空間用軸系芯閥供油率快速檢測方法與裝置

劉萬寧, 豆照良*, 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實驗室, 北京 100094; 3. 精密傳動和傳動機構長壽命技術北京市重點實驗室, 北京 100094)

在空間用衛星平臺中,航天任務對運動組件的可靠性要求極高,而運動組件在有限壽命內完成規定任務又取決于良好的潤滑、低摩擦和低磨損等因素[1]。空間微量潤滑技術是保證空間活動部件性能、壽命和穩定性的主要技術手段之一,其中潤滑油的持續穩定供給是實現空間微量潤滑的關鍵環節。

目前,中國用于空間微量潤滑的技術可分為主動式微量潤滑和被動式微量潤滑。其中,被動式微量潤滑技術占據主導地位,其基本方案是將聚酰亞胺多孔材料制成出油芯閥,用于實現貯油器向軸承部件持續供油。然而,現有用于工程實際的聚酰亞胺多孔材質芯閥存在諸多技術問題,主要表現在同一標稱孔隙率的芯閥出油效率個體差異較大,無法較好地滿足空間軸承部件特定的精確供油需求。而當前采用的傳統跑合篩選技術雖然可以達到對芯閥供油率前置篩選檢測的目的,但存在耗時長、成本高及批量檢測效率低等現實問題。以航天用長城4129精密含油軸承潤滑油為例,由于其較高的運動黏度,使得傳統跑合篩選技術需要10～15 d才能檢測出單個芯閥的實際供油率。

針對流體介質在多孔材料中的滲流行為,國內外學者開展了較多研究。1856年,法國水利工程師Darcy提出了Darcy定律,揭示了流體在多孔介質中滲流速度與上下壓頭的壓力差值成線性關系[2]。宋磊等[3]、李程輝等[4]對不同的多孔礦石進行滲透率測試,繪制了氣和水的滲透率標準曲線圖。Yang等[5]對多孔礦石的力學性能進行了一系列測量,解釋了礦石樣本受壓后滲透率的變化響應。李俊等[6]基于多松弛格子Boltzmann方法,從細觀層面模擬分析了集料粒徑、瀝青混合料空隙率以及動水壓力變化對瀝青混合料試件滲透率的影響。李文璞[7]采用理論分析、試驗研究、數值模擬等相結合的方法,揭示了加載和加卸載試驗下多孔巖石的滲透性演化規律。許江等[8]利用自主研發的三軸伺服滲流裝置,通過對多孔巖石充CH4和CO2兩種氣體進行試驗研究,探討了在低孔隙壓力的環境下,巖石滲透率對孔隙壓力變化響應的敏感性。

此外,高速攝像和圖像識別技術的發展[9-11],也極大地提高了多孔介質內流體滲透率的計算效率。Huang等[12]使用高速攝像儀研究了液滴在低流速下的形成過程,包括接觸角、縮頸線長度、液滴直徑等。張亞建等[13]提出了基于LabVIEW等工具進行非接觸式模態參數識別新方法。萬福松等[14]提出了基于LabVIEW的電動飛行器帶載試驗數據采集監控系統。姜闊勝等[15]開發了基于LabVIEW for FPGA的高速并行視覺檢測系統。付其風等[16]設計了基于LabVIEW的電梯鋼絲繩狀態監測多通道數據采集系統。魏薇等[17]基于LabVIEW軟件開發平臺和NI USB-6001數據采集卡,開發出了一套先進的地震數據監測系統。

綜上,目前國內外學者主要針對氣體和水等流體介質在多孔礦石、巖石中的滲流行為開展研究。針對中國在多孔材質芯閥供油率檢測方面存在的技術問題和工程需求,現以具有較高運動黏度的空間潤滑油在聚酰亞胺多孔材質中的滲流行為為研究對象,提出一種以低黏度流體-空氣代替潤滑油作為流體介質用于實現對多孔材質芯閥供油率等效快速檢測的方法,研制相應的芯閥氣體滲透率檢測裝置并進行功能驗證,以期獲得更佳的、具有工程化應用價值的前置篩選檢測技術,為多孔材質芯閥供油率快速檢測提供技術手段。

1 芯閥供油率快速檢測原理及方法

1.1 芯閥供油率快速檢測原理

作為中國空間微量潤滑的主要實現手段,被動式微量潤滑技術的供油原理示意圖如圖1所示。

圖1 被動式微量供油原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of passive micro-lubrication principle

如圖2所示,左方為由標稱孔隙率為7.5%的聚酰亞胺多孔材料加工而成的螺柱(外徑為M3),右方為此聚酰亞胺多孔螺柱和不銹鋼材質螺套(外徑為M4)通過強力膠黏接而成的芯閥組件。軸系芯閥供油的基本工作原理為:貯油器內部潤滑油在離心力或表面張力的作用下通過多孔材質芯閥滲流向外供給亞毫克級潤滑油,補充軸承中潤滑油的損耗,以確保軸系長期穩定運轉。

圖2 芯閥實物圖Fig.2 Physical drawing of core valve

結合對標稱孔隙率為7.5%的軸系芯閥用聚酰亞胺多孔材料進行壓汞實驗的結果,可知聚酰亞胺多孔材料內部微孔道的孔徑主要介于0.1～1 μm。在該幾何尺度下,現提出一種采用低黏度流體-空氣來代替潤滑油作為流體介質,以實現對多孔材質芯閥供油率快速檢測的等效方法。

軸系芯閥供油率快速檢測的基本技術方案為:首先檢測出聚酰亞胺多孔材質芯閥對氣體的滲透率;再通過傳統跑合篩選試驗,測出該孔隙率芯閥對試驗潤滑油的實際供油率;通過對不同孔隙率芯閥的氣體滲透率和跑合篩選對比試驗,建立不同氣體滲透率和潤滑油供油率之間的關系曲線圖譜;這樣在后續試驗中,只需要測出芯閥對于氣體的滲透率,就可以根據關系曲線圖譜快速擬合出其對潤滑油的實際供油率,最終實現快速檢驗和篩選。前期試驗檢測步驟與工程應用中檢測步驟流程如圖3所示。

圖3 前期試驗與實際工程檢測步驟流程圖Fig.3 Flow chart of preliminary test and actual engineering inspection steps

1.2 芯閥供油率快速檢測方法

軸系芯閥供油率快速檢測的關鍵技術之一就是對聚酰亞胺多孔材質芯閥的氣體滲透率進行檢測。考慮到軸系芯閥整體尺寸較小且聚酰亞胺多孔材料結構緊湊、內部孔道較小,宜采用水下氣泡法[18-20]檢測其氣體滲透率。此種方法簡單、方便、直觀、經濟,且可滿足實際工程需要。水下氣泡法氣體滲透率檢測適用于允許承受正壓的容器、管道、密封裝置等的氣密性檢驗。密封容器內氣體經漏孔滲透至容器外部,其氣體滲透率[21-22]計算過程如下。

漏孔處產生氣泡,氣泡脫附時體積近似橢球,其體積為

(1)

式(1)中:V為氣泡的體積,mm3/s;Ra為氣泡的長半軸長,mm;Rb為氣泡的短半軸長,mm。

氣泡等效半徑為

(2)

式(2)中:R為氣泡的等效半徑,mm;Ra為氣泡的長半軸長,mm;Rb為氣泡的短半軸長,mm。

滲透率計算公式為

k=nV

(3)

式(3)中:k為氣體的滲透率,mm3/s;n為泡形成的頻率,s-1;V為氣泡的體積,mm3。

2 芯閥氣體滲透率檢測裝置研制

2.1 裝置設計總體方案

軸系聚酰亞胺多孔材質芯閥氣體滲透率檢測裝置主要由4個部分構成,分別為供氣系統、壓力顯示及調節系統,水下芯閥組件及氣泡生長脫附檢測系統。其系統組成如圖4所示。

圖4 軸系多孔材質芯閥氣體滲透率檢測裝置原理圖Fig.4 Principle diagram of gas permeability detection device for shaft system porous material core valve

裝置的工作原理為:由供氣系統產生純凈壓縮空氣,經壓力顯示及調節系統調壓穩壓后,供給到水下拍攝水箱,壓縮空氣沿氣體管路經芯閥轉接頭、芯閥后由轉接頭出氣口逸出,氣泡生長脫附檢測系統在線檢測芯閥出氣口的氣體滲透率。

在上述檢測裝置中,供氣系統由空氣壓縮機、空氣過濾器及氣動開關組成,空氣壓縮機模擬空間軸系芯閥供油端壓力(即貯油腔內部壓力),過濾器除去空氣中雜質,氣動開關控制輸氣管路的實時開閉;壓力顯示及調節系統由數字顯示壓力表和精密調壓閥組成,通過調節精密調壓閥實現對輸氣管路壓力的精準控制,數字顯示壓力表顯示出管路的實時壓力;芯閥轉接頭主要由底座及轉接頭套筒組成,將芯閥裝配到底座后,底座與轉接頭套筒通過螺紋連接進行密封,主要目的是將通過芯閥的氣體通過出氣口毛細管末端排出,形成氣泡,便于攝像機拍攝氣泡的生長及脫附過程。

基于LabVIEW開發的氣泡生長脫附檢測系統主要由圖像采集單元、圖像顯示單元、測量單元等組成。高清攝像儀實時拍攝芯閥出口端的氣泡生長及脫附過程,經基于LabVIEW開發的數據采集系統采集至PC端,PC端實時顯示氣泡狀態,使氣泡生長形態與速度變化可視化,數據采集系統的氣泡計數程序可以準確獲取氣泡的數量及生長周期等參數,由PC端的Image J軟件可測量出單個氣泡的粒徑,最終計算出軸系芯閥的氣體滲透率。

2.2 芯閥轉接頭結構設計

依據軸系芯閥的結構特點,現設計一種芯閥轉接頭,用于精確收集通過芯閥的氣體量。芯閥轉接頭采用不銹鋼進行制作,并對其表面進行機械拋光,除油處理以及陽極氧化處理,以提高其耐蝕性,適應長時間在水中浸泡。如圖5所示為芯閥轉接頭結構及尺寸設計圖。

圖5 芯閥轉接頭結構及尺寸設計圖Fig.5 Structure and dimensional design of core valve adaptor

2.3 系統集成設計

系統集成由精密調壓閥、數顯壓力表、光學平臺、閥座、毛細管、芯閥轉接頭、芯閥、CCD高清攝像儀鏡頭和XY軸手動微調位移平臺等組成。通過優化各組件空間布局以及縮小各裝置整體尺寸,以達到輕量化、小型化的工程需求。系統集成設計三維圖如圖6所示。

圖6 系統集成設計三維圖Fig.6 Three dimensional diagram of system integration design

系統集成底板尺寸為390 mm×220 mm,整體高度為320 mm,整備質量約為12 kg。如圖7所示為系統集成實物圖。該裝置已應用于北京控制工程研究所空間軸承應用實驗室。

圖7 系統集成實物圖Fig.7 Physical diagram of system integration

此外,在10組芯閥氣體滲透率檢測數據中,該裝置的檢測誤差的最大值小于0.5%。該裝置的檢測誤差計算公式為

(4)

2.4 水下氣泡在線檢測系統開發

為精確檢測芯閥轉接頭出氣口毛細管末端一定時間內氣泡數量,快速計算芯閥的氣體滲透率,使芯閥轉接頭出氣口毛細管末端氣泡生長及脫附變化規律可視化,基于LabVIEW開發了配套氣泡生長脫附在線檢測系統。

該在線檢測系統由氣泡圖像采集單元、圖像顯示單元、氣泡計數單元等組成。氣泡圖像采集單元包括CCD高清攝像儀和IMAQ圖像采集單元。氣泡在線檢測系統原理圖如圖8所示。

圖8 氣泡在線檢測系統原理圖Fig.8 Schematic diagram of bubble online detection system

在上述氣泡在線檢測系統中,氣泡圖像顯示單元是通過采集CCD高清攝像儀錄制到的氣泡圖像來達到實時觀測氣泡生長脫附狀態的目的。通過在前面板界面中輸入刷新頻率來控制圖像采集的頻率,以達到快速精準計數的效果,且時間測量精度可達0.01 s。氣泡計數單元通過監測氣泡圖像的白度均值的變化判斷氣泡的生長脫附狀態,每當白度均值達到波峰閾值時,氣泡數量加1,以此來達到精準記錄氣泡數量的要求。

程序基于LabVIEW編程設計語言開發,其前面板采控界面和后面板程序框圖如圖9和圖10所示。

圖9 氣泡檢測系統前面板采控界面Fig.9 Interface of detecting and controlling bubble system on the front panel

3 芯閥氣體滲透率檢測試驗

3.1 試驗方法及裝置

利用所研究裝置,對標稱孔隙率為7.5%的軸系芯閥開展批量試驗。如圖11所示,為試驗時氣體經芯閥滲透至毛細管末端形成氣泡的過程示意圖。

圖11 氣體經芯閥滲透至毛細管末端過程示意圖Fig.11 Schematic diagram of the process of gas penetration to the end of the capillary tube through the core valve

圖11中,空氣壓縮機產生的高壓氣體經芯閥內部滲透至毛細管末端產生氣泡,芯閥轉接頭毛細管尺寸為Φ1 mm×0.15 mm。通過高清攝像儀記錄毛細管末端氣泡生長及脫附過程,并結合Image J工具進行圖像處理,測出氣泡脫附時的長徑與短徑,進而依據式(1)～式(3),計算出該芯閥的氣體滲透率。

3.2 試驗條件及樣品

試驗是在室溫(20℃)下進行的,取10個標稱孔隙率為7.5%的芯閥樣品進行氣體滲透率檢測試驗。

3.3 氣泡生長與脫附過程

在實驗室室溫環境中,標稱孔隙率為7.5%的芯閥,氣體在恒定高壓(壓力為0.70 MPa)驅動下經芯閥滲出至芯閥轉接頭毛細管出口端產生氣泡,其生長與脫附過程的試驗結果如圖12所示。可以看出,氣泡在毛細管出口端的生長與脫附過程可分為生長初期、快速生長期、緩慢生長末期及脫附等4個階段[23-24]。

圖12 轉接頭毛細管末端氣泡生長及脫附過程圖Fig.12 Diagram of bubble growth and desorption process at the end of the capillary tube of the adapter

3.4 氣泡脫附前粒徑測量方法

借助高清攝像機追蹤芯閥轉接頭毛細管末端氣泡的形成和脫附過程,并提取氣泡脫附前的圖像,利用Image J圖像處理軟件灰度處理,另用顯微標尺標稱法測量氣泡脫附時的長徑La和短徑Lb。

如圖13所示,以毛細管外徑為1.30 mm作為測量基準參照,進而可測得氣泡的長徑為4.76 mm,短徑為2.93 mm。

圖13 粒徑測量過程Fig.13 Particle size measurement process

3.5 供氣壓力的選取

在供氣壓力為0.10～0.80 MPa下,對標稱孔隙率為7.5%的芯閥開展氣體滲透率檢測試驗。結果如圖14所示。

圖14 標稱孔隙率為7.5%的芯閥在不同供氣壓力下的氣體滲透率Fig.14 Gas permeation rate of the core valve with nominal porosity of 7.5% at different gas supply pressure

由圖14可得,供氣壓力在0.10～0.20 MPa時,毛細管末端沒有氣泡產生,說明氣體無法從芯閥內部滲出。在0.30～0.50 MPa,毛細管末端有氣泡產生,但單個氣泡的脫附周期較長,從115.46 s減小到40.29 s;當供氣壓力增至0.60 MPa時,單個氣泡脫附周期為26.33 s;當供氣壓力變為0.70 MPa時,單個氣泡脫附周期為20.67 s;當供氣壓力達到0.80 MPa時,單個氣泡脫附周期為16.32 s。此外,當供氣壓力大于0.60 MPa時,隨著壓力的增加,單個氣泡的脫附周期減小速度變慢。

因此,可以確定0.70 MPa為適宜供氣氣壓,該工作壓力在保證檢測效率的同時,還可以在一定程度上降低高壓帶來的試驗安全風險。

3.6 芯閥氣體滲透率檢測及誤差分布

選用標稱孔隙率為7.5%的試驗芯閥,編號為1#～10#,進行試驗,試驗數據如圖15所示。

圖15 標稱孔隙率為7.5%的芯閥氣體滲透率、氣泡脫附周期及等效直徑Fig.15 Gas permeability,bubble desorption period and equivalent diameter of the core valve with nominal porosity of 7.5%

由圖15可知,在標稱孔隙率同為7.5%的10個樣品試驗中,氣泡脫附時等效半徑基本保持一致,為1.75 mm;單個氣泡平均完整脫附周期為16.70 s,單個氣泡最大完整脫附周期為23.33 s,單個氣泡最小完整脫附周期為12.67 s,其差值為10.66 s;平均滲透率為1.41 mm3/s,滲透率最大與最小差值為0.80 mm3/s,其變異系數為0.82%。

標準偏差計算公式為

(5)

式(5)中:ki為單個樣本的滲透率,mm3/s;ka為平均滲透率,mm3/s;n為樣本總數。

變異系數計算公式為

(6)

式(6)中:σ為滲透率的標準偏差;ka為平均滲透率,mm3/s。

3.7 芯閥供油率與氣體滲透率關系曲線

如圖16所示,根據基于傳統跑合試驗獲得的軸系不同標稱孔隙率芯閥的供油率實測數據,結合本裝置檢測的芯閥氣體滲透率試驗數據,建立了軸系芯閥供油率與氣體滲透率基本關系曲線圖譜,可用于軸系芯閥供油率前置快速篩選。其中,芯閥的供油率是指使用長城4129精密含油軸承潤滑油,對芯閥進行傳統跑合試驗檢測出的實際供油率,由于供油率數值較低,所以一般供油率檢測值的單位為mg/d。

圖16 氣體滲透率-供油率擬合曲線Fig.16 Fitting curve of gas permeability-oil supply rate

由圖16可得,擬合出的潤滑油供油率預測關系式為

Y=0.106 0X+0.011 7

(7)

式(7)中:Y為預測的供油率,mg/d;X為檢測的氣體滲透率,mm3/s。

分別選用標稱孔隙率為6%、7.5%和9%的芯閥各3個,編號為11#～19#,進行氣體滲透率及實際供油率檢測試驗,獲得的試驗數據如表1所示,并將實測供油率數據與預測供油率數據進行對比分析。結果表明,在9組檢測數據中,實測供油率與預測供油率的誤差最大值小于6.0%,可滿足航天實際工程中軸系芯閥供油率快速篩選的需求。

表1 氣體滲透率與實測供油率檢測結果Table 1 Testing results of gas permeability and measured oil supply rate

軸系芯閥供油率預測誤差計算公式為

(8)

式(8)中:δoil為軸系芯閥供油率預測誤差;Yoil為關系曲線所獲取的預測供油率;Yr為由跑合篩選試驗所測出的實際供油率。

4 結論

針對空間軸系用芯閥供油率檢測過程中傳統跑合篩選技術存在的耗時長、成本高及批量檢測效率低等問題,提出了一種等效快速檢測方法,研制了相應的芯閥氣體滲透率檢測裝置并進行了測試試驗和功能驗證,得出如下結論。

(1)采用空氣代替潤滑油可以實現對軸系聚酰亞胺多孔材質芯閥供油率的等效快速檢測,芯閥氣體滲透率批量檢測試驗驗證了其有效性。

(2)研制了軸系芯閥氣體滲透率檢測裝置,該裝置對軸系芯閥的氣體滲透率檢測用時小于5 min,檢測誤差小于0.5%。

(3)開發了氣泡生長脫附在線檢測系統,實現了對氣泡生長脫附周期和氣體滲透率的自動檢測,有效提高了芯閥氣體滲透率的檢測效率。

(4)建立了芯閥供油率與氣體滲透率的基本關系曲線圖譜,用于供油率前置快速篩選時的預測誤差小于6.0%,滿足航天實際工程需求。