航天軸承潤滑特性研究綜述

王燕霜，劉躍龍，張國亮

（天津職業(yè)技術師范大學機械工程學院，天津 300222）

近年來我國相繼發(fā)射了“風云一號”“風云二號”“海洋”衛(wèi)星、“資源”衛(wèi)星以及“神舟”飛船等多種空間飛行器。在空間技術中，衛(wèi)星系統(tǒng)許多功能部件均使用了大量軸承，例如姿態(tài)敏感器、控制力矩陀螺及動量輪等。軸承摩擦力矩的大小和波動性直接決定了航天軸承的旋轉精度，從而決定了空間飛行器的定位和導向精度。航天軸承的潤滑特性決定了軸承摩擦力矩的大小和波動性。軸承潤滑特性是指軸承接觸副之間的成膜特性和摩擦特性。接觸副之間的成膜特性和摩擦特性由潤滑劑的流變特性決定。油潤滑航天軸承中的多孔保持架浸有潤滑油，除依靠長期補充潤滑油和保持架儲存潤滑油外，在軸承外還有儲存器輔助供油。近10年，國內(nèi)外對軸承潤滑特性的研究主要集中在摩擦副之間成膜特性、摩擦潤滑特性及潤滑劑流變特性3個方面，本文對比3個方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和存在問題進行綜述。

1 航天軸承兩接觸副之間潤滑油油膜厚度及壓力分布

成膜特性實際上是指接觸副之間油膜厚度分布和油膜壓力分布的情況。經(jīng)典彈性流體動壓潤滑理論的前提是假設充分供給液體潤滑劑，但實際上航天滾動軸承是依靠多孔浸油的保持架儲存少量潤滑油進行潤滑，因供油量小使得赫茲入口區(qū)油壓的形成受限，造成實際油膜厚度較經(jīng)典彈性流體動壓潤滑理論計算的薄。針對潤滑油劑量極少，使軸承摩擦界面不能形成彎液面的情況，20世紀70年代，Wedeven等首次提出了乏油彈性流體動壓潤滑理論。當赫茲接觸區(qū)的油膜厚度是亞微米級而接觸區(qū)外的油膜薄至不可流動時，Kingsbury提出了干涸彈性流體動壓潤滑理論。充分供油時油膜厚度隨速度的增加而增加，可以用Hamrock-Dowson公式來計算。文獻[1]和[2]通過膜厚測試系統(tǒng)對潤滑油進行了成膜試驗，發(fā)現(xiàn)乏油狀態(tài)下，最小油膜厚度隨線速度的變化與Dowson理論曲線有不同程度的偏離，油膜厚度隨速度的增加而減小，這與充分供油下，油膜厚度隨速度增加而增加的結論相反。Venner等[3]詳細分析了粗糙度對乏油潤滑狀態(tài)下線接觸和點接觸的影響，并指出無論任何工況、線接觸還是點接觸、乏油程度如何，接觸區(qū)中粗糙度幅值的大小取決于粗糙度波長與入口區(qū)長度的比值。文獻[4]采用有限差分法對粗糙形狀的浮環(huán)軸承模型進行求解，發(fā)現(xiàn)油膜承載力隨粗糙度的增大而增大。Yin等[5]考慮熱效應的影響，對橢圓接觸下的乏油熱彈流潤滑進行了分析，分析了供油層的厚度、橢圓比、卷吸速度、滑滾比和最大赫茲壓力對接觸區(qū)中心油膜厚度和最小油膜厚度的影響。Cann等[6]認為接觸區(qū)域內(nèi)油膜厚度不是穩(wěn)定值，而是隨時間變化、滾動速度增加，達到穩(wěn)定油膜厚度的時間指數(shù)增加，指出乏油程度是由滾道中潤滑油的損失和補充之間的平衡決定的。文獻[7]和[8]根據(jù)油膜起始點的位置來計算油膜厚度和壓力分布，但油膜起始點的位置很難測量。文獻[6]和[9]對乏油油膜厚度的計算公式進行了改進，根據(jù)入口區(qū)潤滑油的油量來預測乏油油膜厚度，乏油程度可以由一個無量綱量來決定。文獻[10]提出了一種新的非線性油膜力的解析模型，求解了非線性油膜的壓力分布。軸承接觸區(qū)中油膜厚度和壓力分布與潤滑油特性、接觸副特性、供油量及工況條件有關，上述文獻大多集中在供油量、接觸副特性及滾動速度對潤滑油膜厚度和接觸壓力的影響。

2 航天軸承摩擦特性

潤滑油脂的性能評價包括理化性能評價和機械性能評價2種，理化性能測試相對完善，而機械性能的測試還不成熟。目前有3類試驗可以測量摩擦和磨損，分別為模擬試驗、臺架試驗和現(xiàn)場試驗。對于航天軸承來說，現(xiàn)場試驗根本不可能實現(xiàn)，因此一般采用模擬試驗和臺架試驗。文獻[11]指出，臺架壽命試驗是一種綜合評定試驗，考慮了材料及其表面處理、液體潤滑劑、機械設計等因素，但無法提供軸承性能預測所需的相關參數(shù)，如接觸副的摩擦系數(shù)、潤滑劑的流變參數(shù)等，另外試驗費用高、周期長。模擬試驗機主要用于摩擦學基礎研究，將某個因素從多種因素共同作用的設備中單獨分離出來進行研究，優(yōu)點是可以再現(xiàn)或模擬摩擦工況以及潤滑狀態(tài)和磨損類型。所以，對于航天軸承滾動體與滾道之間摩擦性能的研究及潤滑劑流變特性的研究適合采用模擬試驗機。

我國在液體潤滑劑潤滑性能研究方面主要采用常規(guī)的摩擦磨損試驗機進行評價，如Falex試驗機、SRV試驗機和四球試驗機等摩擦試驗機。這些試驗機一般適用于評定在純滑動摩擦下液體潤滑劑的邊界潤滑性能，而在航天器中滑動摩擦和滾動摩擦是同時存在的，上述試驗機無法模擬潤滑狀態(tài)為彈流潤滑或者混合潤滑的潤滑條件。經(jīng)常會遇到在四球摩擦磨損試驗機上測得的PB或PD值相同，而在實際應用或者臺架試驗中性能差別較明顯的現(xiàn)象，這說明常規(guī)的摩擦試驗機具有局限性。目前，亟需一種能測試在模擬軸承滑滾接觸并處于彈流潤滑或混合潤滑狀態(tài)下的摩擦力試驗機，以測試潤滑油在復雜工況下的摩擦性能。由于缺乏這種試驗機及相關的試驗研究，因此影響了技術含量高、環(huán)保和節(jié)能的高端油品的研發(fā)，使我國與國外技術的差距越來越大。

文獻[12-13]研制了螺旋軌跡摩擦計，測量了邊界潤滑狀態(tài)下滑動、滾動和自旋混合運動下液體潤滑劑的摩擦系數(shù)。文獻[14]采用銷盤摩擦試驗機測量了液體潤滑劑作用下，銷盤滑動接觸，當盤和銷釘處于混合潤滑接觸狀態(tài)時的滑動摩擦系數(shù)，并分析了工況條件、接觸副機械特性和表面幾何特征對摩擦系數(shù)的影響。文獻[15-16]利用球-盤摩擦試驗機在真空環(huán)境中分別試驗了濺射沉積Ag膜及MoS2/Au薄膜在真空和原子氧輻照前后的摩擦性能，測量滑動接觸時固體潤滑劑的滑動摩擦系數(shù)。文獻[17]采用高黏度聚異丁烯潤滑油，在光學彈流試驗機上考察球盤接觸純滑動條件下的摩擦因數(shù)隨卷吸速度和載荷的變化。文獻[18]采用銷盤試驗機，利用Stribeck曲線分析了銷盤滑動接觸時，不同試驗條件下不同密度的規(guī)則微小凹痕表面的摩擦特性。文獻[19]從國外引進了多功能摩擦試驗機（UMT Tester），在輕載荷條件下測量了滑動接觸時具有橫向紋理圓盤表面的摩擦因數(shù)，得到了裕油條件下包括流體潤滑、混合潤滑和邊界潤滑完整的Stribeck曲線。文獻[20]在四球摩擦磨損試驗機的摩擦區(qū)域外加磁場，考察了潤滑油在磁場作用下的摩擦磨損性能。文獻[21]發(fā)現(xiàn)了超聲振動對不同黏度的潤滑油摩擦磨損性能的不同影響。

江澤琦等[22]采用雙圓盤試驗機，從干摩擦狀態(tài)到彈流潤滑狀態(tài)，將潤滑條件分為8個階段，研究了Daphne7074牽引油在滑滾接觸時，潤滑油油量對牽引傳動的影響。高壓情況下牽引曲線上升斜率接近于干摩擦狀態(tài)下的值，在低壓情況下斜率隨著牽引油油量的減少而增大。乏油運轉后，最大牽引系數(shù)的變化不明顯。喬玉林等[23]采用雙圓盤試驗對不同粗糙度摩擦副之間的拖動力進行了測量，同時用電阻法測量表面分開的程度，得出結論：混合潤滑下的摩擦力不僅由粗糙度Ra來決定，保持Ra不變，改變表面形貌，會使拖動系數(shù)改變10%。文獻[24]采用微型拖動力試驗機對裕油彈流潤滑下油的拖動系數(shù)進行了測量。王燕霜等[25-26]曾在自行研制的球盤試驗機上對裕油完全彈流潤滑狀態(tài)下多種航空潤滑劑進行了拖動力測量。文獻[27]在球盤拖動力試驗機上對2種PAO基礎油進行了裕油和乏油條件下的摩擦系數(shù)測試，分析了油量、滑滾比和潤滑油黏度對摩擦系數(shù)的影響。文獻[28]利用不確定度理論對摩擦系數(shù)測量的影響因素進行了分析，使摩擦系數(shù)的不確定度均能控制在5%之內(nèi)。Cann等[29]在球盤拖動力試驗機上對降解脂在裕油和乏油彈流潤滑下進行了摩擦系數(shù)的測試，并采用紅外光譜對潤滑膜組分的變化進行了分析。文獻[30]利用非平衡分子動力學模擬得到的黏度應變率關系式以及高壓Couette流變儀測量的黏度，計算彈流潤滑中的拖動力，其與實驗測量結果非常接近，但只能模擬低剪切率牛頓流體。王燕霜通過對多種航空潤滑劑拖動特性的研究，提出了裕油彈流潤滑下拖動系數(shù)與工況條件之間關系式。Anandan等[31]對高速線接觸乏油熱彈流進行了理論計算，假設乏油狀態(tài)下仍為完全彈流潤滑，流體為牛頓流體，計算了油膜厚度和拖動系數(shù)，得出了一些與裕油完全彈流潤滑相反的結論，如認為隨滾速的增加拖動系數(shù)增大，這與完全彈流情況下隨滾速增加拖動系數(shù)減小相矛盾，文中既沒有試驗驗證也沒有機理解釋。乏油狀態(tài)下潤滑狀態(tài)假設為完全彈流，流體假設為牛頓流體可能會引起錯誤的結論，這就說明拖動系數(shù)的試驗結果最有說服力，進行乏油狀態(tài)下摩擦副之間摩擦特性的試驗研究勢在必行。文獻[32]對混合潤滑狀態(tài)下摩擦力進行了數(shù)值模擬，并討論了減小摩擦的方法，文中參數(shù)計算時，采用了四球機和球盤完全彈流潤滑狀態(tài)下的試驗結果，文中混合潤滑狀態(tài)下摩擦力計算結果沒有試驗驗證。文獻[33]采用數(shù)值模擬的方法，模擬跨越整個潤滑區(qū)，即彈流潤滑、混合潤滑和邊界潤滑，分析了粗糙度幅值和紋理對摩擦系數(shù)的影響以及非牛頓流變模型對流體摩擦系數(shù)的影響，根據(jù)計算結果得到了完整的Stribeck曲線。但Stribeck曲線是理論計算結果，缺乏試驗驗證，流變模型中的參數(shù)是參考國外文獻，采用估計值。到目前為止，還沒有模擬航天軸承工況進行低溫環(huán)境下油潤滑航天軸承裕油、乏油和干涸彈流摩擦特性試驗研究的相關文獻，也沒有高低溫環(huán)境下航天軸承乏油和干涸彈流摩擦特性理論研究的相關文獻。

3 航天潤滑劑流變特性

在使用環(huán)境許可下，液體潤滑劑是航天器部件潤滑的首選。因為液體潤滑劑可以帶走磨損物，能在兩接觸副之間形成彈性流體動壓潤滑，使得接觸副之間具有磨損小、散熱快、噪音低、壽命長等優(yōu)點。潤滑油的重要性能指標有揮發(fā)性、抗輻射性、邊界潤滑性、摩擦特性和流變特性。在這些特性中，對航天潤滑劑揮發(fā)性、抗輻射及邊界潤滑性能等進行研究的較多，試驗技術已相對成熟，如文獻[12-13]、[34-35]等。而航天潤滑劑的流變特性，至少50年來一直都是困擾摩擦學界的一個難題，截至目前還沒有較好的解決方法。流變特性主要研究流變參數(shù)和流變模型。潤滑劑的流變參數(shù)包括黏度、黏溫系數(shù)、黏壓系數(shù)、剪切模量、特征應力和極限剪切應力等。在滑滾彈流接觸中，工況條件比較苛刻，包括瞬時高壓（1～3 GPa）、高剪切應變率（106～108）。高壓高剪切應變率下，潤滑劑常常表現(xiàn)為非牛頓流體特性。為了理解并能計算彈流接觸中的摩擦力，需要準確的流變模型來描述這種非牛頓特性。當今，對準確模型的需求變得十分急迫，因為數(shù)值模擬彈流潤滑時，為了準確預測接觸區(qū)中油膜特性，需要一個剪應力與剪應變率之間的關系式，即流變模型，業(yè)界提出了很多流變模型來描述彈流接觸中潤滑油的流變特性，如Newton模型、Erying模型、Johnson-Tevaarwerk模型、Bair-Winer模型和 Evans－Johnson模型等。文獻[36]使用一種新提出的用以確定Eyring流體有效黏度的算法，給出了潤滑油牛頓黏度、Eyring流體有效黏度和剪應變率與重載熱彈流潤滑副的摩擦因數(shù)之間的關系。這些模型使用時都有一定的局限性，其中，Evans－Johnson模型是目前預測精度較高的模型之一，但在熱效應顯著時，該模型預測精度較差，故目前還沒有比較完善的流變模型。航天軸承工況下，上述流變模型是否適合有待研究，迄今為止還沒有關于國產(chǎn)航天潤滑劑流變模型的討論。

流變模型中流變參數(shù)的確定也是有待解決的問題。流變參數(shù)的測量方法有3種：①穩(wěn)態(tài)法。該方法是流體在均勻穩(wěn)定的壓力和溫度下發(fā)生剪切，油膜的承載時間長，如壓力容器法[37-38]、高頻振蕩剪切法和流變儀測量法。哈爾濱工業(yè)大學制造的液體潤滑劑超高壓流變特性測試系統(tǒng)屬于穩(wěn)態(tài)法測量，只能測量非彈流工況下低剪切率牛頓流體的黏壓關系和黏度剪切關系，不能測量非牛頓流體的彈性剪切模量、極限剪切應力、特征應力等流變參數(shù)以及非牛頓流體的應力應變關系。穩(wěn)態(tài)法的缺點是不能模擬高壓情況，模擬壓力小于0.6 GPa；為了避免剪切熱的影響，試驗過程中剪切率較低，一般小于104s-1；穩(wěn)態(tài)法的測量結果不適合在彈流中應用。②瞬態(tài)法。此種方法是油膜瞬時承載，油膜通過接觸區(qū)時壓力、溫度和剪應力均發(fā)生了很大變化，這與實際的彈流工況接近，如落球試驗裝置測量法和拖動力試驗法。落球試驗裝置測量法可以用來測量非常高壓力下流體的極限剪切應力，可以模擬瞬態(tài)條件，能模擬的壓力可達3 GPa甚至更高。③拖動力試驗法。該方法是研究彈流流變特性的一種廣泛使用的方法，在雙圓盤[39]或球盤試驗機[40]中建立彈流油膜，測量滾動、滑動和自旋條件下摩擦力，可以用來測量幾乎所有的流變參數(shù)，該方法被廣泛接受，可以模擬彈流的真實工況。但這種方法測量的是整個接觸區(qū)內(nèi)的平均剪切應力，接觸區(qū)油膜的溫度不能被測量，只能靠理論計算。近來，文獻[41]提出了一種繪制溫度分布圖的方法，假設滾滑接觸中幾乎所有能量損耗和溫升都是由于流體油膜的剪切或者摩擦產(chǎn)生的，通過測量接觸區(qū)中各點的溫升來推測產(chǎn)生它的摩擦力。優(yōu)點是模擬彈流真實工況，可以測量剪切應力的局部值。缺點是試驗困難，分辨率受限，只有較高的溫升和滑滾比時才能測量，滑滾較低時無法測量。從溫度到剪應力的轉換，經(jīng)過了大量的假設和理論簡化，計算也比較繁瑣。紅外線測量溫度本身就有一定的誤差，另外熱在球、盤和潤滑劑之間的分配問題也不能精確解決。目前，拖動力試驗法測量的流變參數(shù)能滿足實際應用，所以被廣泛應用，但是還未見到國產(chǎn)航天潤滑劑彈流工況下流變特性和流變參數(shù)的研究。

4 航天軸承潤滑特性研究亟需解決的問題

油潤滑航天軸承（如陀螺儀電機轉子軸承、動量輪和反作用飛輪軸承等）失效的主要原因是潤滑失效，與軸承的摩擦特性和潤滑油的流變特性有關。油潤滑航天軸承在運轉初期一般處于裕油彈流潤滑狀態(tài)，在運轉后期一般處于乏油和干涸彈流潤滑狀態(tài)。近10年來，我國對于航天軸承成膜特性的研究大多集中在供油量、接觸副特性及滾動速度對潤滑油膜厚度和接觸壓力的影響方面，而對不同潤滑油基礎油對油膜厚度和油膜壓力的影響研究較少。對摩擦特性的研究主要集中在邊界潤滑特性、滑動接觸的研究，既沒有考慮航天軸承中存在滑滾接觸以及接觸區(qū)彈流潤滑或混合潤滑的接觸條件，也沒有考慮航天軸承裕油、乏油和干涸供油對摩擦特性的影響和高低溫環(huán)境以及不同工況條件對摩擦特性的影響。對于潤滑劑流變特性的研究則主要集中在牛頓流體、低剪切率和非彈流工況條件。除黏度外，對于非牛頓特性、高剪切率、彈流工況的其他流變參數(shù)并未考慮。亟需模擬航天軸承的實際工況，在高溫和低溫環(huán)境下，對航天軸承在裕油、乏油和干涸彈流潤滑狀態(tài)下的成膜特性、摩擦特性及航天潤滑劑的流變特性進行研究，建立裕油和乏油彈流潤滑下兩接觸副之間的摩擦系數(shù)計算模型，確定航天潤滑油的相關彈流流變參數(shù)，揭示乏油潤滑的摩擦機理。