一種空間用微量供油裝置研制及性能測試*

豆照良 宋安佳 李佳鑫 周 剛 張韶華 司麗娜 劉峰斌

(1.北方工業(yè)大學(xué)機械與材料工程學(xué)院 北京 100144；2.北京控制工程研究所空間軸承應(yīng)用試驗室 北京 100094；3.精密轉(zhuǎn)動和傳動機構(gòu)長壽命技術(shù)北京市重點實驗室 北京 100094)

長壽命、高可靠性的衛(wèi)星平臺是我國日益增長的空間戰(zhàn)略需求[1-3]。動量飛輪是空間執(zhí)行機構(gòu)的重要組件。目前，受限于空間條件下軸承組件的潤滑技術(shù)瓶頸，長期服役的軸承組件在潤滑狀態(tài)惡化后，往往會出現(xiàn)摩擦性能下降、摩擦力矩不穩(wěn)定等問題，使得動量飛輪的設(shè)計壽命距離滿足衛(wèi)星長壽命需求仍有一定差距[4-6]。動量飛輪的潤滑問題已成為制約衛(wèi)星平臺技術(shù)提升的關(guān)鍵因素[7]。

經(jīng)統(tǒng)計，過去大部分國內(nèi)外在軌服役的航天器故障中，約1/3是由于運行軌道控制或姿態(tài)控制系統(tǒng)發(fā)生故障，超過1/2的故障是由于動量飛輪、陀螺儀等航天器轉(zhuǎn)動部件摩擦學(xué)性能下降造成的[8-9]。這些故障中的12%造成了整星任務(wù)的終結(jié)，故障中的46%造成整星性能的下降[7]，這均給衛(wèi)星發(fā)射國家造成了巨大的財物損失。

目前我國空間軸系采用的微量供油手段，是通過在多孔保持架或附加儲油裝置內(nèi)預(yù)先儲存潤滑油，在離心力或表面張力的作用下，持續(xù)不斷地將潤滑油釋放來實現(xiàn)軸承潤滑[10]。這種供油裝置供油缺點在于：在向軸承供油前，需要一定的累計運轉(zhuǎn)時間，這樣軸承在飛輪運轉(zhuǎn)初期，就需要由滾道和保持架的油來保證軸承潤滑。經(jīng)過一段時間后，軸承就出現(xiàn)缺油現(xiàn)象[11]。國外對于主動式供油技術(shù)的研究相對較多[12-15]，但仍存在軸向尺寸大、結(jié)構(gòu)不夠緊湊和能耗高等缺點。由此可見，研發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠的主動式微量供油裝置，實現(xiàn)潤滑油的快速穩(wěn)定補給，對避免空間飛行器在運行過程中機械零部件發(fā)生潤滑失效的問題非常重要。

本文作者針對現(xiàn)有潤滑技術(shù)不足，分別研制空間用主動式微量供油裝置及配套性能測控系統(tǒng)，使?jié)櫥鸵旱螐奈⒐苈妨鞒觯瑢S承內(nèi)部組件進行主動式供油。這種主動式潤滑技術(shù)避免了現(xiàn)有潤滑技術(shù)的延時供油、儲油量低的缺點，使?jié)櫥臃e極有效。

1 主動式微量供油總體方案

空間微量供油主要由4個部分構(gòu)成，分別為閥門、管路、傳感器和儲油腔。其中，儲油腔除自身的儲油功能外，還需額外設(shè)置動力補償裝置；閥門可實現(xiàn)對油路節(jié)流的目的；供油管路作為定向輸送潤滑油液的通道，具體分為兩部分，其中一部分連通油腔和閥門，另一部分連通閥門與軸承件。

文中空間用微量供油裝置的工作原理為：將壓縮彈簧作為柔性波紋管的動力補償裝置，彈簧在壓縮后儲存了一部分彈性勢能，可以對波紋管施加壓力使?jié)櫥团懦?；潤滑油液?jīng)管路輸送至電磁閥，電磁閥作為節(jié)流器，通過設(shè)置其啟閉脈寬長度及頻率控制潤滑油液的流量；流出的潤滑油再從出油口脫附轉(zhuǎn)移至所需潤滑的空間零部件上。空間用微量供油裝置工作原理如圖1所示。

圖1 空間用微量供油裝置組成

2 微量供油裝置研制

設(shè)計的空間用微量供油裝置，采用波紋管作為儲油腔，壓縮彈簧作為動力源，電磁閥作為節(jié)流器。為使該裝置能夠應(yīng)用到空間航天器中，需要對其總體結(jié)構(gòu)進行合理地設(shè)計，以保證微量供油裝置具備結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠的特點，滿足空間潤滑組件的質(zhì)量及體積載荷要求。

2.1 流阻估算

對供油管路進行流阻估算的目的在于確定儲能彈簧的預(yù)設(shè)壓力值。根據(jù)黏性流體的伯努利方程估算系統(tǒng)的損失水頭hw，包括沿程損失hf和閥門、截面突變等造成的局部損失hj。其中沿程損失hf理論分析和實驗都表明與流程l成正比，與管徑成反比，即滿足達西(Darcy)公式[16]：

(1)

式中：λ為沿程阻力損失系數(shù)；v為流動速度；g為重力加速度。

局部損失hj：

(2)

式中：ζ稱為局部損失系數(shù)。

如已知流體流速及黏性系數(shù)，則沿程阻力計算公式為

(3)

式中：Δp為沿程阻力；v為流動速度；d為流程直徑；μ為黏性系數(shù)。

以黏度與航天長城潤滑油4129相近的PAO 10型潤滑油為例，其室溫下的動力黏度為0.128 Pa·s，主動供油器管徑取1.5 mm，長度按照工程實際取400 mm，初步估算沿程阻力約1 710 Pa。

2.2 供油量控制設(shè)計

現(xiàn)有電磁閥工作的特點決定了連續(xù)供油實現(xiàn)每天毫克、亞毫克量級是非常困難的[17]。只要每次的脈沖足夠小，不至于引起軸承因為油多發(fā)生阻力矩波動[13]，則可采用間斷式脈沖供油。

通過前述簡要分析可知，確定管道系統(tǒng)后，每次的最小供油量q與驅(qū)動壓力p、溫度T和閥門響應(yīng)時間t均有關(guān)，即q=f(p，T，t)。 軸承正常工作時，一定時間內(nèi)對潤滑油的需求為常量。這樣，如果供油的間隔時間是常數(shù)(如10天)，則可以通過調(diào)整每次供油的閥門響應(yīng)時間來確保平均供油速率為常數(shù)，即如圖2所示的定間隔變脈沖方式；同理，如果電磁閥的響應(yīng)時間是常數(shù)，則可通過調(diào)整供油間隔時間來達到同樣的效果，即如圖3所示的定脈沖變間隔方式。后者需要考慮潤滑油液在供油毛細管出口端的脫附性能，即脫附液滴的最小油量，一旦單個脈沖不夠一滴油時，就需要多個脈沖才能有效供給一次[18]?？紤]到簡化電磁閥控制電路，可采用如圖3所示的方式。

圖2 定間隔變脈沖供油控制電路工作方式

圖3 定脈沖變間隔供油控制電路工作方式

2.3 微量供油裝置設(shè)計

微量供油裝置的單次供油量、總供油量滿足工程需要的同時，還需對其進行小型化、輕量化設(shè)計。對此，提出了如下工程樣機優(yōu)化方案。

如圖4所示，供油裝置由波紋管、壓縮彈簧、電磁閥、上端蓋、閥座、毛細管、殼體等組成。其主要特點：

圖4 微量供油裝置結(jié)構(gòu)

(1)電磁閥與波紋管、殼體各嵌入并聯(lián)一部分。電磁閥與波紋管的并聯(lián)使波紋管在供完全部油液后剩余油量最小，且通過增大波紋管內(nèi)徑使波紋管在較小變形量下供給等量潤滑油。電磁閥與彈簧的并聯(lián)，使彈簧壓縮后剩余長度盡可能被利用，從而達到小型化目的。

(2)電磁閥固定在閥座上，電磁閥進油管縱穿閥座，通過螺紋連接至波紋管內(nèi)腔，通過密封圈、密封槽設(shè)計，使電磁閥在保證密封條件下，可拆卸。

(3)在波紋管底部開有壓力傳感器連接孔和補油孔，用以在線監(jiān)測波紋管內(nèi)腔油壓和補油。

(4)電磁閥選用結(jié)構(gòu)更緊湊，響應(yīng)更靈敏的美國捷邁公司MC202-VB60-L201型電磁閥。

2.4 小型化及輕量化設(shè)計

供油裝置殼體部分整體直徑為55 mm，高為76 mm。其中包括上端蓋和殼體，兩者通過螺紋連接用以壓縮彈簧。出口端毛細管內(nèi)徑0.1 mm，外徑1 mm。

波紋管外徑50 mm，內(nèi)徑40 mm，高度43 mm，波紋管底部的法蘭上端面距內(nèi)腔下端面6 mm，總供油量可達7.536 mL，約6.4 g。

彈簧線徑2 mm，中徑28 mm，自由高度33 mm，壓縮后高度為20 mm，初始可為波紋管提供37.44 N補償力(腔內(nèi)壓力約為30 kPa)，最終可為波紋管提供20.16 N補償力，經(jīng)計算大于波紋管與沿程阻力之和的14.15 N。

如圖5所示，電磁閥座直徑27 mm，高度5.5 mm，設(shè)計有外螺紋，可通過螺紋連接至波紋管內(nèi)部，底座上表面按電磁閥螺孔尺寸設(shè)計有電磁閥固定板。

圖5 電磁閥及閥座尺寸及實物圖(mm)

波紋管下端法蘭中心加工有M5螺紋孔用以連接壓力傳感器，一側(cè)設(shè)計有M3螺紋孔用以補油并有密封槽設(shè)計，如圖6所示。

圖6 波紋管底部通孔分布

裝置中的波紋管、上端蓋、殼體和閥座均采用輕質(zhì)的鈦合金，相對于傳統(tǒng)不銹鋼材質(zhì)在質(zhì)量上具有一定的優(yōu)勢。

小型化、輕量化后的微量供油裝置樣機實物圖如圖7，實物樣機最大外形尺寸為φ55 mm×76 mm，總質(zhì)量為288.6 g。

圖7 小型化供油裝置實物圖

3 微量供油性能測控系統(tǒng)研制

為快速測量供油裝置樣機的供油效果，準確控制電磁閥脈沖寬度，使壓力與流量的數(shù)值變化規(guī)律可視化，基于LabVIEW開發(fā)了微量供油裝置測控系統(tǒng)。

3.1 測控原理

微量供油性能測控系統(tǒng)原理如圖8所示，包括測量模塊、控制模塊和測控程序。測量模塊包括傳感測量單元和數(shù)據(jù)采集單元，控制模塊包括電磁閥和脈沖發(fā)生裝置。

圖8 微量供油裝置采控系統(tǒng)原理

3.2 技術(shù)指標與特點

(1)油液質(zhì)量檢測精度為0.1 mg，可自動采集質(zhì)量數(shù)據(jù)并遠程傳輸至采控主機進行記錄；

(2)測試系統(tǒng)配備8路單端模擬量輸入和12路數(shù)字量輸入端口，可以同時對溫度、壓力及供油量多個參數(shù)進行監(jiān)測和記錄；

(3)測試系統(tǒng)配備12路數(shù)字輸出，可以同時控制12路電磁閥；

(4)電磁閥控制脈沖時長：50 ms～1 s，連續(xù)可調(diào)，分辨率不大于10 ms；

(5)脈沖時長和間隔時長可編輯，支持多個脈沖連續(xù)或間斷供油；

(6)軟件界面基于LabVIEW開發(fā)，支持二次開發(fā)。

4 供油性能驗證試驗

在大氣環(huán)境中、室溫及重力條件下對原理驗證樣機的供油性能進行測試。

4.1 累計供油量隨供油時長的變化

采用上述自行研制的微量供油性能測控系統(tǒng)對供油裝置樣機累計供油量隨供油時長的變化進行測試，結(jié)果如圖9所示。小型化樣機有效供油量為4.96 g，累計供油時長490 s，滿足工程技術(shù)要求。隨供油時長的持續(xù)增加，總供油量也隨之增大。圖中曲線斜率逐漸減小，供油速率呈逐漸降低趨勢。

圖9 總供油量隨供油時長的變化

4.2 單脈沖供油量隨供油時長的變化

對供油裝置樣機單脈沖供油量隨供油時長的變化進行了測試。如圖10所示為有效脈寬取200 ms時，單次供油量隨供油時長的變化曲線?？梢婋S供油時長的逐漸增加，單次供油量由最初的5.39 mg逐漸降低至約1 mg。圖中曲線變化較平緩，單脈沖供油量變化較穩(wěn)定。供油首末單次供油量相對值為4.39 mg，可通過定時間間隔而調(diào)節(jié)脈沖寬度的方式將單次供油量調(diào)整至穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 單個脈沖(200 ms)供油量隨供油時長的變化

4.3 儲油腔壓力隨供油時長的變化

對供油裝置樣機儲油腔壓力隨供油時長的變化進行了測試，結(jié)果如圖11所示。

圖11 儲油腔壓力隨供油時長的變化

由圖11可見儲油腔初始壓力約為22 kPa，儲油腔內(nèi)壓力隨供油時長增加逐漸下降，累計供油時長400 s后逐漸降至0.1 kPa。由于供油初期彈簧勢能較大，儲油腔內(nèi)壓力較大，波動較大，隨彈簧勢能逐漸釋放，當供油時長約為100 s時，彈簧產(chǎn)生的波動對儲油腔內(nèi)壓力影響可忽略。

5 結(jié)論

研制微量供油裝置樣機及配套測試裝置，并對微量供油裝置進行性能測試實驗。主要結(jié)論如下：

(1)設(shè)計的微量供油裝置以波紋管儲油、彈簧儲壓、微量電磁閥節(jié)流的方式進行主動式微量供油，具有可行性。

(2)波紋管儲油11 g、儲壓22 kPa、電磁閥通徑0.78 mm、毛細管內(nèi)徑0.6 mm時，總供油可以達到5 g，脈寬為200 ms時，單次供油量小于6 mg，滿足工程技術(shù)要求。

(3)微量電磁閥結(jié)構(gòu)尺寸以及儲油腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計對控制整體尺寸有重要影響，二者均存在提升空間，是完成工程樣機研制必須解決的問題。