航天長壽命軸承潤滑技術

孫小波，王楓，葛世軍，張弘毅，王子君

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

軸承及軸承單元決定了航天器的精度、壽命與可靠性，是航天器中的關鍵零部件。軸承的潤滑是實現功能的關鍵因素，絕大多數軸承失效是因潤滑失效引起的。航天軸承潤滑技術與常規軸承潤滑技術相比具有其特殊性，主要表現在空間潤滑材料、環境及運動工況與大氣環境迥異，通常涉及超高真空、高低溫交變、高低速和多次啟-停等[1]；且航天器一旦發射出去，不可能再補充潤滑油。因此，對航天軸承而言，要求其具有低摩擦、高精度、長壽命和高可靠性，必須時刻保持良好的潤滑狀態。這種需求給軸承的材料和設計帶來了諸多挑戰，特別是在潤滑系統上[2]。

1 航天長壽命軸承潤滑特點

1.1 航天軸承潤滑的特殊性

航天軸承的特殊工況及低摩擦、長壽命和高可靠性需求決定了其不能采用常規的潤滑技術，而是采用固體潤滑技術或一次性稀油潤滑技術，潤滑方式較為特殊。對于高速精密長壽命軸承，如動量輪用軸承，國內、外均采取一次性稀油潤滑技術，即保持架采用多孔材料，保持架除了在軸承旋轉時使滾動體相互分離外，還以多孔形式作為潤滑油來源或載體，具有重要的作用[3-4]。

1.2 航天長壽命軸承的潤滑原理

航天長壽命軸承采用的多孔材料保持架是將聚合物樹脂或含棉纖維的樹脂經特殊工藝壓制燒成型，最后將潤滑油壓入微孔材料內制成。該保持架具有一定的機械強度，內部或表面有微孔，含潤滑油的微孔成為潤滑油相互流通的通道。

軸承運轉時保持架同向運轉，由于受到離心力，多孔材料保持架內的潤滑油有向外轉移的趨勢；同時軸承運轉時摩擦產生的熱量使保持架出現溫升，而潤滑油的體積膨脹系數較保持架材料大，保持架材料內部微孔內所含潤滑油的體積膨脹量比微孔體積增加量大，產生一種壓迫潤滑油向外表面滲透的內壓力，在這兩種力的作用下潤滑油從多孔材料內溢出至表面。隨著保持架溫度的升高，內部潤滑油黏度降低，其流動性增強，潤滑油向滾動體表面轉移的速率加快。滾動體轉動時將保持架表面潤滑油轉移到接觸的滾道面上，逐漸形成一層油膜，把相互接觸的表面隔開從而起到潤滑作用[3]。

多孔材料保持架的獨特之處在于其具有回收潤滑油的能力，保持架材料內微孔對潤滑油產生的毛細管力大小與微孔直徑成反比，與潤滑油和多孔材料之間的表面張力成正比，該力阻止保持架內潤滑油的過快流失。當軸承停止運轉時，內部溫度降低，同樣由于兩種材料的熱膨脹系數不同，在微孔內形成負壓，將相接觸的多余潤滑油吸入到保持架孔內。在轉速、載荷、溫度及潤滑油特性等外界條件一定時，通過運轉會建立一種動態平衡，此時出油與吸油速率相等，油膜厚度穩定，這是一種理想的平衡狀態，多孔材料保持架進入了平穩工作區。

裝有多孔材料保持架的航天長壽命軸承潤滑油的流動過程為：保持架→滾動體→滾道→滾動體→保持架。

1.3 航天長壽命軸承多孔材料保持架

目前，航天長壽命軸承主要采用多孔聚酰胺材料保持架、多孔棉布-酚醛材料保持架和多孔聚酰亞胺材料保持架。

1.3.1 多孔聚酰胺材料保持架

1959年美國麻省理工學院最先研制出具有相互貫通微孔的多孔尼龍材料，隨后多孔聚酰胺材料保持架成功應用于美國Titan-2型陀螺軸承中。在相對濕度為50%時，干燥的多孔尼龍材料可吸收3%w/w的水分，浸滿油后只能吸收0.6%w/w的水分，表明只有很少的水分可以進入已經充滿潤滑油的材料內。

與多孔棉布-酚醛保持架材料相比，其含油率較高且可以形成從保持架到滾道面和再從滾道面返回保持架的循環潤滑系統[4]。但該材料存在不能根據需求獨立地調節或改變孔徑或總孔容、阻力較大、化學穩定性與耐溫性差、摩擦學性能不佳、耐空間環境狀況差等缺點，限制了其更廣泛的應用。

1.3.2 多孔棉布-酚醛材料保持架

多孔棉布-酚醛材料以棉布為基材，酚醛樹脂為粘合劑，熱反應型發泡劑為成孔劑，采取熱輾壓及燒結工藝制成管狀材料。其利用棉纖維的毛細管作用儲備并將潤滑油輸送到保持架表面，從而起到長期潤滑作用，其耐熱性優于多孔聚酰胺保持架材料，尺寸穩定性較高，是傳統的多孔保持架材料。

多孔棉布-酚醛保持架材料對水分十分敏感，尚未浸油的多孔棉布-酚醛保持架材料暴露在一定濕度的空氣中時，會因吸濕而使材料膨脹并阻止材料中與棉纖維相連的毛細孔對油的吸收，且多孔棉布-酚醛材料保持架的直徑增加0.2%～0.4%[5]，保持架尺寸變大而緊貼軸承外圈[6]。完全浸油后的多孔棉布-酚醛材料保持架暴露在一定濕度的空氣中時，由于吸濕而迫使其毛細孔中高達1/3～1/2的潤滑油流出。因此多孔棉布-酚醛材料保持架在制造、浸油、軸承的安裝以及儲藏時應盡量免受空氣濕度的影響。

此外，多孔棉布-酚醛保持架材料還存在材料孔隙率、含油率和含油保持率相對較低的弊端，限制了其應用。

1.3.3 多孔聚酰亞胺材料保持架

多孔聚酰亞胺材料保持架以聚酰亞胺模塑粉為原料，采用冷壓自由燒結或定容燒結工藝制成。內部具有貫穿的通孔，其孔隙率、孔徑及分布可通過改變制備工藝進行控制，采用不同粒度的模塑粉和調節成型工藝參數可以實現對孔徑和孔隙率的精確控制[3]。

多孔聚酰亞胺保持架材料較多孔棉布-酚醛與多孔聚酰胺保持架材料化學穩定性及耐溫性好、摩擦磨損性能優異、機械強度高、空間環境耐受性好，含油率和含油保持率較高且可控可調，能夠在軸承使用過程中提供良好持續的潤滑，成為研究和應用的重點。

美國Dixon公司[7]和洛陽軸研科技股份有限公司生產的多孔聚酰亞胺保持架材料部分性能對比見表1。

表1 多孔聚酰亞胺保持架材料性能對比

2 長壽命補充供油技術

2.1 長壽命補充潤滑的必要性

航天長壽命軸承多孔材料保持架中潤滑油存在的散失或變質問題使潤滑周期縮短，這主要是由于：(1)在離心力作用下，有一部分潤滑油向軸承滾道外散失，不能繼續潤滑軸承；(2)在真空條件下，潤滑油蒸發加劇，部分潤滑油散失；(3)在工作過程中，潤滑油還會發生化學變化生成非潤滑物質，在高溫環境下這一現象更為明顯。同時航天器的任務周期越來越長，如NASA的空間探測器任務周期為30年[8]，這對潤滑壽命提出了更加苛刻的要求，單靠多孔材料保持架中的浸油量無法滿足需求，必須發展長壽命補充供油技術。

2.2 長壽命補充潤滑的原理及常用結構形式

為了有效延長軸承及航天器壽命，在航天軸承的安裝部位設計供油系統，如儲油器、儲油箱及泵輔系統[9-10]，利用控油技術使內部的潤滑油緩慢流向軸承，補充散失或變質的潤滑油。

根據工作特征，航天器中潤滑系統可分為無源潤滑系統和有源潤滑系統[2]。無源潤滑系統是在離心力或表面遷移力驅使下給軸承持續不斷地提供潤滑油，常用的結構形式有離心潤滑器、滲出流體潤滑器、油繩式潤滑系統、多孔儲油器等。有源潤滑系統是當有外部信號命令時，其給軸承供應定量的潤滑油，常用的結構形式有主動潤滑系統、原位需求潤滑器、靜態潤滑儲油器等。

2.2.1 離心潤滑器[2]

安裝于軸承單元旋轉部分的離心潤滑器是當前應用最普遍的潤滑器類型。圓形的容器中充有潤滑油，潤滑油的最外層提供潤滑油的流出路徑。當軸承單元旋轉時，緊貼著軸承單元的潤滑器也以相同的速度旋轉，離心作用力促使潤滑油通過流出路徑流出，流向安裝在潤滑器兩端的軸承，補充缺失的潤滑油。

在文獻[2]開發的離心潤滑器(圖1)中，潤滑油被充滿于金屬儲油器中。潤滑器外套管外壁有注流孔，潤滑油在離心作用下從該孔中流出。流速由安裝在儲油器內注流孔下端的限制器控制。從儲油器中流出的潤滑油通過一個特殊設計的固定在軸承中間的外層間隔區供給軸承。在該設計中，組合體中的每一套軸承都通過獨立的潤滑器潤滑。這個潤滑器中初始的最小流速是4 μg/h。這種結構的潤滑器最大優勢在于其不需要外力驅動，也不需要額外關注就能確保長時間運轉。由于流速與儲油器油面高度成正比，儲油器油面隨著時間的延長逐步下降，故其有降低流速的缺點；且應用前需在操作環境下對離心作用的激活系統進行全面測試。

圖1 離心潤滑器

2.2.2 滲出流體潤滑器[11]

將滲出流體潤滑器安置于軸承單元的外部襯墊上，襯墊的端部構成軸承單元的外滾道。在潤滑器內、外表面有精密的螺旋凹槽，凹槽在軸向上繞行并傳送潤滑油到每一套軸承上，流速由螺旋狀凹槽的尺寸和軸承傳動軸的轉速控制。裝有滲出流體潤滑器的空間筒式軸承系統如圖2所示。

圖2 裝有滲出流體潤滑器的空間筒式軸承系統

2.2.3 油繩式潤滑系統[12]

該潤滑系統中，浸油飽和的棉紗布條與軸承相接觸。摩擦接觸導致少量的潤滑油積于接觸面上，潤滑油從接觸表面遷移至軸承。紗布條的另一端與儲油器中的油相接觸，其有吸油和維持飽和的作用。

2.2.4 主動潤滑系統

當接到外在命令時，該潤滑系統將定量的潤滑油傳送到軸承中。當出現對潤滑油的需求時，命令啟動潤滑器，通過提高功率，或由軸承摩擦力矩增加導致軸承溫度升高來表達此需求。

文獻[13]開發了一種電磁閥控制型的主動潤滑系統。在該系統中，潤滑油被儲存在金屬波紋管內，通過壓縮彈簧加壓。高壓油通過連接到儲油器的電磁閥驅動釋放到軸承中，打開閥門125 ms能釋放0.2～5 mg的潤滑油。

文獻[14]開發的正壓進給系統由一個彈簧加載金屬波紋管構成。調控釋放閥時，油通過計量波紋管和計量閥流到供油線路，并由其將潤滑油輸送到軸承表面。輸油量由計量波紋管控制，其結構如圖3所示。

1—釋放閥；2—計量波紋管；3—可調限位器；4—計量閥；5—供給器；6—內圈(旋轉)；7—保持架(內圈引導)；8—外圈(固定)；9—供油管；10—貯油器；11—彈簧組

文獻[15]開發的指令潤滑系統含有柔性金屬波紋管，油在環境壓力下儲存于管內。微型步進電動機作為執行器，對著波紋管加壓，油通過直徑0.5 mm的鋼管流入軸承。該系統可對輸油量進行精確控制，當單個操作時間持續5 s時，這種模式輸油量如圖4所示。該系統的突出優點是潤滑油在環境壓力下儲存，不存在遺漏的可能。波紋管的容量為2.5 g，每個周期的輸油量約為15 mg，如每年操作兩次，其潤滑周期超過25年。

圖4 指令潤滑系統的輸油量

2.2.5 原位需求潤滑器

文獻[16]開發的原位需求潤滑器由多孔材料筒組成，筒上附有電子加熱器，高摩擦引起軸承溫度升高，需求潤滑時潤滑器被驅動。筒內充滿潤滑油后被安裝在軸承的固定套圈上；當加熱筒時，由于潤滑油的熱膨脹系數高于多孔材料，潤滑油從筒中流出；潤滑油的表面張力較軸承材料低，從筒中流出的潤滑油遷移到軸承表面。文獻[17]采用螺旋軌道摩擦計評價并驗證了該系統用于長壽命航天器上的可行性。

2.2.6 靜態潤滑儲油器[15]

靜態潤滑儲油器包含安裝在鋁套筒上的多孔材料儲油器和貼在套筒上的加熱器。儲油器的體積孔隙率約30%，攜帶足夠整個任務期間使用的潤滑油。該儲油器組件安裝在軸承單元的靜止部分，當打開加熱器時，由于熱膨脹系數不同，油流出并潤滑軸承。靜態儲油器的輸油機理如圖5所示。

1—保持架；2—球軸承；3—薄油膜；4—加熱器；5—加熱絲；6—油蒸汽

3 結束語

目前應用的多孔材料保持架結合長壽命補充潤滑系統基本滿足了當前航天器對長壽命潤滑的需求，其中無源潤滑系統可持續供應潤滑油，更適宜于補充航天器的潤滑系統。隨著航天器任務期的進一步延長，需要研發新型的潤滑系統補充潤滑，以滿足未來航天器對長壽命潤滑的需求。