一種空間用減速器潤(rùn)滑脂選型及熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)分析

段文浩,陳 峰

(西安微電機(jī)研究所 西安710077)

0 引 言

減速器通過(guò)潤(rùn)滑劑在接觸齒輪表面形成一層油膜將金屬的表面分隔開(kāi)來(lái)防止直接接觸產(chǎn)生的摩擦，能夠避免因接觸強(qiáng)度不足產(chǎn)生的齒面膠合及點(diǎn)蝕失效，同時(shí)能提高齒輪的傳動(dòng)效率，對(duì)齒輪的工作齒面降溫，防止齒面生銹及降低工作噪聲，對(duì)于改善減速器性能，提高減速器壽命具有重要意義?？臻g用減速器由于其工作條件的特殊性，需要考慮失重、真空、高低溫交變等多重因素的影響，潤(rùn)滑方式以及潤(rùn)滑劑的選取更為嚴(yán)苛。本文根據(jù)一種空間用減速器的技術(shù)指標(biāo)以及工作環(huán)境選取了適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑方式并進(jìn)行了熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，對(duì)潤(rùn)滑的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

減速器技術(shù)指標(biāo)：輸出扭矩0.862 Nm，額定輸出轉(zhuǎn)速n=(560±5) r/min；減速器工作環(huán)境為失重環(huán)境，工作溫度：(-15～+70)℃；工作時(shí)間為間歇工作制，每天工作半小時(shí)，共工作15年。

減速器齒輪參數(shù)如下：

該減速器為單級(jí)漸開(kāi)線定軸圓柱齒輪減速結(jié)構(gòu)，減速器輸入軸為減速器配套電機(jī)的輸出軸，材料為2Cr13，調(diào)質(zhì)HRC28-32，表面復(fù)合氮化氧化處理HV>800；減速器輸出軸材料為40Cr，調(diào)質(zhì)HRC33-38，表面復(fù)合氮化氧化處理HV>700。

傳動(dòng)比分配i1=5；齒數(shù)模數(shù)分配：m=0.5 mm，Z1=17，Z2=85；嚙合齒寬b=5 mm

由于潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑具有使用壽命長(zhǎng)，使用溫度范圍寬，承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合減速器的參數(shù)及工作條件選擇潤(rùn)滑脂對(duì)減速器進(jìn)行潤(rùn)滑。

1 潤(rùn)滑脂的選型

潤(rùn)滑脂由根據(jù)稠化劑的不同分為鈣基，鈉基，鋰基潤(rùn)滑脂等，分別適用于不同的工況。選擇潤(rùn)滑脂時(shí)主要考慮以下幾種因素：

(1)工作溫度：工作溫度直接影響潤(rùn)滑脂的使用壽命和潤(rùn)滑性能，根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，溫度上升10到15攝氏度，潤(rùn)滑脂的壽命下降50%，機(jī)器工作溫度高的時(shí)候應(yīng)選用工作錐入度小，滴點(diǎn)較高，耐高溫的潤(rùn)滑脂。

(2)載荷：潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑主要依靠在金屬表面產(chǎn)生的潤(rùn)滑油膜，載荷越大越難形成潤(rùn)滑油膜，載荷較大時(shí)需選用極壓潤(rùn)滑脂。

(3)速度較高時(shí)應(yīng)選用高速潤(rùn)滑脂否則將會(huì)喪失潤(rùn)滑性。

根據(jù)減速器的工作環(huán)境溫度以及熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)鑒定級(jí)的要求確定減速器工作時(shí)最高的環(huán)境溫度為70 ℃。通過(guò)ANSYS軟件對(duì)實(shí)際工作環(huán)境下對(duì)減速器及其配套的無(wú)刷直流電機(jī)整體溫升進(jìn)行仿真。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，電機(jī)內(nèi)部最高溫度為93.3 ℃，最高溫度出現(xiàn)在電機(jī)內(nèi)部的繞組處，如圖1所示。與電機(jī)相連接的減速器最高溫度為77.2 ℃，最高溫度出現(xiàn)在兩齒面相嚙合處。

圖1 電機(jī)最大溫升仿真

圖2 減速器最大溫升仿真

根據(jù)該減速器實(shí)際的工況選用了中石化北京分公司研制的HT-06Z及中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司合成油脂研究院生產(chǎn)的特221潤(rùn)滑脂兩種進(jìn)行測(cè)試。表1給出了兩種潤(rùn)滑脂的主要技術(shù)參數(shù)：

特221是一種以硅油為基礎(chǔ)油的皂基潤(rùn)滑脂，具有良好的抗水性，適宜在潮濕環(huán)境下部件的潤(rùn)滑，同時(shí)也具有良好的高低溫性能，能夠保證潤(rùn)滑部件在寬溫度范圍內(nèi)得到正常的潤(rùn)滑，可被用于航空設(shè)備中作潤(rùn)滑劑。

HT-06Z潤(rùn)滑脂的基礎(chǔ)油是一種直鏈型全氟化聚醚，揮發(fā)性極低，耐揮發(fā)，抗氧化，可以在較寬的溫度范圍內(nèi)正常工作，具有較高的承載能力，基礎(chǔ)油粘度較高適合低速重載的情況，主要設(shè)計(jì)用于真空環(huán)境的潤(rùn)滑，價(jià)格較昂貴。

對(duì)于這兩種潤(rùn)滑脂的實(shí)際使用情況還需要通過(guò)熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器的輸入端連接，負(fù)載電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與減速器的輸出端連接，將整個(gè)裝置放置于試驗(yàn)環(huán)境中通過(guò)觀察記錄與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連接的電流表讀數(shù)來(lái)評(píng)測(cè)該減速器的指標(biāo)，具體連接如圖3所示，熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)要求如表2所示。

圖3 減速器熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)連接圖

分析項(xiàng)目特221HT-06Z試驗(yàn)方法性能指標(biāo)試驗(yàn)方法性能指標(biāo)外觀目測(cè)淺褐色均勻油膏目測(cè)白色均勻油膏滴點(diǎn)/℃GB/T 3498>250GB/T 3498207壓力分油/(200±2 g),%GB/T 3922.89GB/T 3922.141/4錐入度,0.1 mmGB/T 26971GB/T 26975燒結(jié)負(fù)荷/(1500 r/min),NGB/T 31421960SH/T 02026076蒸發(fā)度(200 ℃,24 th),%SH/T 03370.52(150 ℃,1 h),%SH/T 03370.40(200 ℃,24 h),%適用溫度范圍-60 ℃至150 ℃-80 ℃至204 ℃

表2 熱循環(huán)試驗(yàn)要求

鑒定級(jí)試驗(yàn)按如下要求進(jìn)行：

(1)試驗(yàn)容器內(nèi)應(yīng)充以干燥空氣或氮?dú)猓苑乐钩合吕淠挠绊懀?/p>

(2)一次溫度循環(huán)的順序如圖4所示：

①在室溫下機(jī)組通電工作，測(cè)試并記錄機(jī)組工作電流；

②組件不斷電，升溫至試驗(yàn)最高溫度并穩(wěn)定，組件斷電；

③待產(chǎn)品溫度穩(wěn)定至少1 h，熱啟動(dòng)三次測(cè)試并記錄機(jī)組工作電流；

④在最高溫端停留規(guī)定時(shí)間；

⑤降溫至試驗(yàn)最低溫度并穩(wěn)定，組件斷電；

⑥待產(chǎn)品溫度穩(wěn)定至少1 h，冷啟動(dòng)三次測(cè)試并記錄機(jī)組工作電流；

⑦在最低溫度端停留規(guī)定時(shí)間；

⑧升溫至室溫，然后進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。最后一個(gè)循環(huán)結(jié)束試驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)的要求對(duì)對(duì)兩組減速器分別添加足量的潤(rùn)滑脂進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示：

圖4 熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)順序

圖5 熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 減速器拆解

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用HT-06Z潤(rùn)滑脂的減速器在潤(rùn)循環(huán)試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流正常且大致穩(wěn)定在0.63 A左右，完成了完整的25個(gè)循環(huán)，可以認(rèn)為HT-06Z潤(rùn)滑脂可以滿足該型號(hào)減速器的使用要求。采用特221潤(rùn)滑脂的減速器初期電流較為穩(wěn)定，數(shù)值在0.65 A左右，但是在第二十三個(gè)循環(huán)的高溫保持階段發(fā)現(xiàn)電流急劇減小現(xiàn)象，通過(guò)建立故障樹(shù)排查以及最后的減速器的拆解驗(yàn)證，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流減小是因?yàn)闇p速器的小齒輪磨損導(dǎo)致大小齒輪之間的傳動(dòng)失效，驅(qū)動(dòng)電機(jī)空載所導(dǎo)致的，如圖6所示為所拆解的故障減速器。

圖6 拆解的故障減速器

3.2 潤(rùn)滑脂分析及驗(yàn)證

在初期摩擦，潤(rùn)滑脂被均勻的涂抹在兩個(gè)相對(duì)的摩擦表面，形成流體動(dòng)力潤(rùn)滑，兩個(gè)摩擦面之間存在一層能夠承載載荷的油膜。隨著工作環(huán)境溫度以及兩個(gè)相對(duì)摩擦面之間的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的的溫度升高，潤(rùn)滑脂的粘度會(huì)下降，流動(dòng)性增加，兩個(gè)摩擦面之間的油膜厚度也會(huì)隨之變薄，隨著接觸區(qū)溫度場(chǎng)趨于平衡，油膜的厚度會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)平衡，保證一定的厚度，起到潤(rùn)滑的作用，這段時(shí)間的長(zhǎng)短直接關(guān)系著兩個(gè)摩擦面接觸疲勞的壽命。因此潤(rùn)滑脂在不同溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度大小關(guān)系其潤(rùn)滑性能[2-3]。

首先對(duì)兩種潤(rùn)滑脂在不同溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度按照GB/T 265實(shí)驗(yàn)測(cè)定，結(jié)果如表3所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，特221潤(rùn)滑脂在不同溫度下運(yùn)動(dòng)粘度均小于HT-06Z潤(rùn)滑脂，且在一定條件下相差超過(guò)2倍以上。高溫下運(yùn)動(dòng)粘度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑脂的基礎(chǔ)油更易從結(jié)構(gòu)骨架析出，分子運(yùn)動(dòng)加快，伴隨著高溫的蒸發(fā)作用，導(dǎo)致潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑性能降低。高溫下運(yùn)動(dòng)粘度的降低一定程度上影響著減速器的使用壽命，導(dǎo)致使用特221潤(rùn)滑脂的減速器熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)失敗。

經(jīng)過(guò)潤(rùn)滑的兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)金屬表面完全被潤(rùn)滑油膜隔開(kāi)，沒(méi)有金屬的直接接觸，隨著載荷的增加，金屬表面之間的油膜厚度逐漸減薄，當(dāng)載荷增加到一定程度時(shí)，連續(xù)油膜被金屬的頂峰破壞，局部金屬表面直接接觸，導(dǎo)致潤(rùn)滑失效[1]。潤(rùn)滑脂的極壓性是指在承受較重負(fù)荷時(shí)油膜不被破壞的能力，對(duì)于潤(rùn)滑脂的極壓及磨損性能的實(shí)驗(yàn)按照GB/T 12583采用四球?qū)嶒?yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。在設(shè)定的溫度、轉(zhuǎn)速、載荷、運(yùn)行時(shí)間的情況下，承重鋼球表面因摩擦導(dǎo)致磨損斑痕直徑的大小即磨徑來(lái)評(píng)判潤(rùn)滑脂的承載能力。

表3 兩種潤(rùn)滑脂運(yùn)動(dòng)粘度及極壓性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

潤(rùn)滑脂強(qiáng)度極限是溫度的函數(shù)，溫度越高，潤(rùn)滑脂的強(qiáng)度極限越小。通過(guò)四球?qū)嶒?yàn)，特221潤(rùn)滑脂最大無(wú)卡咬負(fù)荷對(duì)應(yīng)的鋼球磨徑為1.01 mm。表3試驗(yàn)結(jié)果顯示，100 ℃、負(fù)載為59 N時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋼球磨徑為1.366 mm，已經(jīng)大于最大無(wú)卡咬負(fù)荷對(duì)應(yīng)的鋼球磨徑，說(shuō)明油膜已經(jīng)被破壞。圖7為100 ℃、負(fù)載59 N時(shí)的四球試驗(yàn)機(jī)監(jiān)測(cè)圖形，在運(yùn)行一段時(shí)間后，鋼球之間的摩擦系數(shù)明顯增大(μ=0.3)，已為金屬干摩擦系數(shù)，說(shuō)明潤(rùn)滑已經(jīng)失效。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，HT-06Z相同實(shí)驗(yàn)條件下，磨痕直徑遠(yuǎn)小于特221潤(rùn)滑脂的磨痕直徑，且在高低溫下變化不明顯，說(shuō)明HT-06Z潤(rùn)滑脂的極壓性能因溫度的變化不明顯且極壓性能強(qiáng)于特221潤(rùn)滑脂。

圖7 100 ℃、負(fù)載為59 N時(shí)四球試驗(yàn)機(jī)監(jiān)測(cè)圖形

潤(rùn)滑脂性能隨溫度的變化與熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果相吻合。潤(rùn)滑脂具有一定的粘附性，可以使?jié)櫥瑒┱掣皆邶X面上，潤(rùn)滑脂的粘附性與運(yùn)動(dòng)粘度相關(guān)，隨著溫度的升高，運(yùn)動(dòng)粘度下降，從而導(dǎo)致粘附性降低。隨著減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)，齒面的潤(rùn)滑脂因離心力的作用被甩掉，同時(shí)高溫加速了化學(xué)吸附膜的蒸發(fā)，在潤(rùn)滑脂無(wú)補(bǔ)償?shù)那闆r下，潤(rùn)滑就會(huì)逐漸失效。同時(shí)由于該齒輪載荷較大屬于重載模式，隨著減速器的工作，兩齒輪嚙合處溫度升高，潤(rùn)滑油膜變薄，兩齒面金屬直接接觸，摩擦系數(shù)變大，加速了齒面的磨損導(dǎo)致齒輪壽命降低無(wú)法完成熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)。

以上得出了特221潤(rùn)滑脂不適合用于該型號(hào)減速器，同時(shí)對(duì)于空間用減速器應(yīng)盡量選用高溫性能好，揮發(fā)性低，極壓性能優(yōu)良的真空氟脂作為潤(rùn)滑劑。

4 結(jié) 語(yǔ)

潤(rùn)滑脂的性能直接關(guān)系到減速器的性能，本文通過(guò)對(duì)添加兩種潤(rùn)滑脂的減速器進(jìn)行試驗(yàn)并分析，得出HT-06Z潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑脂因其高低溫下較高的運(yùn)動(dòng)粘度、良好的潤(rùn)滑性、較高的抗磨損性能，適用于空間用減速器。