趙雁 王雅夢 戴天任

一、前言

某衛(wèi)星用軸承單元的工作轉(zhuǎn)速低（200r/min以下），軸承潤滑主要采用固體潤滑方案。相關(guān)研究表明固體潤滑膜層碾壓達(dá)到1x10⁷次后易出現(xiàn)點(diǎn)狀剝落，且潤渭膜破壞后無法自我修復(fù)，將大大降低軸承可靠性。近年來，隨著衛(wèi)星在軌設(shè)計壽命的不斷延長，軸承的累積工作壽命要求大于1x108轉(zhuǎn)，固體潤滑軸承已無法滿足主機(jī)壽命要求。油潤滑軸承在低轉(zhuǎn)速特別是主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)初期難以形成良好的潤滑膜層，而脂潤滑軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時摩擦力矩偏大，軸承潤滑已成為制約長壽命主機(jī)發(fā)展的瓶頸問題。油-脂混合潤滑軸承，采用多孔含油保持架，并在鋼球及滾道表面涂抹適量的潤滑脂，潤滑脂能夠在軸承滾道表面形成潤滑膜，結(jié)合保持架的微量出油，可形成長效潤滑機(jī)制，具有壽命長、可靠性高等特點(diǎn)。因此，油-脂混合潤滑已成為長壽命低速軸承潤滑的重點(diǎn)研究方向。影響油-脂混合潤滑軸承性能的主要因素是保持架的出油速率及潤滑脂的填脂量，本文重點(diǎn)研究填脂量對軸承的性能影響。

國內(nèi)、外學(xué)者對脂潤滑軸承的填脂量進(jìn)行了大量深入的研究，指出脂潤滑軸承的填脂量約為軸承內(nèi)部空腔容積的1/3-1/2;曹萍、白越等人研究發(fā)現(xiàn)微量脂潤滑軸承的功耗小于油潤滑軸承的功耗美國MiChaCl Buucry的研究表明潤滑脂含量對軸承的摩擦力矩、振動及溫升有巨大影響。具了解，國外油-脂混合潤滑軸承已成功應(yīng)用于多個空間機(jī)構(gòu)中，由于技術(shù)封鎖，填脂量的相關(guān)信息無從知曉;國內(nèi)對空間用油-脂混合潤滑軸承已進(jìn)行了初步研究，目前未見公開研究成果。因此，國內(nèi)、外能夠查閱到的油-脂混合潤滑軸承填脂量的文獻(xiàn)寥寥無幾。

鑒于此，本文以某空間儀器用油一脂混合潤滑軸承為例，基于空間油氣散逸模型優(yōu)選出不同的填脂量方案，并進(jìn)行了性能對比試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)確定最佳填脂量。

二、主機(jī)及軸承參數(shù)

1、某空間機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)

某空間機(jī)構(gòu)在目標(biāo)探尋定位階段需要反復(fù)啟停，目標(biāo)定位后勻速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)觀測功能，這就要求軸承單元具有啟動及動態(tài)摩擦力矩小而平穩(wěn)的特性。同時為了確保觀測器件不受污染，主機(jī)要求軸承單元的油氣逸出量不能超過160mg。主要技術(shù)指標(biāo)如表1所列。

2、軸承結(jié)構(gòu)及潤滑參數(shù)

該機(jī)構(gòu)采用一對背靠背安裝的B7005C軸承，軸承采用多孔聚酰亞胺保持架，潤滑方式為油一脂混合潤滑，保持架含油率控制在20%以內(nèi)，潤滑劑選用P201潤滑油和KKP201潤滑脂（基礎(chǔ)油為P201），潤滑劑性能參數(shù)如表2、3所列，P201潤滑油和KKP201潤滑脂具有較小的真空揮發(fā)損失與較低的飽和蒸汽壓，能夠滿足主機(jī)對油氣的低散逸需求。

三、試驗(yàn)填脂量的確定

空間機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時，由于轉(zhuǎn)速低且不完全密封，軸承單元的油氣散逸為潤滑劑損耗的最關(guān)鍵因素。因此，軸承的最小填脂量應(yīng)至少能夠保證空間機(jī)構(gòu)在8年壽命周期內(nèi)、潤滑油的油氣逸出后仍能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

1、油氣散逸模型

為有效減少油氣的散逸，軸承單元在結(jié)構(gòu)設(shè)計時將兩端設(shè)計為迷宮密封，如圖1所示。潤滑油流動狀態(tài)根據(jù)式（1）進(jìn)行判別。軸承單元工作在高真空中，因此迷宮管道中壓力為飽和蒸氣壓，P201潤滑油常溫下的飽和蒸氣壓為7.5x 10-7Pa，迷宮管道直徑遠(yuǎn)小于1m，潤滑劑流動狀態(tài)判定為分子流。因此，迷宮密封可簡化為環(huán)形截面管道和徑向輻射流結(jié)構(gòu)的組合體，如圖2、3所示，其流導(dǎo)計算公式見式（2）、（3）。

pd<0.02Pa·m——子流 （1）

其中，p是管道中平均壓力，單位為Pa;d是管道直徑，單位為m。

環(huán)形截面流導(dǎo)計算公式：

式中：U是分子流時環(huán)形截面流導(dǎo)，單位為m³/s;T為絕對溫度，k;M是相對分子量，單位為kg/mol;

d1、d2是圓環(huán)內(nèi)外徑，單位為m;L是管道長度，單位為m;K是修正系數(shù)。

徑向輻射流導(dǎo)計算公式：

式中：U是分子流時徑向輻射流導(dǎo)，單位為m³/s;a是兩圓盤距離，單位為m;r1、r是有孔圓孔半徑、無孔圓半徑，單位為m;

串聯(lián)后總流導(dǎo)按下式計算：

油氣逸出量：

Q=UPt（5）

式中：Q是逸出氣量，單位為Pa-m³;P是管道內(nèi)外氣壓差，單位為Pa;t是時間，單位為s。

油氣逸出質(zhì)量：

式中：m是逸出氣體質(zhì)量，單位為kg;R是氣體常數(shù)，8.3143J/（k·mon）。

2、油氣逸出量計算及試驗(yàn)填脂量確定

空間機(jī)構(gòu)設(shè)計壽命時間為8年（2.52288x10⁸s），選用潤滑劑在25℃時飽和蒸氣壓約為：P=7.5x10^-7pa

飽和蒸汽壓與絕對溫度的關(guān)系：

假設(shè)油氣逸出后不聚集，根據(jù)流導(dǎo)公式能夠計算得到軸承單元最大的油氣逸出量。保持架的含油量為479，由于軸承工作轉(zhuǎn)速較低，由相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論可知保持架的可用油量大概為其總含油量的24%，由此可以計算出保持架的可用油量。則油氣逸出量計算結(jié)果及空間機(jī)構(gòu)壽命周期內(nèi)軸承潤滑油量分析如表4所列。

由表4可知，軸承單元內(nèi)的潤滑油量能夠滿足主機(jī)在8年壽命周期內(nèi)的油氣逸出需求。為了保證軸承單元運(yùn)轉(zhuǎn)的高可靠性及航天產(chǎn)品的冗余設(shè)計要求，潤滑油與潤滑脂的總含量至少要達(dá)到129.4mg，軸承滾道的最小填脂量應(yīng)不少于14.4mg，最大填脂量應(yīng)滿足主機(jī)的啟動摩擦力矩要求。因此，在最小填脂量（14.4mg）與軸承空腔容積1/3體積所填脂量（890mg）的區(qū)間內(nèi)，對多種填脂量進(jìn)行成對軸承啟動摩擦力矩初期測試與篩選，剔除啟動摩擦力炬過大方案，對余下填脂量方案進(jìn)行優(yōu)化選取。優(yōu)化選取的原則是以最小填脂量為基礎(chǔ)，以15mg填脂量（約為軸承滾道表面積的0.01mm厚度的脂量）為梯度進(jìn)行填脂量選擇。最終選取的試驗(yàn)填脂量為15mg、30mg、45mg和60mg。

四、性能試驗(yàn)與分析

1、試驗(yàn)方案

將四套軸承單元分別填充不同潤滑脂量，方案如表5所列。為保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，要求四套軸承單元接觸角、載荷等狀態(tài)一致，并在試驗(yàn)前將軸承全部進(jìn)行200小時的磨合，以消除軸承表面質(zhì)量因素對其性能的影響。涂脂后測試其啟動摩擦力矩，而后分批次安裝同一驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)測試，測試轉(zhuǎn)速為軸承單元工作轉(zhuǎn)速，通過電機(jī)在常溫、高溫、低溫下電流變化情況來考核軸承單元的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。性能試驗(yàn)完成后復(fù)測啟動摩擦力矩，測試軸承的油膜電阻，判斷軸承滾道表面的油膜厚度及分布情況，最后拆解軸承并將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，從而優(yōu)選出最佳填脂量。

2、試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）填脂量對軸承單元啟動摩擦力矩的影響。

在摩擦力矩測試儀上測試不同方案在動態(tài)性能試驗(yàn)（以下簡稱跑合）前、后的啟動摩擦力矩，分析不同填脂量下啟動摩擦力矩的變化規(guī)律，并測試不同填脂量在不同溫度下的啟動摩擦力炬，評判不同填脂量下軸承單元的冷熱啟動能力。啟動摩擦力矩測試裝置如圖4所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖5-7所示。

從圖5可以看出跑合性能試驗(yàn)前軸承單元的啟動摩擦力矩?zé)o規(guī)律性，這是由于滾道和鋼球上的潤滑脂分布不均，存在潤滑脂在某處堆積的情況;跑合試驗(yàn)后軸承單元的啟動摩擦力矩隨填脂量的增多呈現(xiàn)增大趨勢;當(dāng)填脂量達(dá)到60mg時，其啟動摩擦力矩出現(xiàn)較大增幅。

圖6、圖7為四種方案跑合前后啟動摩擦力矩隨溫度的變化情況，從圖中可以看出跑合后各填脂量在不同溫度下的啟動摩擦力矩明顯小于跑合前狀態(tài)，啟動摩擦力炬隨填脂量的增加而增大。跑合前后四種方案下啟動摩擦力炬隨溫度的變化趨勢基本相同，都隨溫度的降低先減小后增大，但跑合后啟動摩擦力矩隨溫度的變化更趨于平緩，尤其是填脂量為15mg和30mg時，高、低溫與常溫啟動摩擦力炬值的差異不大，說明這兩種填脂量下軸承單元的冷熱啟動能力更好，符合主機(jī)提出的摩擦力炬小而均勻的要求。

（2）填脂量對軸承單元動態(tài)性能的影響。

將四套軸承單元分別進(jìn)行常溫48h，高、低溫各12h的動態(tài)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為200rpm，試驗(yàn)裝置如圖8所示。軸承高、低溫性能試驗(yàn)在高低溫箱中進(jìn)行，通過監(jiān)控四種填脂量方案下跑合過程中的電流值及其波動來判別軸承單元的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，四種方案常溫、高溫和低溫電流曲線如圖9所示。

軸承單元常溫、高溫、低溫跑合電流最大值、最小值、波動值如表6-8所列。

由試驗(yàn)電流圖9及電流波動表6-8可知：

四種試驗(yàn)方案的常溫電流值隨填脂量的增多逐漸增大，電流波動值較小，說明在四種填脂量下，軸承單元的常溫運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)異，但填脂量為60mg時，功耗略大。

在高溫跑合狀態(tài)下，a，b兩種方案下軸承單元表現(xiàn)穩(wěn)定;c，d兩種方案下的電流值及其波動明顯大于a，b方案，特別是60mg時，高溫電流值達(dá)到了a方案電流值的3.2倍，并伴隨異常的電流波動。分析認(rèn)為在高溫跑合時，填脂量過多，軸承滾道跑合帶兩側(cè)堆積的大量潤滑脂因其粘度降低，與保持架微孔出油混合后進(jìn)入滾道跑合區(qū)域，造成軸承內(nèi)部攪拌力劇增，導(dǎo)致軸承電流異常。

低溫跑合時，a，b，c三種方案下軸承單元電流值小且運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定;當(dāng)填脂量達(dá)到60mg時，電流值倍增，并出現(xiàn)較為明顯波動。分析認(rèn)為由于填脂量過多，潤滑脂粘度增大的影響凸顯出來，導(dǎo)致了軸承單元功率消耗過大，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性下降。

由動態(tài)性能試驗(yàn)情況可知，當(dāng)填脂量為15mg與30mg時，軸承單元在常溫、高溫、低溫狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)性能最為穩(wěn)定。

（3）填脂量對軸承滾道油膜分布的影響。

空間機(jī)構(gòu)用油脂混合潤滑軸承由于轉(zhuǎn)速較低，在運(yùn)轉(zhuǎn)初期主要依靠潤滑脂形成的油膜達(dá)到潤滑效果，油膜的厚度及分布情況直接影響組件的潤滑壽命。為了評估不同填脂量下軸承內(nèi)部油膜厚度及分布，對軸承單元進(jìn)行了油膜電阻測試試驗(yàn)。

電阻法是最早提出的用于測量潤滑油膜厚度與分布的技術(shù)。電阻法測量原理利用了金屬導(dǎo)電性能與潤滑油脂導(dǎo)電性能相差懸殊的特性以及油膜厚度與油膜電阻之間的關(guān)系。當(dāng)油膜將接觸面完全隔開時電阻很大，而當(dāng)金屬接觸時電阻急劇下降，它能相當(dāng)有效地測定金屬接觸百分比，易于實(shí)現(xiàn)在線檢測。在動態(tài)性能試驗(yàn)后，將軸承單元動靜件之間外接萬用表，并勻速使其轉(zhuǎn)動，監(jiān)視萬用表上電阻值的變化情況，從而得知軸承滾道上油膜分布的變化，測試結(jié)果如圖10所示。

從圖中可以看出，填脂量為15mg（a方案）時油膜電阻值較小，且存在電阻值急速下降的情況，說明軸承滾道內(nèi)潤滑油膜厚度薄且分布不均，存在金屬間的接觸;其余三種方案由于填脂量增大，跑合后油膜厚度與均勻性較填脂量為15mg時有明顯改善。

（4）軸承拆解分析。

試驗(yàn)結(jié)束后，按照相關(guān)操作規(guī)程將軸承單元進(jìn)行分解，對四種試驗(yàn)方案下軸承套圈進(jìn)行拍照，軸承外圈內(nèi)的油脂分布如圖11所示。

由圖11可以看出，a、b兩種方案下軸承滾道跑合帶輪廓清晰，跑合帶兩側(cè)的油脂呈現(xiàn)規(guī)則的帶狀分布;c、d兩種方案下軸承滾道跑合帶呈淺白色，跑合帶兩側(cè)油脂堆積較厚，且分布不均，特別是d方案下（60mg填脂量）時滾道油脂出現(xiàn)斑塊狀粘連痕跡以及潤滑脂向軸承擋邊擴(kuò)散跡象。此現(xiàn)象說明填脂量過多，鋼球與滾道在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中易產(chǎn)生較大的粘滯阻力，導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。

3、試驗(yàn)結(jié)果對比

試驗(yàn)完成后，將所有試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行匯總與對比，對比結(jié)果如表9所列。從表中可以明顯的看出，當(dāng)填脂量為30mg時，軸承單元的綜合性能最好。

五、結(jié)論

本文根據(jù)空間油氣的散逸模型分析確定了試驗(yàn)填脂量的方案，并進(jìn)行軸承單元的性能對比試驗(yàn)與分析，得出如下結(jié)論：

綜合試驗(yàn)表明，基于本文工況，當(dāng)填脂量為30mg，約占軸承內(nèi)部空腔容積的1%左右時，軸承滾道表面油膜形成均勻，軸承單元的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性最好。

填脂量對油脂混合潤滑軸承的高溫運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性影響最大，高溫電流能夠敏銳的反映填脂量的變化。因此，高溫電流的穩(wěn)定度可以做為評價填脂量合適與否的關(guān)鍵指標(biāo)。

目前，將本文得出的最佳填脂量及其比例應(yīng)用在某空間機(jī)構(gòu)軸承單元上，軸承單元累計運(yùn)轉(zhuǎn)超過5184000轉(zhuǎn)，摩擦力矩及電流值穩(wěn)定?？梢哉J(rèn)為本試驗(yàn)結(jié)果能夠推廣應(yīng)用在低速工況下采用相同潤滑劑的空間機(jī)構(gòu)中。