軸承組件用控流芯閥材料性能研究

孫小波，尚曉輝，李媛媛，楚婷婷，閆玉杰

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039； 2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.高性能軸承數(shù)字化設(shè)計國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039)

航天器在軌失效統(tǒng)計分析表明[1]，1980—2005 年的156 次航天器失效中， 32%的失效是姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)(Attitude and Orbit Control System，AOCS)的故障造成的，而超過37%的AOCS故障由陀螺儀、動量輪、反作用輪、控制力矩陀螺等空間部件導致，其中88%的空間部件在軌壽命僅為0～8 年，而現(xiàn)在的動量輪等高速空間系統(tǒng)的壽命要求超過20年，甚至30年[2]。

航天器的故障多源自軸承潤滑失效，太空環(huán)境中高真空和低重力等惡劣條件造成潤滑油的揮發(fā)、爬移和化學反應，縮短了航天長壽命軸承的理論潤滑周期[3-4]，因此需要有效的輔助潤滑系統(tǒng)來提高航天空間部件的使用壽命。文獻[5]研究表明，潤滑劑流動速率為0.004 8 mg/d就能保證球軸承中連續(xù)的彈流潤滑(EHD)膜；然而，在空間軸承系統(tǒng)中，供油速率0.004 8 mg/d是一個很低且在實際中很難實現(xiàn)的數(shù)值。目前，正在努力開發(fā)潤滑劑的供油系統(tǒng)，該系統(tǒng)的流動速率可能小于0.24 mg/d[5]。文獻[6]在空間飛輪軸承中使用浸油的棉芯，實現(xiàn)了潤滑油的自供給。文獻[7]設(shè)計了一種離心潤滑裝置，該裝置在鋁制儲油腔外部打出直徑為150 μm的孔道，可在0～80 ℃，3 000～9 000 r/min條件下實現(xiàn)最低0.096 mg/d的供油速率。文獻[8]在儲油器中使用多層夾布膠木作為節(jié)流芯閥，通過改變節(jié)流芯閥截面積可實現(xiàn)0.04～0.08 mg/d的供油速率；但是，夾布膠木芯閥材料的供油速率同截面內(nèi)的棉線數(shù)量、連續(xù)性及其取向有關(guān)，在質(zhì)量控制上難以保持一致性，而微米級的孔道又很難精準制造[9]。

相較于以上材料的限制，多孔聚酰亞胺是優(yōu)異的多孔材料，廣泛應用于長壽命軸承組件[10-11]。本文通過單醚酐型聚酰亞胺與均苯型聚酰亞胺共混，以限位熱壓燒結(jié)的方式制備了軸承組件用控流芯閥材料，對其力學性能、微孔性能以及供油性能進行研究，并對其壽命進行了預測。

1 試驗

1.1 材料制備

采用限位熱壓燒結(jié)工藝制備控流芯閥材料[12]，孔隙率不大于10%。所用原材料單醚酐型聚酰亞胺模塑粉牌號為YS-20，購自上海合成樹脂研究所；均苯型聚酰亞胺模塑粉牌號為P84NT2，購自贏創(chuàng)工業(yè)集團。

1.2 測試與分析方法

采用EVO-18型掃描電子顯微鏡(SEM)進行形貌測試；采用CMT6503型微機控制電子萬能試驗機，按照GB/T 1040.2—2006《塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》測試材料的拉伸強度，拉伸速度為5 mm/min；采用V-SD型邵氏硬度計，按照GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠 使用硬度計測定壓痕硬度(邵氏硬度)》測定材料硬度；采用AutoPore IV 9500型壓汞儀，按照GB/T 21650.1—2008《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度 第1部分：壓汞法》測試材料的孔隙率、孔直徑及其分布。

供油速率是控流芯閥材料的關(guān)鍵指標。試樣經(jīng)清洗、干燥處理后，在供油速率測試裝置中進行試驗。在離心作用下，供油器腔體內(nèi)的潤滑油通過芯閥材料連續(xù)不斷的滲出到延時環(huán)內(nèi)，供油器質(zhì)量降低，每隔一段時間檢測一次供油器質(zhì)量，取3次供油速率的平均值。供油速率為

式中：G0為供油前質(zhì)量，mg；Gt為供油t時間后的質(zhì)量，mg；t為供油總時間，d。

芯閥材料穩(wěn)定供油時，可認為供油速率穩(wěn)定不變，此時運行壽命只取決于搭載的潤滑油質(zhì)量，因此連續(xù)有效的潤滑時間即為預測的運行壽命，即

式中：T為運行壽命，年；m為潤滑油的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 微孔結(jié)構(gòu)和性能

芯閥材料在掃描電鏡下的形貌如圖1所示：圖1a芯閥材料斷面結(jié)構(gòu)均勻；圖1b斷面中一部分呈顆粒狀，一部分呈黏結(jié)狀，這是因為均苯型聚酰亞胺分子結(jié)構(gòu)剛性強，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達380 ℃，高溫下不熔，而單醚酐型聚酰亞胺玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為270 ℃，易成型，兩者混合后，在燒結(jié)溫度340 ℃時，單醚酐型聚酰亞胺在高壓下進入高彈態(tài)，顆粒塑化起到黏結(jié)劑的功效，而均苯型聚酰亞胺仍處于玻璃態(tài)，高壓下只會發(fā)生塑性變形，由此可形成更小孔徑的微孔結(jié)構(gòu)；圖1c為材料內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)，呈“蜂窩”狀，可形成均勻有效的納米級孔道，孔道之間相互貫通，從而實現(xiàn)潤滑油的運輸。

(a)500倍

采用上述成型方法，通過工藝參數(shù)調(diào)整，制備了3種不同孔隙特性的控流芯閥坯料，如圖2所示?？梢钥闯?，材料的孔徑隨著孔隙率的減小呈正相關(guān)線性減小，反映了該材料的微孔可調(diào)性好。作為控流芯閥材料，在不改變材料及橫截面積時可通過調(diào)整工藝參數(shù)控制微孔尺寸，從而控制系統(tǒng)供油速率。

圖2 3種試樣的孔隙特性

3種試樣的孔徑分布如圖3所示：3種試樣的孔徑80%以上分布在0.01～0.50 μm，說明該控流芯閥材料主要由納米級的小孔組成。試樣a在孔徑為0.20～0.50 μm的區(qū)間內(nèi)占比為50.2%；試樣b在孔徑為0.10～0.20 μm的區(qū)間內(nèi)占比為59.1%；試樣c在孔徑為0.01～0.10 μm的區(qū)間內(nèi)占比為70.4%：說明3種試樣的孔徑分布集中，區(qū)別明顯，呈梯度減小。由于控流芯閥的作用是實現(xiàn)潤滑油的長效微供給，而該多孔聚酰亞胺復合材料具有孔徑集中可調(diào)、孔徑小且區(qū)分度大的特點和優(yōu)勢，因而可根據(jù)壽命要求設(shè)計控流芯閥材料的孔隙參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定緩慢的供油速率。

圖3 試樣的孔徑分布圖

2.2 力學性能

控流芯閥是軸承組件的關(guān)鍵部分，可用于動量輪、陀螺馬達、控制力矩陀螺軸承等空間航天器，動量輪結(jié)構(gòu)及軸承組件如圖4所示[13]?？亓餍鹃y坯料需要加工為尺寸精密的螺紋型組件，材料的機加工性能直接影響成品的尺寸精準度和結(jié)構(gòu)完整性，因此可通過拉伸強度和硬度評價其加工性能。控流芯閥材料與聚酰亞胺材料Meldin9000的硬度及拉伸強度對比見表1，控流芯閥材料制成的3個試樣硬度均在80 HD以上，拉伸強度均在20 MPa以上。硬度和拉伸強度達到與世界上最先進的多孔聚酰亞胺材料相當?shù)乃?，在實際機械加工過程中表現(xiàn)出較好的特性，成品合格率較高。

1—金屬殼；2—軸承組件；3—飛輪；4—電動機。

表1 控流芯閥材料與Meldin9000硬度及拉伸強度對比

2.3 供油速率

試驗在供油速率測試裝置中進行，該裝置由外隔離圈、油腔內(nèi)套、控流芯閥和延時甩油環(huán)組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。在試樣運轉(zhuǎn)初期，供油器腔體內(nèi)的潤滑油進入控流芯閥，之后延時甩油環(huán)吸收控流芯閥運輸?shù)臐櫥?，待其達到動態(tài)飽和后向軸承供油。分別將供油器試樣裝入供油速率測試裝置，供油速率測試裝置提供真空環(huán)境，并驅(qū)動供油器在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)。

圖5 供油速率測試裝置示意圖

試樣的供油速率和供油過程結(jié)果如圖6、圖7所示：甩油初期，3個試樣的供油速率均變化較大，此時間段控流芯閥內(nèi)部孔道由不含油狀態(tài)變?yōu)楹蜖顟B(tài)，造成了短期趨穩(wěn)，即延時飽和區(qū)，供油速率呈先增大后減小的趨勢。這是因為潤滑油在離心力和控流芯閥毛細吸引力作用下，從高密度區(qū)域(油腔內(nèi)部)通過控流芯閥滲透到低密度區(qū)域(油腔外部)的過程中，潤滑油需要一定的時間在芯閥材料的徑向和軸向完全浸潤并通過，因此供油速率會有緩慢增加的趨勢；而且，圖3顯示孔徑1 μm附近3種試樣均有極少量的大孔存在，這種不均勻的孔徑分布也會造成材料內(nèi)部毛細作用力存在差異，從而導致潤滑油在芯閥材料內(nèi)部各階段的運輸速率不穩(wěn)定；另外，潤滑油會將氣體分子帶入供油腔內(nèi)，而供油腔是密封的，工作環(huán)境卻是真空的，因此有相當一段時間供油腔內(nèi)與軸承環(huán)境存在壓力差，也會導致出油速率增加。

圖6 供油速率隨時間變化

圖7 試樣供油過程

甩油13 d后，潤滑油已經(jīng)通過控流芯閥進入延時環(huán)，達到軸承潤滑系統(tǒng)長期運轉(zhuǎn)時的狀態(tài)，即系統(tǒng)平衡區(qū)和供油潤滑區(qū)。此時供油器內(nèi)部氣體分子已釋放完，內(nèi)外壓力平衡、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，供油速率也達到穩(wěn)定狀態(tài)，試樣a，b，c的供油速率分別為0.305，0.260，0.155 mg/d。穩(wěn)定供油時，控流芯閥主要受到離心力和毛細作用力，而毛細作用力與微孔孔徑成反比，孔徑越大，毛細作用力越小，離心力不變的情況下，潤滑油的出油速率將會增大。由圖2、圖6可知，3種試樣孔徑da>db>dc，則穩(wěn)定供油時的速率va>vb>vc，表明供油器的實際供油速率與理論相符，供油速率受孔徑大小影響。

2.4 壽命預估

供油器的供油量既不能過多，也不能過少，供油過多會造成軸承組件摩擦力矩增大且不穩(wěn)定，發(fā)熱嚴重；供油量少，會造成軸承潤滑不充分，出現(xiàn)干摩擦，影響軸承組件的使用壽命。同時，供油器向軸承供油時間不能過早，否則會造成軸承內(nèi)潤滑油過多，影響軸承摩擦力矩；供油過晚則會引起軸承出現(xiàn)干摩擦而過早失效。根據(jù)以上芯閥材料的試驗結(jié)果，暫定控流芯閥的供油速率指標為0.2～0.3 mg/d時，可實現(xiàn)供油器微量、連續(xù)、長效的運行。

以搭載2 g潤滑油的供油器為基礎(chǔ)，對芯閥材料的理論運行壽命進行預測，結(jié)果見表2，0.05～0.21 μm孔徑的控流芯閥材料可達到18～27年的運行壽命。

表2 不同孔徑芯閥材料的理論壽命預測

2.5 小結(jié)

綜上可知，該芯閥材料可根據(jù)空間站或大型衛(wèi)星等姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制力矩陀螺(CMG)在軌壽命需求，組建不同供油速率的軸承組件，從而滿足整體空間部件的運行壽命要求。

3 結(jié)束語

本文將單醚酐型聚酰亞胺和均苯型聚酰亞胺共混，通過限位熱壓的方式得到了3種孔徑的軸承組件用控流芯閥材料。結(jié)果表明，該材料力學性能良好，能形成均勻有效的微孔結(jié)構(gòu)；微孔結(jié)構(gòu)影響供油速率，孔徑越大，供油速率越大；在真空環(huán)境、額定轉(zhuǎn)速下可實現(xiàn)0.2～0.3 mg/d的微供油速率，理論上可實現(xiàn)18～27年的運行壽命。