張新蘭 陳風(fēng)波 王姝瑛 許 文

(航天材料及工藝研究所 北京 100076)

軸承在我國航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其性能直接影響飛行器的工作狀態(tài)。為減小摩擦、降低磨耗、保證軸承的使用性能，常需要在軸承上涂敷潤滑材料。由于潤滑脂獨特的流變性，軸承的潤滑常選用潤滑脂作為運轉(zhuǎn)時的潤滑材料，以簡化其密封和潤滑系統(tǒng)[1]。

航天飛行器往往具有“長期貯存、一次使用”的特點，那么，長期貯存后潤滑脂材料是否仍然能夠?qū)︼w行器上關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一的軸承起有效的潤滑作用變得尤為重要。同時，為了盡量降低飛行器長期貯存期間整修檢查時拆卸軸承機構(gòu)帶來的人力、財力等成本，研究一種科學(xué)合理的潤滑脂貯存壽命評估方法，以確定材料經(jīng)長期貯存后是否仍能滿足使用要求，在工程應(yīng)用上具有重要意義。目前，已有較多關(guān)于軸承潤滑脂使用壽命的研究[2-6]，但是對于潤滑脂貯存壽命評估的相關(guān)報道卻相對較少[7-9]。

本文作者以某軸承用有機硅潤滑脂材料作為研究對象，探討潤滑脂貯存壽命的評估方法。有機硅潤滑脂是由烷基芳酰胺鹽稠化硅油制成，基本組成為硅油、烷基對苯二甲酸酰胺鈉鹽、抗氧劑。研究表明，潤滑脂材料的老化主要有2種形式，一是在熱作用或經(jīng)長期貯存后基礎(chǔ)油與稠化劑發(fā)生相分離，二是環(huán)境中氧、臭氧、紫外線、水等使得基礎(chǔ)油的氧化變質(zhì)。航天飛行器軸承用有機硅潤滑脂材料在貯存過程中主要受溫度及空氣的影響，因此主要的老化形式為第一種形式，即基礎(chǔ)油與稠化劑發(fā)生相分離，基礎(chǔ)油析出，導(dǎo)致潤滑脂質(zhì)量發(fā)生變化。因此，結(jié)合潤滑脂材料的使用工況及老化失效模式，文中采用熱空氣加速老化試驗的方法，以潤滑脂質(zhì)量變化率作為評估判據(jù)對潤滑脂貯存壽命進行評估，選取4個不同溫度作為加速應(yīng)力，利用老化動力學(xué)模型及Arrhenius方程對潤滑脂的質(zhì)量變化率進行擬合處理，評估得到潤滑脂的貯存壽命。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗用的某有機硅潤滑脂，為中國石化潤滑油有限公司生產(chǎn)，其理化指標均符合標準要求。

1.2 加速老化試驗條件

采用熱空氣加速老化試驗方法，測試有機硅潤滑脂質(zhì)量變化率。試驗選取的4個溫度應(yīng)力水平為90、105、120、135 ℃，取樣周期為0、1、5、10、15、20、30、60、90天。

有機硅潤滑脂主要性能指標加速老化試驗于105 ℃下進行，老化周期為0、40天。

1.3 性能測試方法

按GB/T 269-1991《潤滑脂和石油脂錐入度測定法》測試潤滑脂試樣錐入度；按GB/T 3498-2008《潤滑脂寬溫度范圍滴點測定法》測試潤滑脂試樣滴點；按SH/T 0331-2004《潤滑脂腐蝕試驗法》測試潤滑脂試樣腐蝕性能；按SH/T 0337-2004《潤滑脂蒸發(fā)度試驗法》測試潤滑脂試樣蒸發(fā)度；按SH/T 0335-2004方法用潤滑脂化學(xué)安定性測定器測試潤滑脂試樣化學(xué)安定性；參照SH/T 0324-2010《潤滑脂鋼網(wǎng)分油測定法(靜態(tài)法)》測試潤滑脂試樣質(zhì)量變化率。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 潤滑脂老化前后主要性能數(shù)據(jù)

在105 ℃下對有機硅潤滑脂試樣進行了熱空氣加速老化試驗，試驗后測得其主要性能(錐入度、滴點、蒸發(fā)度、腐蝕、化學(xué)安定性)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某有機硅潤滑脂材料加速老化試驗前后性能數(shù)據(jù)Table 1 The properties of a organosilicon grease before and after accelerated aging test

從表1中可看出，該有機硅潤滑脂經(jīng)105 ℃老化40天后，主要性能指標仍滿足技術(shù)指標要求。

2.2 質(zhì)量變化率

參照SH/T 0324-2010中規(guī)定的試驗方法，將潤滑脂試樣按要求裝入鋼網(wǎng)分油器的鋼網(wǎng)(如圖1所示)中，而后將裝配好的鋼網(wǎng)分油器分別放入溫度為90、105、120、135 ℃恒溫箱中開始加速老化試驗。老化試驗到達預(yù)定的取樣周期點后，從老化箱中取出，冷卻后稱量鋼網(wǎng)中潤滑脂的質(zhì)量，按式(1)計算鋼網(wǎng)中潤滑脂的質(zhì)量變化率。

圖1 鋼網(wǎng)分油器Fig 1 Steel mesh oil separator

(1)

式中：Y為潤滑脂的質(zhì)量變化率；m1為潤滑脂質(zhì)量減少量，g；m2為潤滑脂初始試樣的質(zhì)量，g。

表2給出了4種高溫環(huán)境下加速老化試驗所測得的潤滑脂的質(zhì)量變化率，圖2給出了4種加速老化溫度下，該有機硅潤滑脂質(zhì)量變化率隨時間的變化曲線。

表2 不同試驗溫度下某有機硅潤滑脂的質(zhì)量變化率Table 2 Mass change fraction of a organosilicon grease at different ageing test temperature

圖2 某有機硅潤滑脂的質(zhì)量變化率隨加速老化時間變化曲線

Fig 2 Variation of mass change fraction of a organosilicon grease

with accelerated ageing time

從圖2可見，4種溫度下，經(jīng)過90天加速老化試驗后，該潤滑脂質(zhì)量變化率隨老化時間延長而增大，并且溫度越高，變化速率越快。

3 貯存壽命評估

材料貯存期可根據(jù)老化后性能數(shù)據(jù)的處理和貯存壽命的外推評估。首先采用老化動力學(xué)模型對潤滑脂質(zhì)量變化率與老化時間的關(guān)系進行擬合。其公式為

1-Y=Ae-Kτα

(2)

式中：α為常數(shù)；τ為老化時間；K為老化速率；A為擬合常數(shù)；Y為潤滑脂質(zhì)量變化率。

由式(2)可擬合得到材料老化速率K。根據(jù)工程經(jīng)驗，在一定的溫度范圍內(nèi)，材料的老化速率與老化溫度的關(guān)系服從Arrhenius方程，即

K=A0e-E/(RT)

(3)

式中：T為老化溫度；E為材料活化能；A0為常數(shù)。

根據(jù)Arrhenius方程，可建立材料老化速率與老化溫度之間的關(guān)系，通過擬合外推可得到貯存溫度條件下的材料老化速率，并由此獲得貯存溫度下材料性能與貯存時間的關(guān)系式，進而評估得到潤滑脂材料的貯存壽命。

應(yīng)用式(2)對該有機硅潤滑脂材料在熱空氣加速老化試驗時各溫度下質(zhì)量變化率與老化時間進行擬合，得到擬合方程，列于表3中。

表3 某有機硅潤滑脂質(zhì)量變化率對老化時間擬合方程Table 3 The simulating equations of mass change fraction to aging time

采用式(3)對各加速老化溫度下的老化速率與老化溫度進行擬合回歸，外推得到25 ℃下的老化速率常數(shù)，并擬合得到25 ℃時有機硅潤滑脂質(zhì)量變化率與老化時間的關(guān)系方程，見表4。

表4 某有機硅潤滑脂質(zhì)量變化率與老化時間的 外推擬合方程Table 4 The extrapolated correlation between mass change fraction and ageing time of a organosilicon grease

由表1可知，材料在105 ℃下老化40天時材料的主要性能指標仍滿足技術(shù)指標要求。以該點作為貯存壽命外推臨界點，利用105 ℃下的擬合方程可得到，潤滑脂材料老化40天時對應(yīng)的質(zhì)量變化率為0.076，代入貯存溫度25 ℃時的外推擬合關(guān)系方程可計算得材料的貯存壽命為17年以上。

4 結(jié)論

(1)有機硅潤滑脂的質(zhì)量變化率隨老化時間的延長而呈規(guī)律性增大，且老化速率隨老化溫度升高而增大。

(2)通過老化動力學(xué)模型及Arrhenius方程對老化數(shù)據(jù)進行擬合處理，外推得質(zhì)量變化率為0.076時潤滑脂材料在25 ℃下的貯存壽命為17年以上，此時，材料的各項主要性能仍滿足指標要求。