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.北方工業大學機械與材料工程學院 北京 100144；2.北京控制工程研究所空間軸承應用試驗室 北京 100094；3.精密轉動和傳動機構長壽命技術北京市重點實驗室 北京 100094)

長壽命、高可靠性的衛星平臺是我國日益增長的空間戰略需求[1-3]。動量飛輪是空間執行機構的重要組件。目前，受限于空間條件下軸承組件的潤滑技術瓶頸，長期服役的軸承組件在潤滑狀態惡化后，往往會出現摩擦性能下降、摩擦力矩不穩定等問題，使得動量飛輪的設計壽命距離滿足衛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星平臺技術提升的關鍵因素[7]。

經統計，過去大部分國內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控制系統發生故障，超過1/2的故障是由于動量飛輪、陀螺儀等航天器轉動部件摩擦學性能下降造成的[8-9]。這些故障中的12%造成了整星任務的終結，故障中的46%造成整星性能的下降[7]，這均給衛星發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預先儲存潤滑油，在離心力或表面張力的作用下，持續不斷地將潤滑油釋放來實現軸承潤滑[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時間，這樣軸承在飛輪運轉初期，就需要由滾道和保持架的油來保證軸承潤滑。經過一段時間后，軸承就出現缺油現象[11]。國外對于主動式供油技術的研究相對較多[12-15]，但仍存在軸向尺寸大、結構不夠緊湊和能耗高等缺點。由此可見，研發一種結構簡單、性能可靠的主動式微量供油裝置，實現潤滑油的快速穩定補給，對避免空間飛行器在運行過程中機械零部件發生潤滑失效的問題非常重要。

本文作者針對現有潤滑技術不足，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，使潤滑油液滴從微管路流出，對軸承內部組件進行主動式供油。這種主動式潤滑技術避免了現有潤滑技術的延時供油、儲油量低的缺點，使潤滑更加積極有效。

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，還需額外設置動力補償裝置；閥門可實現對油路節流的目的；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潤滑油排出；潤滑油液經管路輸送至電磁閥，電磁閥作為節流器，通過設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，電磁閥作為節流器。為使該裝置能夠應用到空間航天器中，需要對其總體結構進行合理地設計，以保證微量供油裝置具備結構簡單、性能可靠的特點，滿足空間潤滑組件的質量及體積載荷要求。

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設壓力值。根據黏性流體的伯努利方程估算系統的損失水頭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；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。

如已知流體流速及黏性系數，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。

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 供油量控制設計

現有電磁閥工作的特點決定了連續供油實現每天毫克、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，確定管道系統后，每次的最小供油量q與驅動壓力p、溫度T和閥門響應時間t均有關，即q=f(p，T，t)。 軸承正常工作時，一定時間內對潤滑油的需求為常量。這樣，如果供油的間隔時間是常數(如10天)，則可以通過調整每次供油的閥門響應時間來確保平均供油速率為常數，即如圖2所示的定間隔變脈沖方式；同理，如果電磁閥的響應時間是常數，則可通過調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]。考慮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、輕量化設計。對此，提出了如下工程樣機優化方案。

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 微量供油裝置結構

(1)電磁閥與波紋管、殼體各嵌入并聯一部分。電磁閥與波紋管的并聯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，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腔，通過密封圈、密封槽設計，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，用以在線監測波紋管內腔油壓和補油。

(4)電磁閥選用結構更緊湊，響應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。出口端毛細管內徑0.1 mm，外徑1 mm。

波紋管外徑50 mm，內徑40 mm，高度43 mm，波紋管底部的法蘭上端面距內腔下端面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(腔內壓力約為30 kPa)，最終可為波紋管提供20.16 N補償力，經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，設計有外螺紋，可通過螺紋連接至波紋管內部，底座上表面按電磁閥螺孔尺寸設計有電磁閥固定板。

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，一側設計有M3螺紋孔用以補油并有密封槽設計，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的鈦合金，相對于傳統不銹鋼材質在質量上具有一定的優勢。

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，使壓力與流量的數值變化規律可視化，基于LabVIEW開發了微量供油裝置測控系統。

3.1 測控原理

微量供油性能測控系統原理如圖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據采集單元，控制模塊包括電磁閥和脈沖發生裝置。

圖8 微量供油裝置采控系統原理

3.2 技術指標與特點

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

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

(3)測試系統配備12路數字輸出，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，連續可調，分辨率不大于10 ms；

(5)脈沖時長和間隔時長可編輯，支持多個脈沖連續或間斷供油；

(6)軟件界面基于LabVIEW開發，支持二次開發。

4 供油性能驗證試驗

在大氣環境中、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，滿足工程技術要求。隨供油時長的持續增加，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。可見隨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節脈沖寬度的方式將單次供油量調整至穩定狀態。

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，彈簧產生的波動對儲油腔內壓力影響可忽略。

5 結論

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。主要結論如下：

(1)設計的微量供油裝置以波紋管儲油、彈簧儲壓、微量電磁閥節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，滿足工程技術要求。

(3)微量電磁閥結構尺寸以及儲油腔內部結構設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。