航天長(zhǎng)壽命軸承潤(rùn)滑技術(shù)

孫小波，王楓，葛世軍，張弘毅，王子君

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

軸承及軸承單元決定了航天器的精度、壽命與可靠性，是航天器中的關(guān)鍵零部件。軸承的潤(rùn)滑是實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵因素，絕大多數(shù)軸承失效是因潤(rùn)滑失效引起的。航天軸承潤(rùn)滑技術(shù)與常規(guī)軸承潤(rùn)滑技術(shù)相比具有其特殊性，主要表現(xiàn)在空間潤(rùn)滑材料、環(huán)境及運(yùn)動(dòng)工況與大氣環(huán)境迥異，通常涉及超高真空、高低溫交變、高低速和多次啟-停等[1]；且航天器一旦發(fā)射出去，不可能再補(bǔ)充潤(rùn)滑油。因此，對(duì)航天軸承而言，要求其具有低摩擦、高精度、長(zhǎng)壽命和高可靠性，必須時(shí)刻保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)。這種需求給軸承的材料和設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)，特別是在潤(rùn)滑系統(tǒng)上[2]。

1 航天長(zhǎng)壽命軸承潤(rùn)滑特點(diǎn)

1.1 航天軸承潤(rùn)滑的特殊性

航天軸承的特殊工況及低摩擦、長(zhǎng)壽命和高可靠性需求決定了其不能采用常規(guī)的潤(rùn)滑技術(shù)，而是采用固體潤(rùn)滑技術(shù)或一次性稀油潤(rùn)滑技術(shù)，潤(rùn)滑方式較為特殊。對(duì)于高速精密長(zhǎng)壽命軸承，如動(dòng)量輪用軸承，國(guó)內(nèi)、外均采取一次性稀油潤(rùn)滑技術(shù)，即保持架采用多孔材料，保持架除了在軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)使?jié)L動(dòng)體相互分離外，還以多孔形式作為潤(rùn)滑油來(lái)源或載體，具有重要的作用[3-4]。

1.2 航天長(zhǎng)壽命軸承的潤(rùn)滑原理

航天長(zhǎng)壽命軸承采用的多孔材料保持架是將聚合物樹(shù)脂或含棉纖維的樹(shù)脂經(jīng)特殊工藝壓制燒成型，最后將潤(rùn)滑油壓入微孔材料內(nèi)制成。該保持架具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，內(nèi)部或表面有微孔，含潤(rùn)滑油的微孔成為潤(rùn)滑油相互流通的通道。

軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持架同向運(yùn)轉(zhuǎn)，由于受到離心力，多孔材料保持架內(nèi)的潤(rùn)滑油有向外轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)；同時(shí)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦產(chǎn)生的熱量使保持架出現(xiàn)溫升，而潤(rùn)滑油的體積膨脹系數(shù)較保持架材料大，保持架材料內(nèi)部微孔內(nèi)所含潤(rùn)滑油的體積膨脹量比微孔體積增加量大，產(chǎn)生一種壓迫潤(rùn)滑油向外表面滲透的內(nèi)壓力，在這兩種力的作用下潤(rùn)滑油從多孔材料內(nèi)溢出至表面。隨著保持架溫度的升高，內(nèi)部潤(rùn)滑油黏度降低，其流動(dòng)性增強(qiáng)，潤(rùn)滑油向滾動(dòng)體表面轉(zhuǎn)移的速率加快。滾動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將保持架表面潤(rùn)滑油轉(zhuǎn)移到接觸的滾道面上，逐漸形成一層油膜，把相互接觸的表面隔開(kāi)從而起到潤(rùn)滑作用[3]。

多孔材料保持架的獨(dú)特之處在于其具有回收潤(rùn)滑油的能力，保持架材料內(nèi)微孔對(duì)潤(rùn)滑油產(chǎn)生的毛細(xì)管力大小與微孔直徑成反比，與潤(rùn)滑油和多孔材料之間的表面張力成正比，該力阻止保持架內(nèi)潤(rùn)滑油的過(guò)快流失。當(dāng)軸承停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)部溫度降低，同樣由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，在微孔內(nèi)形成負(fù)壓，將相接觸的多余潤(rùn)滑油吸入到保持架孔內(nèi)。在轉(zhuǎn)速、載荷、溫度及潤(rùn)滑油特性等外界條件一定時(shí)，通過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)建立一種動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)出油與吸油速率相等，油膜厚度穩(wěn)定，這是一種理想的平衡狀態(tài)，多孔材料保持架進(jìn)入了平穩(wěn)工作區(qū)。

裝有多孔材料保持架的航天長(zhǎng)壽命軸承潤(rùn)滑油的流動(dòng)過(guò)程為：保持架→滾動(dòng)體→滾道→滾動(dòng)體→保持架。

1.3 航天長(zhǎng)壽命軸承多孔材料保持架

目前，航天長(zhǎng)壽命軸承主要采用多孔聚酰胺材料保持架、多孔棉布-酚醛材料保持架和多孔聚酰亞胺材料保持架。

1.3.1 多孔聚酰胺材料保持架

1959年美國(guó)麻省理工學(xué)院最先研制出具有相互貫通微孔的多孔尼龍材料，隨后多孔聚酰胺材料保持架成功應(yīng)用于美國(guó)Titan-2型陀螺軸承中。在相對(duì)濕度為50%時(shí)，干燥的多孔尼龍材料可吸收3%w/w的水分，浸滿(mǎn)油后只能吸收0.6%w/w的水分，表明只有很少的水分可以進(jìn)入已經(jīng)充滿(mǎn)潤(rùn)滑油的材料內(nèi)。

與多孔棉布-酚醛保持架材料相比，其含油率較高且可以形成從保持架到滾道面和再?gòu)臐L道面返回保持架的循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)[4]。但該材料存在不能根據(jù)需求獨(dú)立地調(diào)節(jié)或改變孔徑或總孔容、阻力較大、化學(xué)穩(wěn)定性與耐溫性差、摩擦學(xué)性能不佳、耐空間環(huán)境狀況差等缺點(diǎn)，限制了其更廣泛的應(yīng)用。

1.3.2 多孔棉布-酚醛材料保持架

多孔棉布-酚醛材料以棉布為基材，酚醛樹(shù)脂為粘合劑，熱反應(yīng)型發(fā)泡劑為成孔劑，采取熱輾壓及燒結(jié)工藝制成管狀材料。其利用棉纖維的毛細(xì)管作用儲(chǔ)備并將潤(rùn)滑油輸送到保持架表面，從而起到長(zhǎng)期潤(rùn)滑作用，其耐熱性?xún)?yōu)于多孔聚酰胺保持架材料，尺寸穩(wěn)定性較高，是傳統(tǒng)的多孔保持架材料。

多孔棉布-酚醛保持架材料對(duì)水分十分敏感，尚未浸油的多孔棉布-酚醛保持架材料暴露在一定濕度的空氣中時(shí)，會(huì)因吸濕而使材料膨脹并阻止材料中與棉纖維相連的毛細(xì)孔對(duì)油的吸收，且多孔棉布-酚醛材料保持架的直徑增加0.2%～0.4%[5]，保持架尺寸變大而緊貼軸承外圈[6]。完全浸油后的多孔棉布-酚醛材料保持架暴露在一定濕度的空氣中時(shí)，由于吸濕而迫使其毛細(xì)孔中高達(dá)1/3～1/2的潤(rùn)滑油流出。因此多孔棉布-酚醛材料保持架在制造、浸油、軸承的安裝以及儲(chǔ)藏時(shí)應(yīng)盡量免受空氣濕度的影響。

此外，多孔棉布-酚醛保持架材料還存在材料孔隙率、含油率和含油保持率相對(duì)較低的弊端，限制了其應(yīng)用。

1.3.3 多孔聚酰亞胺材料保持架

多孔聚酰亞胺材料保持架以聚酰亞胺模塑粉為原料，采用冷壓自由燒結(jié)或定容燒結(jié)工藝制成。內(nèi)部具有貫穿的通孔，其孔隙率、孔徑及分布可通過(guò)改變制備工藝進(jìn)行控制，采用不同粒度的模塑粉和調(diào)節(jié)成型工藝參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)孔徑和孔隙率的精確控制[3]。

多孔聚酰亞胺保持架材料較多孔棉布-酚醛與多孔聚酰胺保持架材料化學(xué)穩(wěn)定性及耐溫性好、摩擦磨損性能優(yōu)異、機(jī)械強(qiáng)度高、空間環(huán)境耐受性好，含油率和含油保持率較高且可控可調(diào)，能夠在軸承使用過(guò)程中提供良好持續(xù)的潤(rùn)滑，成為研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。

美國(guó)Dixon公司[7]和洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司生產(chǎn)的多孔聚酰亞胺保持架材料部分性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 多孔聚酰亞胺保持架材料性能對(duì)比

2 長(zhǎng)壽命補(bǔ)充供油技術(shù)

2.1 長(zhǎng)壽命補(bǔ)充潤(rùn)滑的必要性

航天長(zhǎng)壽命軸承多孔材料保持架中潤(rùn)滑油存在的散失或變質(zhì)問(wèn)題使?jié)櫥芷诳s短，這主要是由于：(1)在離心力作用下，有一部分潤(rùn)滑油向軸承滾道外散失，不能繼續(xù)潤(rùn)滑軸承；(2)在真空條件下，潤(rùn)滑油蒸發(fā)加劇，部分潤(rùn)滑油散失；(3)在工作過(guò)程中，潤(rùn)滑油還會(huì)發(fā)生化學(xué)變化生成非潤(rùn)滑物質(zhì)，在高溫環(huán)境下這一現(xiàn)象更為明顯。同時(shí)航天器的任務(wù)周期越來(lái)越長(zhǎng)，如NASA的空間探測(cè)器任務(wù)周期為30年[8]，這對(duì)潤(rùn)滑壽命提出了更加苛刻的要求，單靠多孔材料保持架中的浸油量無(wú)法滿(mǎn)足需求，必須發(fā)展長(zhǎng)壽命補(bǔ)充供油技術(shù)。

2.2 長(zhǎng)壽命補(bǔ)充潤(rùn)滑的原理及常用結(jié)構(gòu)形式

為了有效延長(zhǎng)軸承及航天器壽命，在航天軸承的安裝部位設(shè)計(jì)供油系統(tǒng)，如儲(chǔ)油器、儲(chǔ)油箱及泵輔系統(tǒng)[9-10]，利用控油技術(shù)使內(nèi)部的潤(rùn)滑油緩慢流向軸承，補(bǔ)充散失或變質(zhì)的潤(rùn)滑油。

根據(jù)工作特征，航天器中潤(rùn)滑系統(tǒng)可分為無(wú)源潤(rùn)滑系統(tǒng)和有源潤(rùn)滑系統(tǒng)[2]。無(wú)源潤(rùn)滑系統(tǒng)是在離心力或表面遷移力驅(qū)使下給軸承持續(xù)不斷地提供潤(rùn)滑油，常用的結(jié)構(gòu)形式有離心潤(rùn)滑器、滲出流體潤(rùn)滑器、油繩式潤(rùn)滑系統(tǒng)、多孔儲(chǔ)油器等。有源潤(rùn)滑系統(tǒng)是當(dāng)有外部信號(hào)命令時(shí)，其給軸承供應(yīng)定量的潤(rùn)滑油，常用的結(jié)構(gòu)形式有主動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)、原位需求潤(rùn)滑器、靜態(tài)潤(rùn)滑儲(chǔ)油器等。

2.2.1 離心潤(rùn)滑器[2]

安裝于軸承單元旋轉(zhuǎn)部分的離心潤(rùn)滑器是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的潤(rùn)滑器類(lèi)型。圓形的容器中充有潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油的最外層提供潤(rùn)滑油的流出路徑。當(dāng)軸承單元旋轉(zhuǎn)時(shí)，緊貼著軸承單元的潤(rùn)滑器也以相同的速度旋轉(zhuǎn)，離心作用力促使?jié)櫥屯ㄟ^(guò)流出路徑流出，流向安裝在潤(rùn)滑器兩端的軸承，補(bǔ)充缺失的潤(rùn)滑油。

在文獻(xiàn)[2]開(kāi)發(fā)的離心潤(rùn)滑器(圖1)中，潤(rùn)滑油被充滿(mǎn)于金屬儲(chǔ)油器中。潤(rùn)滑器外套管外壁有注流孔，潤(rùn)滑油在離心作用下從該孔中流出。流速由安裝在儲(chǔ)油器內(nèi)注流孔下端的限制器控制。從儲(chǔ)油器中流出的潤(rùn)滑油通過(guò)一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的固定在軸承中間的外層間隔區(qū)供給軸承。在該設(shè)計(jì)中，組合體中的每一套軸承都通過(guò)獨(dú)立的潤(rùn)滑器潤(rùn)滑。這個(gè)潤(rùn)滑器中初始的最小流速是4 μg/h。這種結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑器最大優(yōu)勢(shì)在于其不需要外力驅(qū)動(dòng)，也不需要額外關(guān)注就能確保長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。由于流速與儲(chǔ)油器油面高度成正比，儲(chǔ)油器油面隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐步下降，故其有降低流速的缺點(diǎn)；且應(yīng)用前需在操作環(huán)境下對(duì)離心作用的激活系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試。

圖1 離心潤(rùn)滑器

2.2.2 滲出流體潤(rùn)滑器[11]

將滲出流體潤(rùn)滑器安置于軸承單元的外部襯墊上，襯墊的端部構(gòu)成軸承單元的外滾道。在潤(rùn)滑器內(nèi)、外表面有精密的螺旋凹槽，凹槽在軸向上繞行并傳送潤(rùn)滑油到每一套軸承上，流速由螺旋狀凹槽的尺寸和軸承傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速控制。裝有滲出流體潤(rùn)滑器的空間筒式軸承系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 裝有滲出流體潤(rùn)滑器的空間筒式軸承系統(tǒng)

2.2.3 油繩式潤(rùn)滑系統(tǒng)[12]

該潤(rùn)滑系統(tǒng)中，浸油飽和的棉紗布條與軸承相接觸。摩擦接觸導(dǎo)致少量的潤(rùn)滑油積于接觸面上，潤(rùn)滑油從接觸表面遷移至軸承。紗布條的另一端與儲(chǔ)油器中的油相接觸，其有吸油和維持飽和的作用。

2.2.4 主動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)

當(dāng)接到外在命令時(shí)，該潤(rùn)滑系統(tǒng)將定量的潤(rùn)滑油傳送到軸承中。當(dāng)出現(xiàn)對(duì)潤(rùn)滑油的需求時(shí)，命令啟動(dòng)潤(rùn)滑器，通過(guò)提高功率，或由軸承摩擦力矩增加導(dǎo)致軸承溫度升高來(lái)表達(dá)此需求。

文獻(xiàn)[13]開(kāi)發(fā)了一種電磁閥控制型的主動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，潤(rùn)滑油被儲(chǔ)存在金屬波紋管內(nèi)，通過(guò)壓縮彈簧加壓。高壓油通過(guò)連接到儲(chǔ)油器的電磁閥驅(qū)動(dòng)釋放到軸承中，打開(kāi)閥門(mén)125 ms能釋放0.2～5 mg的潤(rùn)滑油。

文獻(xiàn)[14]開(kāi)發(fā)的正壓進(jìn)給系統(tǒng)由一個(gè)彈簧加載金屬波紋管構(gòu)成。調(diào)控釋放閥時(shí)，油通過(guò)計(jì)量波紋管和計(jì)量閥流到供油線(xiàn)路，并由其將潤(rùn)滑油輸送到軸承表面。輸油量由計(jì)量波紋管控制，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—釋放閥；2—計(jì)量波紋管；3—可調(diào)限位器；4—計(jì)量閥；5—供給器；6—內(nèi)圈(旋轉(zhuǎn))；7—保持架(內(nèi)圈引導(dǎo))；8—外圈(固定)；9—供油管；10—貯油器；11—彈簧組

文獻(xiàn)[15]開(kāi)發(fā)的指令潤(rùn)滑系統(tǒng)含有柔性金屬波紋管，油在環(huán)境壓力下儲(chǔ)存于管內(nèi)。微型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行器，對(duì)著波紋管加壓，油通過(guò)直徑0.5 mm的鋼管流入軸承。該系統(tǒng)可對(duì)輸油量進(jìn)行精確控制，當(dāng)單個(gè)操作時(shí)間持續(xù)5 s時(shí)，這種模式輸油量如圖4所示。該系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是潤(rùn)滑油在環(huán)境壓力下儲(chǔ)存，不存在遺漏的可能。波紋管的容量為2.5 g，每個(gè)周期的輸油量約為15 mg，如每年操作兩次，其潤(rùn)滑周期超過(guò)25年。

圖4 指令潤(rùn)滑系統(tǒng)的輸油量

2.2.5 原位需求潤(rùn)滑器

文獻(xiàn)[16]開(kāi)發(fā)的原位需求潤(rùn)滑器由多孔材料筒組成，筒上附有電子加熱器，高摩擦引起軸承溫度升高，需求潤(rùn)滑時(shí)潤(rùn)滑器被驅(qū)動(dòng)。筒內(nèi)充滿(mǎn)潤(rùn)滑油后被安裝在軸承的固定套圈上；當(dāng)加熱筒時(shí)，由于潤(rùn)滑油的熱膨脹系數(shù)高于多孔材料，潤(rùn)滑油從筒中流出；潤(rùn)滑油的表面張力較軸承材料低，從筒中流出的潤(rùn)滑油遷移到軸承表面。文獻(xiàn)[17]采用螺旋軌道摩擦計(jì)評(píng)價(jià)并驗(yàn)證了該系統(tǒng)用于長(zhǎng)壽命航天器上的可行性。

2.2.6 靜態(tài)潤(rùn)滑儲(chǔ)油器[15]

靜態(tài)潤(rùn)滑儲(chǔ)油器包含安裝在鋁套筒上的多孔材料儲(chǔ)油器和貼在套筒上的加熱器。儲(chǔ)油器的體積孔隙率約30%，攜帶足夠整個(gè)任務(wù)期間使用的潤(rùn)滑油。該儲(chǔ)油器組件安裝在軸承單元的靜止部分，當(dāng)打開(kāi)加熱器時(shí)，由于熱膨脹系數(shù)不同，油流出并潤(rùn)滑軸承。靜態(tài)儲(chǔ)油器的輸油機(jī)理如圖5所示。

1—保持架；2—球軸承；3—薄油膜；4—加熱器；5—加熱絲；6—油蒸汽

3 結(jié)束語(yǔ)

目前應(yīng)用的多孔材料保持架結(jié)合長(zhǎng)壽命補(bǔ)充潤(rùn)滑系統(tǒng)基本滿(mǎn)足了當(dāng)前航天器對(duì)長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑的需求，其中無(wú)源潤(rùn)滑系統(tǒng)可持續(xù)供應(yīng)潤(rùn)滑油，更適宜于補(bǔ)充航天器的潤(rùn)滑系統(tǒng)。隨著航天器任務(wù)期的進(jìn)一步延長(zhǎng)，需要研發(fā)新型的潤(rùn)滑系統(tǒng)補(bǔ)充潤(rùn)滑，以滿(mǎn)足未來(lái)航天器對(duì)長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑的需求。