部分，如图 2所示。其中背架为空间桁架，是单元主体的承载结构。相邻反射面单元之间留有约65 mm的间隙，保证反射面面形改变时相邻单元不会发生碰撞干涉^[12]。

反射面单元的每个顶点分别通过1个自适应连接机构与其对应的索网节点盘进行约束连接。对于三角形单元而言，不同顶点连接的不同自适应连接机构可分为0#、1#和2#3种连接机构^{[4, 13]}。自适应连接机构包括节点轴和关节轴承两大主要部件，如图 2b所示。节点轴为刚性连杆，其中一端膨大为球节点，与反射面单元背架结构的3根杆件连接，另一端连接关节轴承。关节轴承基座与节点盘连接，其中0#连接机构的关节轴承只有1个球面副，约束3个平动自由度；1#连接机构的关节轴承包含1个球面副和1个滑动副，约束2个平动自由度；2#连接机构的关节轴承简化为节点轴端部的球铰滑动支撑座，可在节点盘的上部盘平面内自由滑动，因此仅约束1个平动自由度。当FAST反射面面形发生改变时，索网各节点盘之间将产生相对位移，反射面单元将这种位移转化为0#和1#自适应连接机构的球面副运动、滑动副运动和2#连接机构滑动支座在节点盘上的相对滑动。由此可见，正常情况下反射面单元与索网之间的约束关系为静定简支约束，如图 3所示，单元与索网之间的相对位置变化不会引起单元附加内力。

反射面单元背架结构、索网节点盘和单元自适应连接机构之间按一定方式和规律相互连接。其中节点盘分为上部盘和下部盘，下部盘连接6根索网主索和1根下拉索，上部盘连接6个自适应连接机构。6个自适应连接机构分别对应6个反射面单元背架的端部。每一个索网节点盘上的6个自适应连接机构的种类和分布位置遵循一定的规律，如图 4所示，按照“0-1-2-0-1-2”顺时针方向间隔排列，确保每块三角形反射面单元均通过0#、1#和2# 3种不同自适应连接机构与索网进行连接，且在反射面变形时最大程度上避免相邻单元的碰撞^[9]。

三角形反射面单元具有2种布置形式，一种是三角形正置模式，1#连接机构在上方，下方左右分别为2#连接机构和0#连接机构；另一种是三角形倒置模式，1#连接机构在下方，上方左右分别为0#连接机构和2#连接机构。无论是正置模式，还是倒置模式，单元均存在一定倾角，倾斜方向朝下，1#连接机构的节点轴的滑动方向均指向反射面中心。在反射面中心附近的单元倾角接近于0°，距离中心越远，倾角越大，最大的倾角接近于60°。所有单元均有一条边接近于水平线(倾角接近于0°)，由此可将单元划分为多个水平环圈，环圈内单元的倾角基本相同。

当反射面主动变形时，索网和反射面的面形在基准球面和抛物面之间进行转换。如果一块反射面单元处于抛物面口径内，其自适应连接机构随着面形变化会发生相对于节点盘的运动，其运动方向与单元在抛物面内所处位置有关。如图 5所示，当反射面单元位于抛物面中心区域时，反射面面形所代表的弧线长度增加，该运动表现为相邻节点盘位置的相互远离；当其位于抛物面边缘环形区域时，反射面面形所代表的弧线长度减少，该运动表现为相邻节点盘位置的相互靠近。以0#连接机构的关节轴承作为参考系的不动点，观察反射面单元在单元平面内的运动：在相互远离模式下，正置三角形单元的运动表现为绕0#连接机构的关节轴承逆时针旋转，同时1#连接机构的节点轴相对于关节轴承向下滑动；在相互靠近模式下，正置三角形单元的运动表现为绕0#连接机构的关节轴承顺时针旋转，同时1#连接机构的节点轴相对于关节轴承向上滑动，如图 6所示。同理，可以推出倒置三角形单元在单元平面内的运动：在相互远离模式下，其运动表现为0#连接机构的关节轴承逆时针旋转，同时1#连接机构的节点轴相对于关节轴承向上滑动；在相互靠近模式下，运动表现为0#连接机构的关节轴承顺时针旋转，同时1#连接机构的节点轴相对于关节轴承向下滑动，如图 7所示。

值得指出的是，连接机构节点轴因承受轴承座传来的横向载荷，其末端的球节点需承受横向力导致的弯矩作用，特别是1#连接机构末端的球节点，需同时承受由单元自重引起的平面外弯矩和由相对滑动引起的单元平面内弯矩。该球节点与反射面单元背架的2根上弦杆和1根外斜向腹杆通过螺栓相连接，由节点轴传递来的弯矩主要靠这3根杆件螺栓的剪力进行抵抗，即如图 2a所示情形，其中平面外弯矩由腹杆螺栓剪力承受，平面内弯矩由上弦杆螺栓剪力承受。从3节的分析可以看出，平面内弯矩远大于平面外弯矩，因此在平面内抗弯方面，该球节点是整个反射面单元的承载薄弱环节，成为后续建模分析的一个着重点。

2 单元故障和损伤情况

2019年1月下旬开始，FAST维保人员在现场陆续发现约100块正置三角形反射面单元出现故障和损伤现象，具体表现如下：1) 单元下滑并撞上相邻单元，导致单元间间隙异常，即间隙消失或增大的现象。2) 所有故障单元均被发现1#连接机构末端的球节点相对于单元背架存在局部平面内转动，导致与其连接的3根背架杆件受损或有明显变形现象；部分受损较严重的单元与1#连接机构连接的背架杆件螺栓断裂，球节点和与其相连接的杆件脱离。3) 1#和2#连接机构严重偏离(球面基准态)中心位置，复位困难，如图 8—10所示。其中：图 8显示故障单元的间隙消失或增加，正常情况下，单元间隙约65 mm，且均匀等宽；图 9显示故障单元的背架杆件有明显的弯曲变形甚至断裂的情况；图 10分别显示1#和2#连接机构的节点轴在故障状态和正常状态下的位置对比，在故障状态下节点轴位置严重偏离中间位置。

截至2019年8月，上述故障与损伤单元均为正置三角形单元，且故障单元均分布在反射面单元倾角为15°~30°区域内，大部分故障单元的倾角约为20°。在反射面中心附近(单元倾角小于10°的区域)和反射面边缘区域(单元倾角大于40°的区域)很少有故障单元存在。目前尚未发现倒置三角形单元出现故障和损伤的现象，但发现少部分倒置单元的2#连接机构的节点轴有偏离门架中心位置的现象。

3 三角形反射面单元承载的力学模型

三角形反射面单元的承载情况为单元3个端部分别支撑于索网节点盘上，伴随索网面形的改变，单元被动地产生相对于节点盘的滑动。为建立力学分析模型，进行以下合理简化和假设：

1) 反射面单元背架简化为平面三自由度刚体，单元背架轮廓简化为等边三角形，根据单元安装位置分为正置三角形单元和倒置三角形单元。

2) 自适应连接机构的节点轴均沿反射面单元三角形内角的角平分线方向伸出。

3) 在球面基准态，与1#连接机构相对的单元三角形底边平行于水平面。

4) 1#连接机构球节点与背架杆件的连接不再视为刚性连接，在侧压力及其弯矩作用下球节点相对于单元背架在单元平面内可以产生一定的转角。

5) 忽略0#和1#连接机构球面副的摩擦力、2#连接机构滑动支座与节点盘的摩擦力，1#连接机构滑动副的摩擦力与节点轴所承受的横向力成正比。

第1条刚体简化假设符合反射面单元正常工作的实际情况。望远镜反射面的性能要求决定了单元面板必须保持良好的面形精度，因此单元背架结构由自重轻、刚度大的空间网架构成，单元滑动正常情况下的结构变形远小于单元刚体位移情况下的结构变形。第2条和第3条符合现有反射面单元设计和安装的基本情况。第4条反映了单元出现故障后的基本现象。第5条也符合球面副和滑动副的设计要求。

基于上述简化和假设，可构建单元承载的力学分析模型和计算公式，力学模型如图 11所示。

对于正置三角形单元，建立单元在平面内承载的方程组，可表示为

$\left\{\begin{array}{l} N_1+N_2 \times \sqrt{3}=0, \\ -F \cos \alpha-P \sin \alpha+N_1=G \times \sin \theta, \\ -F \sin \alpha+P \cos \alpha+N_2=0, \\ F=\pm \mu \sqrt{P^2+\left(\frac{G}{3} \cos \theta\right)^2} . \end{array}\right.$

(1)

其中：μ为滑动副的摩擦系数，F、P分别为1#连接机构节点轴的摩擦力和平面内横向压力，N₁、N₂分别为1#连接机构关节轴承座的2个方向的约束力，G为反射面单元自重，θ为反射面单元的倾角，α为1#连接机构的节点轴在P作用下反射面单元平面内产生的偏转角。

式(1)中前3个方程为单元的静力平衡条件，第4个方程反映了节点轴P与F的关系；正负号取值与1#连接机构的节点轴滑动趋势相关，当1#连接机构的节点轴下滑时取负号，上滑时取正号；$ \frac{G}{3} \cos \theta$为在垂直于单元平面方向的节点轴受到的横向力，由单元平面外的静力平衡条件推导得到。

显然，α的取值与单元和节点盘的相对滑动量大小密切相关。将α作为变化参数，观察其与方程解的关系，将式(1)中的方程组进行合并简化，消去N₁、N₂和F后得

$A \cdot P^2+B \cdot P+C=0 \text {. }$

(2)

式(2)为包含参数变量α的一元二次方程，其中A、B、C为方程的各项系数，可分别表示为

$\left\{\begin{array}{l} A=\cos ^2\left(60^{\circ}+\alpha\right)-\mu^2 \cos ^2\left(60^{\circ}-\alpha\right), \\ B=-\sin \theta \cos \left(60^{\circ}+\alpha\right) G, \\ C=G^2\left[\frac{\sin ^2 \theta}{4}-\mu^2 \cos ^2 \theta \frac{\cos ^2\left(60^{\circ}-\alpha\right)}{9}\right] . \end{array}\right.$

(3)

求解式(3)中方程可得单元平面内节点轴横向压力P，即

$P=\frac{-B \pm \sqrt{B^2-4 A C}}{2 A} .$

(4)

将P代入式(1)可求得F。因B≤0, 当式(4)中的正负号取负号时，P的绝对值较小，相邻节点盘相互远离，即1#连接机构节点轴相对于关节轴承向下滑的情况；当式(4)中的正负号取正号时，P的绝对值较大，对应于相邻节点盘相互靠近，即1#连接机构节点轴相对于关节轴承向上滑动的情况。由此可见，正置三角形单元的1#连接机构节点轴在沿上下2个方向滑动时，所承受的P不同。向下滑动时，P较小，相应的节点轴所承受的F也较小，因此向下滑动相对于向上滑动较为容易。

同理，对于倒置三角形单元，建立单元在平面内承载的方程组，可表示为

$\left\{\begin{array}{l} N_1+N_2 \times \sqrt{3}=0, \\ -F \cos \alpha+P \sin \alpha+N_1=G \times \sin \theta, \\ F \sin \alpha+P \cos \alpha+N_2=0, \\ F=\pm \mu \sqrt{P^2+\left(\frac{G}{3} \cos \theta\right)^2} . \end{array}\right.$

(5)

其中：第4个方程也反映了节点轴P与F的关系，正负号取值与1#连接机构节点轴滑动趋势相关，当节点轴下滑时取负号，上滑时取正号。同样，将α作为变化参数可以得到式(2)所代表的一元二次方程，从而得到类似于式(4)的节点轴P的表达式，即

$P=\frac{-\bar{B} \pm \sqrt{\bar{B}^2-4 \bar{A} \bar{C}}}{2 \bar{A}}, $

(6)

$\left\{\begin{array}{l} \bar{A}=\cos ^2\left(60^{\circ}-\alpha\right)-\mu^2 \cos ^2\left(60^{\circ}+\alpha\right) \\ \bar{B}=-\sin \theta \cos \left(60^{\circ}-\alpha\right) G \\ \bar{C}=G^2\left[\frac{\sin ^2 \theta}{4}-\mu^2 \cos ^2 \theta \frac{\cos ^2\left(60^{\circ}+\alpha\right)}{9}\right] \end{array}\right.$

(7)

其中：A、B、C也是一元二次方程的各项系数，但表达式与正置三角形单元情况不同。由式(6)解出P后，可进一步得到F。因B≤0，当式(6)中的正负号取负号时，P的绝对值较小，对应于相邻节点盘相互靠近的情形，即1#连接机构节点轴相对于关节轴承向下滑动的情况；当正负号取正号时，P的绝对值较大，对应相邻节点盘相互远离的情形，即1#连接机构节点轴相对于关节轴承向上滑动的情况。由此可见，倒置三角形单元的1#连接机构节点轴在沿上下2个方向滑动时，所承受的P也是不同的。向下滑动时，P较小，相应的F也较小，因此向下滑动相对向上滑动较为容易。

4 自适应连接机构故障判断及原因分析

观察式(4)和式(6)，可知影响节点轴P和F的因素包括θ、μ和α，其中，μ和α分别反映连接机构的润滑情况和1#节点轴球节点扭转弹簧的抗弯刚度。为了更清楚地显示P与μ和α的函数关系，令θ=20°，G取值4 800 N，分别取μ=0、0.1、0.3，α在[0°, 10°]内以2°间隔变化。将这些量进行组合，分别求解P，画出正置单元和倒置单元的1#连接机构在上下2个方向滑动时节点轴P的变化曲线，如图 12所示。

由图 12可知：

1) 当μ=0时，1#连接机构沿上下2个方向的滑动没有差异，所承受的P大小一致；随着μ的增大，1#连接机构沿上下2个方向的滑动差异越来越大，即沿2个方向滑动所承受的P差值越来越大。相应的，由式(1)方程组可知，F的差值也越来越大，节点轴相对于关节轴承上行滑动的阻力远大于下行滑动的阻力。

2) 正置三角形单元的P随α的增大呈单调递增趋势，倒置三角形单元的P随α的增大呈单调递减趋势。这表明正置三角形单元的1#连接机构比倒置三角形单元的1#连接机构更易出现故障，而且倒置三角形单元的1#节点轴复位到基准球面位置比正置三角形单元容易。

3) P随μ的变化趋势。在相同摩擦系数下，无论是正置三角形单元，还是倒置三角形单元，1#连接机构的节点轴上行滑动时所承受的P总是大于下行滑动的P；随着μ的增大，二者的差值也越来越明显，因此2种不同的滑动趋势所承受的F也存在同比例的差值。

通过上述分析可知，反射面单元的故障和损坏问题主要体现在2个方面：一方面，正置三角形单元1#节点轴在下行滑动到极限时，不仅受到很大的P，同时P力臂也最大，并在球节点产生最大的附加弯矩；若润滑性能变差(μ增大)，将进一步放大这个效应，而球节点抗弯正是整个单元的薄弱环节，当超过球节点的抗弯极限时，最终将导致连接螺栓断裂和背架杆件变形，即图 9所示情形。另一方面，1#连接机构节点轴在上行和下行滑动时2个方向的F间的差异导致单元在反射面面形循环变化时逐渐偏离原来的中间位置，向阻力更小的下行滑动方向偏移，直至极限位置，而润滑性能下降将进一步加快这个趋势，导致单元复位困难。上述因素叠加在一起，最终导致1#连接机构节点轴卡滞在下行滑动的最低位置，造成单元难以恢复到球面基准态位置(见图 10)、反射面单元间隙异常(见图 8)、球节点连接杆件和螺栓受损(见图 9)。相对而言，润滑性能降低(μ增大)对正置三角形单元的影响更大，因此正置三角形单元出现故障的概率大于倒置三角形单元，其故障的严重性也大于倒置三角形单元。这也是截至2021年底尚未发现倒置三角形单元出现明显故障的原因，但倒置三角形单元同样也会因为上述原因出现故障，若不及时处理，经过一段时间后，倒置三角形单元也将大批量出现类似的故障和损伤现象。

除此之外，由式(4)和式(5)可推断，若θ小于10°，F和P均明显减小，则反射面单元不易出现故障。在反射面的变形中，大多数都是由处于球面或抛物面外缘的单元滑动所导致的。若θ大于40°，单元的位置在反射面边缘区域，其滑动的频繁程度不及中心区域和中间区域单元，一旦滑动也主要以节点盘相互靠近和单向的1#连接机构节点轴上行滑动为主。在上行滑动时尽管P很大，但力臂减小了，所以1#连接机构的球节点承受的弯矩并不大。从图 12可推断出，若单元先进行上行滑动，再进行下行滑动，1#连接机构节点轴的复位相对比较容易，因为下行滑动复位的滑动阻力较第一次的上行滑动明显减小，此亦为故障单元大多分布在反射面中间区域的原因。中间区域是面形切换过程中抛物面顶点频繁经过的区域，反射面单元滑动更加频繁，其滑动循环包含了完整的上行和下行滑动。

通过上述分析，可知自适应连接机构故障有以下现象：

1) 因单元下滑比上滑容易，导致单元缝隙变窄、消失或缝隙不均匀。

2) 2#连接机构的滑动支座偏移，远离门架中心位置，为第1条的伴生现象。

3) 1#连接机构的节点轴下滑到极限位置，由润滑性能变差导致卡滞或复位困难。在反射面主动变形时，会发出断断续续的摩擦声，下雨后因μ变小可暂时缓解。

4) 由于润滑性能变差，导致球节点承受弯矩过大、球节点腹杆弯曲变形、1#连接机构的节点轴有偏转角且腹杆与节点轴不在同一竖向平面内。

5) 由于润滑性能变差，球节点承受弯矩过大导致球节点杆件螺栓断裂。

维护人员通过肉眼观察或倾听声音判断是否存在上述现象，进而判断故障是否存在及其严重性，一旦发现上述现象，均应立即上报相关部门，及时进行维修处理。若球节点杆件螺栓断裂，说明故障已经相当严重，除了上报外，还需立即对单元进行临时绑扎处理，用柔性绑带临时代替断裂的杆件，此举可暂时保护故障单元，避免损伤进一步扩大。为减少故障的发生，需要采取根本的改进措施，包括提高连接机构的润滑性能和改进自适应连接机构的布局方式。

5 自适应连接机构设计改进

综上所述，未来对自适应连接机构的改进应从两方面同时入手：一方面，改善产品的润滑性能，特别是1#连接机构滑动副的润滑性能，开发在野外环境下寿命长的自润滑产品；另一方面，增强1#连接机构节点轴的球节点的抗弯刚度，或降低1#连接机构节点轴在滑动中所承受的节点轴横向压力，达到降低球节点所承受的弯矩的目的。

为提高球节点的抗弯刚度，可采取如下方式：增大球节点半径、增强螺栓抗剪性能，以及增强与背架杆件的连接或对球节点进行补强等。特别是对球节点进行补强的方式对现有产品的改动最小，维修维护较为容易。缺点是不能从根本上改善球节点弯矩过大的问题，可能难以抵抗长时间往复运动造成的疲劳损伤，一旦球节点补强结构受到损伤或者当连接机构润滑变差时，依旧会发生先前的故障，因此需要定期检查维护。

为降低球节点弯矩，可以改变目前的自适应连接机构的布局，将1#和0#连接机构的位置互换，如图 13和14所示。

改进后，连接机构在节点盘上的布局从改进前的顺时针“0-1-2-0-1-2”排列变为顺时针“1-0-2-1-0-2”排列，尽管1#和0#连接机构进行了位置交换，但是没有改变“0-1-2”间隔排列的本质。文[4]对相邻连接机构可能发生碰撞的问题进行了分析，建议采取最优布置措施——“0-1-2”间隔排列，即同一个节点盘上的6个连接机构中相同种类的连接机构不相邻，且左右均间隔2个连接机构。这种措施在改进后的布局中依然有效，即不会导致相邻单元发生碰撞的问题。

改进后的连接机构布局方式最大的优点是保证了单元重心与0#连接机构基本在同一竖直平面内，极大地降低了由单元自重所致的平面内弯矩，1#连接机构球节点承受的平面内弯矩接近0，可大大降低对连接机构润滑性能的要求，也可大幅提高产品寿命。缺点是需重新设计并更换原来的0#和1#连接机构产品，产品改造工作量较大，产品加工和更换周期较长。上述2种改进方式，即球节点补强和改进连接机构布局方式可视情况而定，也可采取二者结合的方式进行改进。若维护工期紧张，可先采取球节点补强方式暂时改善产品性能，为产品更换争取时间，之后实施连接机构布局方式改进方案。

6 结论

本文对FAST三角形反射面单元滑动故障和结构损伤原因进行了力学建模与分析，指出1#连接机构由润滑失效导致摩擦系数增大，以及不合理的3种自适性连接机构布局方式是目前发生反射面单元故障的根本原因。分析结果能够合理地解释已出现的故障和损伤现象的原因，并提出了在反射面单元日常巡检中有效判断故障的方法。

针对故障产生的原因，提出了有效的改进措施，包括：1) 改善1#连接机构滑动副的润滑性能，开发在野外环境下寿命长的自润滑产品。2) 改进反射面单元3种连接机构的布局方式。3) 增强1#连接机构球节点的抗弯刚度。其中前2条是解决现有问题的根本性措施。

本文尚未通过试验获得1#连接机构滑动副的真实摩擦系数，因此力学分析模型得到的结果与实际情况可能存在一定的差异，尚需进一步验证，这也是为本研究下一步需要完善的工作。研发在野外环境下寿命长的有自润滑能力且摩擦系数低于一定临界值的新型1#连接机构，将是下一阶段最为紧迫的任务。