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      油-脂復(fù)合潤(rùn)滑軸承填脂量分析與研究

      2019-03-23 06:02趙雁王雅夢(mèng)戴天任
      智能制造 2019年8期
      關(guān)鍵詞:潤(rùn)滑脂油膜力矩

      趙雁 王雅夢(mèng) 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(rùn)滑主要采用固體潤(rùn)滑方案。相關(guān)研究表明固體潤(rùn)滑膜層碾壓達(dá)到1x107次后易出現(xiàn)點(diǎn)狀剝落,且潤(rùn)渭膜破壞后無(wú)法自我修復(fù),將大大降低軸承可靠性。近年來(lái),隨著衛(wèi)星在軌設(shè)計(jì)壽命的不斷延長(zhǎng),軸承的累積工作壽命要求大于1x108轉(zhuǎn),固體潤(rùn)滑軸承已無(wú)法滿足主機(jī)壽命要求。油潤(rùn)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(rùn)滑膜層,而脂潤(rùn)滑軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力矩偏大,軸承潤(rùn)滑已成為制約長(zhǎng)壽命主機(jī)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。油-脂混合潤(rùn)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(rùn)滑脂,潤(rùn)滑脂能夠在軸承滾道表面形成潤(rùn)滑膜,結(jié)合保持架的微量出油,可形成長(zhǎng)效潤(rùn)滑機(jī)制,具有壽命長(zhǎng)、可靠性高等特點(diǎn)。因此,油-脂混合潤(rùn)滑已成為長(zhǎng)壽命低速軸承潤(rùn)滑的重點(diǎn)研究方向。影響油-脂混合潤(rùn)滑軸承性能的主要因素是保持架的出油速率及潤(rùn)滑脂的填脂量,本文重點(diǎn)研究填脂量對(duì)軸承的性能影響。

      國(guó)內(nèi)、外學(xué)者對(duì)脂潤(rùn)滑軸承的填脂量進(jìn)行了大量深入的研究,指出脂潤(rùn)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(rùn)滑軸承的功耗小于油潤(rùn)滑軸承的功耗美國(guó)MiChaCl Buucry的研究表明潤(rùn)滑脂含量對(duì)軸承的摩擦力矩、振動(dòng)及溫升有巨大影響。具了解,國(guó)外油-脂混合潤(rùn)滑軸承已成功應(yīng)用于多個(gè)空間機(jī)構(gòu)中,由于技術(shù)封鎖,填脂量的相關(guān)信息無(wú)從知曉;國(guó)內(nèi)對(duì)空間用油-脂混合潤(rùn)滑軸承已進(jìn)行了初步研究,目前未見(jiàn)公開(kāi)研究成果。因此,國(guó)內(nèi)、外能夠查閱到的油-脂混合潤(rùn)滑軸承填脂量的文獻(xiàn)寥寥無(wú)幾。

      鑒于此,本文以某空間儀器用油一脂混合潤(rùn)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(duì)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(cè)功能,這就要求軸承單元具有啟動(dòng)及動(dòng)態(tài)摩擦力矩小而平穩(wěn)的特性。同時(shí)為了確保觀測(cè)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(guò)160mg。主要技術(shù)指標(biāo)如表1所列。

      2、軸承結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑參數(shù)

      該機(jī)構(gòu)采用一對(duì)背靠背安裝的B7005C軸承,軸承采用多孔聚酰亞胺保持架,潤(rùn)滑方式為油一脂混合潤(rùn)滑,保持架含油率控制在20%以內(nèi),潤(rùn)滑劑選用P201潤(rùn)滑油和KKP201潤(rùn)滑脂(基礎(chǔ)油為P201),潤(rùn)滑劑性能參數(shù)如表2、3所列,P201潤(rùn)滑油和KKP201潤(rùn)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(duì)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(shí),由于轉(zhuǎn)速低且不完全密封,軸承單元的油氣散逸為潤(rùn)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(rùn)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(jì)時(shí)將兩端設(shè)計(jì)為迷宮密封,如圖1所示。潤(rùn)滑油流動(dòng)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(rùn)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(rùn)滑劑流動(dòng)狀態(tài)判定為分子流。因此,迷宮密封可簡(jiǎn)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(jì)算公式見(jiàn)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(jì)算公式:

      式中:U是分子流時(shí)環(huán)形截面流導(dǎo),單位為m3/s;T為絕對(duì)溫度,k;M是相對(duì)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(zhǎng)度,單位為m;K是修正系數(shù)。

      徑向輻射流導(dǎo)計(jì)算公式:

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

      串聯(lián)后總流導(dǎo)按下式計(jì)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(shí)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(jì)算及試驗(yàn)填脂量確定

      空間機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命時(shí)間為8年(2.52288x108s),選用潤(rùn)滑劑在25℃時(shí)飽和蒸氣壓約為:P=7.5x10-7pa

      飽和蒸汽壓與絕對(duì)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(jì)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(jì)算出保持架的可用油量。則油氣逸出量計(jì)算結(jié)果及空間機(jī)構(gòu)壽命周期內(nèi)軸承潤(rùn)滑油量分析如表4所列。

      由表4可知,軸承單元內(nèi)的潤(rùn)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(jì)要求,潤(rùn)滑油與潤(rùn)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(dòng)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(duì)多種填脂量進(jìn)行成對(duì)軸承啟動(dòng)摩擦力矩初期測(cè)試與篩選,剔除啟動(dòng)摩擦力炬過(guò)大方案,對(duì)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(rùn)滑脂量,方案如表5所列。為保證測(cè)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(shí)的磨合,以消除軸承表面質(zhì)量因素對(duì)其性能的影響。涂脂后測(cè)試其啟動(dòng)摩擦力矩,而后分批次安裝同一驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)測(cè)試,測(cè)試轉(zhuǎn)速為軸承單元工作轉(zhuǎn)速,通過(guò)電機(jī)在常溫、高溫、低溫下電流變化情況來(lái)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(cè)啟動(dòng)摩擦力矩,測(cè)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(duì)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(duì)軸承單元啟動(dòng)摩擦力矩的影響。

      在摩擦力矩測(cè)試儀上測(cè)試不同方案在動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱跑合)前、后的啟動(dòng)摩擦力矩,分析不同填脂量下啟動(dòng)摩擦力矩的變化規(guī)律,并測(cè)試不同填脂量在不同溫度下的啟動(dòng)摩擦力炬,評(píng)判不同填脂量下軸承單元的冷熱啟動(dòng)能力。啟動(dòng)摩擦力矩測(cè)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(dòng)摩擦力矩?zé)o規(guī)律性,這是由于滾道和鋼球上的潤(rùn)滑脂分布不均,存在潤(rùn)滑脂在某處堆積的情況;跑合試驗(yàn)后軸承單元的啟動(dòng)摩擦力矩隨填脂量的增多呈現(xiàn)增大趨勢(shì);當(dāng)填脂量達(dá)到60mg時(shí),其啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)摩擦力矩明顯小于跑合前狀態(tài),啟動(dòng)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(dòng)摩擦力炬隨溫度的變化趨勢(shì)基本相同,都隨溫度的降低先減小后增大,但跑合后啟動(dòng)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(shí),高、低溫與常溫啟動(dòng)摩擦力炬值的差異不大,說(shuō)明這兩種填脂量下軸承單元的冷熱啟動(dòng)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(duì)軸承單元?jiǎng)討B(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(dòng)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(guò)監(jiān)控四種填脂量方案下跑合過(guò)程中的電流值及其波動(dòng)來(lái)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(dòng)值如表6-8所列。

      由試驗(yàn)電流圖9及電流波動(dòng)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(dòng)值較小,說(shuō)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(shí),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(dòng)明顯大于a,b方案,特別是60mg時(shí),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(dòng)。分析認(rèn)為在高溫跑合時(shí),填脂量過(guò)多,軸承滾道跑合帶兩側(cè)堆積的大量潤(rùn)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(shí),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(shí),電流值倍增,并出現(xiàn)較為明顯波動(dòng)。分析認(rèn)為由于填脂量過(guò)多,潤(rùn)滑脂粘度增大的影響凸顯出來(lái),導(dǎo)致了軸承單元功率消耗過(guò)大,運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性下降。

      由動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)情況可知,當(dāng)填脂量為15mg與30mg時(shí),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(duì)軸承滾道油膜分布的影響。

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

      電阻法是最早提出的用于測(cè)量潤(rùn)滑油膜厚度與分布的技術(shù)。電阻法測(cè)量原理利用了金屬導(dǎo)電性能與潤(rùn)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(kāi)時(shí)電阻很大,而當(dāng)金屬接觸時(shí)電阻急劇下降,它能相當(dāng)有效地測(cè)定金屬接觸百分比,易于實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。在動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)后,將軸承單元?jiǎng)屿o件之間外接萬(wàn)用表,并勻速使其轉(zhuǎn)動(dòng),監(jiān)視萬(wàn)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(cè)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(shí)油膜電阻值較小,且存在電阻值急速下降的情況,說(shuō)明軸承滾道內(nèi)潤(rùn)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(shí)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(duì)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(shí)滾道油脂出現(xiàn)斑塊狀粘連痕跡以及潤(rùn)滑脂向軸承擋邊擴(kuò)散跡象。此現(xiàn)象說(shuō)明填脂量過(guò)多,鋼球與滾道在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(duì)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(duì)比,對(duì)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(shí),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(duì)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(shí),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(duì)油脂混合潤(rùn)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(píng)價(jià)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(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)超過(guò)5184000轉(zhuǎn),摩擦力矩及電流值穩(wěn)定。可以認(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(rùn)滑劑的空間機(jī)構(gòu)中。

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