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重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.高性能軸承數字化設計國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039)

航天器在軌失效統計分析表明[1]，1980—2005 年的156 次航天器失效中， 32%的失效是姿態和軌道控制系統(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，而現在的動量輪等高速空間系統的壽命要求超過20年，甚至30年[2]。

航天器的故障多源自軸承潤滑失效，太空環境中高真空和低重力等惡劣條件造成潤滑油的揮發、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的彈流潤滑(EHD)膜；然而，在空間軸承系統中，供油速率0.004 8 mg/d是一個很低且在實際中很難實現的數值。目前，正在努力開發潤滑劑的供油系統，該系統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，實現了潤滑油的自供給。文獻[7]設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流芯閥，通過改變節流芯閥截面積可實現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的棉線數量、連續性及其取向有關，在質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，購自贏創工業集團。

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鍵指標。試樣經清洗、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，供油器腔體內的潤滑油通過芯閥材料連續不斷的滲出到延時環內，供油器質量降低，每隔一段時間檢測一次供油器質量，取3次供油速率的平均值。供油速率為

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

芯閥材料穩定供油時，可認為供油速率穩定不變，此時運行壽命只取決于搭載的潤滑油質量，因此連續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為潤滑油的質量，g。

2 結果與討論

2.1 微孔結構和性能

芯閥材料在掃描電鏡下的形貌如圖1所示：圖1a芯閥材料斷面結構均勻；圖1b斷面中一部分呈顆粒狀，一部分呈黏結狀，這是因為均苯型聚酰亞胺分子結構剛性強，玻璃化轉變溫度達380 ℃，高溫下不熔，而單醚酐型聚酰亞胺玻璃化轉變溫度為270 ℃，易成型，兩者混合后，在燒結溫度340 ℃時，單醚酐型聚酰亞胺在高壓下進入高彈態，顆粒塑化起到黏結劑的功效，而均苯型聚酰亞胺仍處于玻璃態，高壓下只會發生塑性變形，由此可形成更小孔徑的微孔結構；圖1c為材料內部的多孔結構，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，從而實現潤滑油的運輸。

(a)500倍

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

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的區間內占比為50.2%；試樣b在孔徑為0.10～0.20 μm的區間內占比為59.1%；試樣c在孔徑為0.01～0.10 μm的區間內占比為70.4%：說明3種試樣的孔徑分布集中，區別明顯，呈梯度減小。由于控流芯閥的作用是實現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、孔徑小且區分度大的特點和優勢，因而可根據壽命要求設計控流芯閥材料的孔隙參數，實現系統穩定緩慢的供油速率。

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，動量輪結構及軸承組件如圖4所示[13]。控流芯閥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構完整性，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的水平，在實際機械加工過程中表現出較好的特性，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、油腔內套、控流芯閥和延時甩油環組成，其結構示意圖如圖5所示。在試樣運轉初期，供油器腔體內的潤滑油進入控流芯閥，之后延時甩油環吸收控流芯閥運輸的潤滑油，待其達到動態飽和后向軸承供油。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境，并驅動供油器在額定轉速下運轉。

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部孔道由不含油狀態變為含油狀態，造成了短期趨穩，即延時飽和區，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，從高密度區域(油腔內部)通過控流芯閥滲透到低密度區域(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部毛細作用力存在差異，從而導致潤滑油在芯閥材料內部各階段的運輸速率不穩定；另外，潤滑油會將氣體分子帶入供油腔內，而供油腔是密封的，工作環境卻是真空的，因此有相當一段時間供油腔內與軸承環境存在壓力差，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，潤滑油已經通過控流芯閥進入延時環，達到軸承潤滑系統長期運轉時的狀態，即系統平衡區和供油潤滑區。此時供油器內部氣體分子已釋放完，內外壓力平衡、轉速穩定，供油速率也達到穩定狀態，試樣a，b，c的供油速率分別為0.305，0.260，0.155 mg/d。穩定供油時，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定，發熱嚴重；供油量少，會造成軸承潤滑不充分，出現干摩擦，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干摩擦而過早失效。根據以上芯閥材料的試驗結果，暫定控流芯閥的供油速率指標為0.2～0.3 mg/d時，可實現供油器微量、連續、長效的運行。

以搭載2 g潤滑油的供油器為基礎，對芯閥材料的理論運行壽命進行預測，結果見表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

綜上可知，該芯閥材料可根據空間站或大型衛星等姿態控制系統的控制力矩陀螺(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。結果表明，該材料力學性能良好，能形成均勻有效的微孔結構；微孔結構影響供油速率，孔徑越大，供油速率越大；在真空環境、額定轉速下可實現0.2～0.3 mg/d的微供油速率，理論上可實現18～27年的運行壽命。