油-脂復(fù)合潤(rùn)滑軸承填脂量分析與研究

趙雁 王雅夢(mèng) 戴天任

一、前言

某衛(wèi)星用軸承單元的工作轉(zhuǎn)速低（200r/min以下），軸承潤(rùn)滑主要采用固體潤(rùn)滑方案。相關(guān)研究表明固體潤(rùn)滑膜層碾壓達(dá)到1x10⁷次后易出現(xiàn)點(diǎn)狀剝落，且潤(rùn)渭膜破壞后無(wú)法自我修復(fù)，將大大降低軸承可靠性。近年來(lái)，隨著衛(wèi)星在軌設(shè)計(jì)壽命的不斷延長(zhǎng)，軸承的累積工作壽命要求大于1x108轉(zhuǎn)，固體潤(rùn)滑軸承已無(wú)法滿足主機(jī)壽命要求。油潤(rùn)滑軸承在低轉(zhuǎn)速特別是主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)初期難以形成良好的潤(rùn)滑膜層，而脂潤(rùn)滑軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力矩偏大，軸承潤(rùn)滑已成為制約長(zhǎng)壽命主機(jī)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。油-脂混合潤(rùn)滑軸承，采用多孔含油保持架，并在鋼球及滾道表面涂抹適量的潤(rùn)滑脂，潤(rùn)滑脂能夠在軸承滾道表面形成潤(rùn)滑膜，結(jié)合保持架的微量出油，可形成長(zhǎng)效潤(rùn)滑機(jī)制，具有壽命長(zhǎng)、可靠性高等特點(diǎn)。因此，油-脂混合潤(rùn)滑已成為長(zhǎng)壽命低速軸承潤(rùn)滑的重點(diǎn)研究方向。影響油-脂混合潤(rùn)滑軸承性能的主要因素是保持架的出油速率及潤(rùn)滑脂的填脂量，本文重點(diǎn)研究填脂量對(duì)軸承的性能影響。

國(guó)內(nèi)、外學(xué)者對(duì)脂潤(rùn)滑軸承的填脂量進(jìn)行了大量深入的研究，指出脂潤(rùn)滑軸承的填脂量約為軸承內(nèi)部空腔容積的1/3-1/2;曹萍、白越等人研究發(fā)現(xiàn)微量脂潤(rùn)滑軸承的功耗小于油潤(rùn)滑軸承的功耗美國(guó)MiChaCl Buucry的研究表明潤(rùn)滑脂含量對(duì)軸承的摩擦力矩、振動(dòng)及溫升有巨大影響。具了解，國(guó)外油-脂混合潤(rùn)滑軸承已成功應(yīng)用于多個(gè)空間機(jī)構(gòu)中，由于技術(shù)封鎖，填脂量的相關(guān)信息無(wú)從知曉;國(guó)內(nèi)對(duì)空間用油-脂混合潤(rùn)滑軸承已進(jìn)行了初步研究，目前未見(jiàn)公開(kāi)研究成果。因此，國(guó)內(nèi)、外能夠查閱到的油-脂混合潤(rùn)滑軸承填脂量的文獻(xiàn)寥寥無(wú)幾。

鑒于此，本文以某空間儀器用油一脂混合潤(rùn)滑軸承為例，基于空間油氣散逸模型優(yōu)選出不同的填脂量方案，并進(jìn)行了性能對(duì)比試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)確定最佳填脂量。

二、主機(jī)及軸承參數(shù)

1、某空間機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)

某空間機(jī)構(gòu)在目標(biāo)探尋定位階段需要反復(fù)啟停，目標(biāo)定位后勻速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)功能，這就要求軸承單元具有啟動(dòng)及動(dòng)態(tài)摩擦力矩小而平穩(wěn)的特性。同時(shí)為了確保觀測(cè)器件不受污染，主機(jī)要求軸承單元的油氣逸出量不能超過(guò)160mg。主要技術(shù)指標(biāo)如表1所列。

2、軸承結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑參數(shù)

該機(jī)構(gòu)采用一對(duì)背靠背安裝的B7005C軸承，軸承采用多孔聚酰亞胺保持架，潤(rùn)滑方式為油一脂混合潤(rùn)滑，保持架含油率控制在20%以內(nèi)，潤(rùn)滑劑選用P201潤(rùn)滑油和KKP201潤(rùn)滑脂（基礎(chǔ)油為P201），潤(rùn)滑劑性能參數(shù)如表2、3所列，P201潤(rùn)滑油和KKP201潤(rùn)滑脂具有較小的真空揮發(fā)損失與較低的飽和蒸汽壓，能夠滿足主機(jī)對(duì)油氣的低散逸需求。

三、試驗(yàn)填脂量的確定

空間機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)速低且不完全密封，軸承單元的油氣散逸為潤(rùn)滑劑損耗的最關(guān)鍵因素。因此，軸承的最小填脂量應(yīng)至少能夠保證空間機(jī)構(gòu)在8年壽命周期內(nèi)、潤(rùn)滑油的油氣逸出后仍能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

1、油氣散逸模型

為有效減少油氣的散逸，軸承單元在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將兩端設(shè)計(jì)為迷宮密封，如圖1所示。潤(rùn)滑油流動(dòng)狀態(tài)根據(jù)式（1）進(jìn)行判別。軸承單元工作在高真空中，因此迷宮管道中壓力為飽和蒸氣壓，P201潤(rùn)滑油常溫下的飽和蒸氣壓為7.5x 10-7Pa，迷宮管道直徑遠(yuǎn)小于1m，潤(rùn)滑劑流動(dòng)狀態(tài)判定為分子流。因此，迷宮密封可簡(jiǎn)化為環(huán)形截面管道和徑向輻射流結(jié)構(gòu)的組合體，如圖2、3所示，其流導(dǎo)計(jì)算公式見(jiàn)式（2）、（3）。

pd<0.02Pa·m——子流 （1）

其中，p是管道中平均壓力，單位為Pa;d是管道直徑，單位為m。

環(huán)形截面流導(dǎo)計(jì)算公式：

式中：U是分子流時(shí)環(huán)形截面流導(dǎo)，單位為m³/s;T為絕對(duì)溫度，k;M是相對(duì)分子量，單位為kg/mol;

d1、d2是圓環(huán)內(nèi)外徑，單位為m;L是管道長(zhǎng)度，單位為m;K是修正系數(shù)。

徑向輻射流導(dǎo)計(jì)算公式：

式中：U是分子流時(shí)徑向輻射流導(dǎo)，單位為m³/s;a是兩圓盤(pán)距離，單位為m;r1、r是有孔圓孔半徑、無(wú)孔圓半徑，單位為m;

串聯(lián)后總流導(dǎo)按下式計(jì)算：

油氣逸出量：

Q=UPt（5）

式中：Q是逸出氣量，單位為Pa-m³;P是管道內(nèi)外氣壓差，單位為Pa;t是時(shí)間，單位為s。

油氣逸出質(zhì)量：

式中：m是逸出氣體質(zhì)量，單位為kg;R是氣體常數(shù)，8.3143J/（k·mon）。

2、油氣逸出量計(jì)算及試驗(yàn)填脂量確定

空間機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命時(shí)間為8年（2.52288x10⁸s），選用潤(rùn)滑劑在25℃時(shí)飽和蒸氣壓約為：P=7.5x10^-7pa

飽和蒸汽壓與絕對(duì)溫度的關(guān)系：

假設(shè)油氣逸出后不聚集，根據(jù)流導(dǎo)公式能夠計(jì)算得到軸承單元最大的油氣逸出量。保持架的含油量為479，由于軸承工作轉(zhuǎn)速較低，由相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論可知保持架的可用油量大概為其總含油量的24%，由此可以計(jì)算出保持架的可用油量。則油氣逸出量計(jì)算結(jié)果及空間機(jī)構(gòu)壽命周期內(nèi)軸承潤(rùn)滑油量分析如表4所列。

由表4可知，軸承單元內(nèi)的潤(rùn)滑油量能夠滿足主機(jī)在8年壽命周期內(nèi)的油氣逸出需求。為了保證軸承單元運(yùn)轉(zhuǎn)的高可靠性及航天產(chǎn)品的冗余設(shè)計(jì)要求，潤(rùn)滑油與潤(rùn)滑脂的總含量至少要達(dá)到129.4mg，軸承滾道的最小填脂量應(yīng)不少于14.4mg，最大填脂量應(yīng)滿足主機(jī)的啟動(dòng)摩擦力矩要求。因此，在最小填脂量（14.4mg）與軸承空腔容積1/3體積所填脂量（890mg）的區(qū)間內(nèi)，對(duì)多種填脂量進(jìn)行成對(duì)軸承啟動(dòng)摩擦力矩初期測(cè)試與篩選，剔除啟動(dòng)摩擦力炬過(guò)大方案，對(duì)余下填脂量方案進(jìn)行優(yōu)化選取。優(yōu)化選取的原則是以最小填脂量為基礎(chǔ)，以15mg填脂量（約為軸承滾道表面積的0.01mm厚度的脂量）為梯度進(jìn)行填脂量選擇。最終選取的試驗(yàn)填脂量為15mg、30mg、45mg和60mg。

四、性能試驗(yàn)與分析

1、試驗(yàn)方案

將四套軸承單元分別填充不同潤(rùn)滑脂量，方案如表5所列。為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，要求四套軸承單元接觸角、載荷等狀態(tài)一致，并在試驗(yàn)前將軸承全部進(jìn)行200小時(shí)的磨合，以消除軸承表面質(zhì)量因素對(duì)其性能的影響。涂脂后測(cè)試其啟動(dòng)摩擦力矩，而后分批次安裝同一驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試轉(zhuǎn)速為軸承單元工作轉(zhuǎn)速，通過(guò)電機(jī)在常溫、高溫、低溫下電流變化情況來(lái)考核軸承單元的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。性能試驗(yàn)完成后復(fù)測(cè)啟動(dòng)摩擦力矩，測(cè)試軸承的油膜電阻，判斷軸承滾道表面的油膜厚度及分布情況，最后拆解軸承并將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而優(yōu)選出最佳填脂量。

2、試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）填脂量對(duì)軸承單元啟動(dòng)摩擦力矩的影響。

在摩擦力矩測(cè)試儀上測(cè)試不同方案在動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱跑合）前、后的啟動(dòng)摩擦力矩，分析不同填脂量下啟動(dòng)摩擦力矩的變化規(guī)律，并測(cè)試不同填脂量在不同溫度下的啟動(dòng)摩擦力炬，評(píng)判不同填脂量下軸承單元的冷熱啟動(dòng)能力。啟動(dòng)摩擦力矩測(cè)試裝置如圖4所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖5-7所示。

從圖5可以看出跑合性能試驗(yàn)前軸承單元的啟動(dòng)摩擦力矩?zé)o規(guī)律性，這是由于滾道和鋼球上的潤(rùn)滑脂分布不均，存在潤(rùn)滑脂在某處堆積的情況;跑合試驗(yàn)后軸承單元的啟動(dòng)摩擦力矩隨填脂量的增多呈現(xiàn)增大趨勢(shì);當(dāng)填脂量達(dá)到60mg時(shí)，其啟動(dòng)摩擦力矩出現(xiàn)較大增幅。

圖6、圖7為四種方案跑合前后啟動(dòng)摩擦力矩隨溫度的變化情況，從圖中可以看出跑合后各填脂量在不同溫度下的啟動(dòng)摩擦力矩明顯小于跑合前狀態(tài)，啟動(dòng)摩擦力炬隨填脂量的增加而增大。跑合前后四種方案下啟動(dòng)摩擦力炬隨溫度的變化趨勢(shì)基本相同，都隨溫度的降低先減小后增大，但跑合后啟動(dòng)摩擦力矩隨溫度的變化更趨于平緩，尤其是填脂量為15mg和30mg時(shí)，高、低溫與常溫啟動(dòng)摩擦力炬值的差異不大，說(shuō)明這兩種填脂量下軸承單元的冷熱啟動(dòng)能力更好，符合主機(jī)提出的摩擦力炬小而均勻的要求。

（2）填脂量對(duì)軸承單元?jiǎng)討B(tài)性能的影響。

將四套軸承單元分別進(jìn)行常溫48h，高、低溫各12h的動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為200rpm，試驗(yàn)裝置如圖8所示。軸承高、低溫性能試驗(yàn)在高低溫箱中進(jìn)行，通過(guò)監(jiān)控四種填脂量方案下跑合過(guò)程中的電流值及其波動(dòng)來(lái)判別軸承單元的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，四種方案常溫、高溫和低溫電流曲線如圖9所示。

軸承單元常溫、高溫、低溫跑合電流最大值、最小值、波動(dòng)值如表6-8所列。

由試驗(yàn)電流圖9及電流波動(dòng)表6-8可知：

四種試驗(yàn)方案的常溫電流值隨填脂量的增多逐漸增大，電流波動(dòng)值較小，說(shuō)明在四種填脂量下，軸承單元的常溫運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)異，但填脂量為60mg時(shí)，功耗略大。

在高溫跑合狀態(tài)下，a，b兩種方案下軸承單元表現(xiàn)穩(wěn)定;c，d兩種方案下的電流值及其波動(dòng)明顯大于a，b方案，特別是60mg時(shí)，高溫電流值達(dá)到了a方案電流值的3.2倍，并伴隨異常的電流波動(dòng)。分析認(rèn)為在高溫跑合時(shí)，填脂量過(guò)多，軸承滾道跑合帶兩側(cè)堆積的大量潤(rùn)滑脂因其粘度降低，與保持架微孔出油混合后進(jìn)入滾道跑合區(qū)域，造成軸承內(nèi)部攪拌力劇增，導(dǎo)致軸承電流異常。

低溫跑合時(shí)，a，b，c三種方案下軸承單元電流值小且運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定;當(dāng)填脂量達(dá)到60mg時(shí)，電流值倍增，并出現(xiàn)較為明顯波動(dòng)。分析認(rèn)為由于填脂量過(guò)多，潤(rùn)滑脂粘度增大的影響凸顯出來(lái)，導(dǎo)致了軸承單元功率消耗過(guò)大，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性下降。

由動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)情況可知，當(dāng)填脂量為15mg與30mg時(shí)，軸承單元在常溫、高溫、低溫狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)性能最為穩(wěn)定。

（3）填脂量對(duì)軸承滾道油膜分布的影響。

空間機(jī)構(gòu)用油脂混合潤(rùn)滑軸承由于轉(zhuǎn)速較低，在運(yùn)轉(zhuǎn)初期主要依靠潤(rùn)滑脂形成的油膜達(dá)到潤(rùn)滑效果，油膜的厚度及分布情況直接影響組件的潤(rùn)滑壽命。為了評(píng)估不同填脂量下軸承內(nèi)部油膜厚度及分布，對(duì)軸承單元進(jìn)行了油膜電阻測(cè)試試驗(yàn)。

電阻法是最早提出的用于測(cè)量潤(rùn)滑油膜厚度與分布的技術(shù)。電阻法測(cè)量原理利用了金屬導(dǎo)電性能與潤(rùn)滑油脂導(dǎo)電性能相差懸殊的特性以及油膜厚度與油膜電阻之間的關(guān)系。當(dāng)油膜將接觸面完全隔開(kāi)時(shí)電阻很大，而當(dāng)金屬接觸時(shí)電阻急劇下降，它能相當(dāng)有效地測(cè)定金屬接觸百分比，易于實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。在動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)后，將軸承單元?jiǎng)屿o件之間外接萬(wàn)用表，并勻速使其轉(zhuǎn)動(dòng)，監(jiān)視萬(wàn)用表上電阻值的變化情況，從而得知軸承滾道上油膜分布的變化，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

從圖中可以看出，填脂量為15mg（a方案）時(shí)油膜電阻值較小，且存在電阻值急速下降的情況，說(shuō)明軸承滾道內(nèi)潤(rùn)滑油膜厚度薄且分布不均，存在金屬間的接觸;其余三種方案由于填脂量增大，跑合后油膜厚度與均勻性較填脂量為15mg時(shí)有明顯改善。

（4）軸承拆解分析。

試驗(yàn)結(jié)束后，按照相關(guān)操作規(guī)程將軸承單元進(jìn)行分解，對(duì)四種試驗(yàn)方案下軸承套圈進(jìn)行拍照，軸承外圈內(nèi)的油脂分布如圖11所示。

由圖11可以看出，a、b兩種方案下軸承滾道跑合帶輪廓清晰，跑合帶兩側(cè)的油脂呈現(xiàn)規(guī)則的帶狀分布;c、d兩種方案下軸承滾道跑合帶呈淺白色，跑合帶兩側(cè)油脂堆積較厚，且分布不均，特別是d方案下（60mg填脂量）時(shí)滾道油脂出現(xiàn)斑塊狀粘連痕跡以及潤(rùn)滑脂向軸承擋邊擴(kuò)散跡象。此現(xiàn)象說(shuō)明填脂量過(guò)多，鋼球與滾道在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中易產(chǎn)生較大的粘滯阻力，導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。

3、試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)完成后，將所有試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行匯總與對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表9所列。從表中可以明顯的看出，當(dāng)填脂量為30mg時(shí)，軸承單元的綜合性能最好。

五、結(jié)論

本文根據(jù)空間油氣的散逸模型分析確定了試驗(yàn)填脂量的方案，并進(jìn)行軸承單元的性能對(duì)比試驗(yàn)與分析，得出如下結(jié)論：

綜合試驗(yàn)表明，基于本文工況，當(dāng)填脂量為30mg，約占軸承內(nèi)部空腔容積的1%左右時(shí)，軸承滾道表面油膜形成均勻，軸承單元的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性最好。

填脂量對(duì)油脂混合潤(rùn)滑軸承的高溫運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性影響最大，高溫電流能夠敏銳的反映填脂量的變化。因此，高溫電流的穩(wěn)定度可以做為評(píng)價(jià)填脂量合適與否的關(guān)鍵指標(biāo)。

目前，將本文得出的最佳填脂量及其比例應(yīng)用在某空間機(jī)構(gòu)軸承單元上，軸承單元累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)超過(guò)5184000轉(zhuǎn)，摩擦力矩及電流值穩(wěn)定。可以認(rèn)為本試驗(yàn)結(jié)果能夠推廣應(yīng)用在低速工況下采用相同潤(rùn)滑劑的空間機(jī)構(gòu)中。