航天长寿命轴承润滑技术

孙小波，王枫，葛世军，张弘毅，王子君

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

轴承及轴承单元决定了航天器的精度、寿命与可靠性，是航天器中的关键零部件。轴承的润滑是实现功能的关键因素，绝大多数轴承失效是因润滑失效引起的。航天轴承润滑技术与常规轴承润滑技术相比具有其特殊性，主要表现在空间润滑材料、环境及运动工况与大气环境迥异，通常涉及超高真空、高低温交变、高低速和多次启-停等[1]；且航天器一旦发射出去，不可能再补充润滑油。因此，对航天轴承而言，要求其具有低摩擦、高精度、长寿命和高可靠性，必须时刻保持良好的润滑状态。这种需求给轴承的材料和设计带来了诸多挑战，特别是在润滑系统上[2]。

1 航天长寿命轴承润滑特点

1.1 航天轴承润滑的特殊性

航天轴承的特殊工况及低摩擦、长寿命和高可靠性需求决定了其不能采用常规的润滑技术，而是采用固体润滑技术或一次性稀油润滑技术，润滑方式较为特殊。对于高速精密长寿命轴承，如动量轮用轴承，国内、外均采取一次性稀油润滑技术，即保持架采用多孔材料，保持架除了在轴承旋转时使滚动体相互分离外，还以多孔形式作为润滑油来源或载体，具有重要的作用[3-4]。

1.2 航天长寿命轴承的润滑原理

航天长寿命轴承采用的多孔材料保持架是将聚合物树脂或含棉纤维的树脂经特殊工艺压制烧成型，最后将润滑油压入微孔材料内制成。该保持架具有一定的机械强度，内部或表面有微孔，含润滑油的微孔成为润滑油相互流通的通道。

轴承运转时保持架同向运转，由于受到离心力，多孔材料保持架内的润滑油有向外转移的趋势；同时轴承运转时摩擦产生的热量使保持架出现温升，而润滑油的体积膨胀系数较保持架材料大，保持架材料内部微孔内所含润滑油的体积膨胀量比微孔体积增加量大，产生一种压迫润滑油向外表面渗透的内压力，在这两种力的作用下润滑油从多孔材料内溢出至表面。随着保持架温度的升高，内部润滑油黏度降低，其流动性增强，润滑油向滚动体表面转移的速率加快。滚动体转动时将保持架表面润滑油转移到接触的滚道面上，逐渐形成一层油膜，把相互接触的表面隔开从而起到润滑作用[3]。

多孔材料保持架的独特之处在于其具有回收润滑油的能力，保持架材料内微孔对润滑油产生的毛细管力大小与微孔直径成反比，与润滑油和多孔材料之间的表面张力成正比，该力阻止保持架内润滑油的过快流失。当轴承停止运转时，内部温度降低，同样由于两种材料的热膨胀系数不同，在微孔内形成负压，将相接触的多余润滑油吸入到保持架孔内。在转速、载荷、温度及润滑油特性等外界条件一定时，通过运转会建立一种动态平衡，此时出油与吸油速率相等，油膜厚度稳定，这是一种理想的平衡状态，多孔材料保持架进入了平稳工作区。

装有多孔材料保持架的航天长寿命轴承润滑油的流动过程为：保持架→滚动体→滚道→滚动体→保持架。

1.3 航天长寿命轴承多孔材料保持架

目前，航天长寿命轴承主要采用多孔聚酰胺材料保持架、多孔棉布-酚醛材料保持架和多孔聚酰亚胺材料保持架。

1.3.1 多孔聚酰胺材料保持架

1959年美国麻省理工学院最先研制出具有相互贯通微孔的多孔尼龙材料，随后多孔聚酰胺材料保持架成功应用于美国Titan-2型陀螺轴承中。在相对湿度为50%时，干燥的多孔尼龙材料可吸收3%w/w的水分，浸满油后只能吸收0.6%w/w的水分，表明只有很少的水分可以进入已经充满润滑油的材料内。

与多孔棉布-酚醛保持架材料相比，其含油率较高且可以形成从保持架到滚道面和再从滚道面返回保持架的循环润滑系统[4]。但该材料存在不能根据需求独立地调节或改变孔径或总孔容、阻力较大、化学稳定性与耐温性差、摩擦学性能不佳、耐空间环境状况差等缺点，限制了其更广泛的应用。

1.3.2 多孔棉布-酚醛材料保持架

多孔棉布-酚醛材料以棉布为基材，酚醛树脂为粘合剂，热反应型发泡剂为成孔剂，采取热辗压及烧结工艺制成管状材料。其利用棉纤维的毛细管作用储备并将润滑油输送到保持架表面，从而起到长期润滑作用，其耐热性优于多孔聚酰胺保持架材料，尺寸稳定性较高，是传统的多孔保持架材料。

多孔棉布-酚醛保持架材料对水分十分敏感，尚未浸油的多孔棉布-酚醛保持架材料暴露在一定湿度的空气中时，会因吸湿而使材料膨胀并阻止材料中与棉纤维相连的毛细孔对油的吸收，且多孔棉布-酚醛材料保持架的直径增加0.2%～0.4%[5]，保持架尺寸变大而紧贴轴承外圈[6]。完全浸油后的多孔棉布-酚醛材料保持架暴露在一定湿度的空气中时，由于吸湿而迫使其毛细孔中高达1/3～1/2的润滑油流出。因此多孔棉布-酚醛材料保持架在制造、浸油、轴承的安装以及储藏时应尽量免受空气湿度的影响。

此外，多孔棉布-酚醛保持架材料还存在材料孔隙率、含油率和含油保持率相对较低的弊端，限制了其应用。

1.3.3 多孔聚酰亚胺材料保持架

多孔聚酰亚胺材料保持架以聚酰亚胺模塑粉为原料，采用冷压自由烧结或定容烧结工艺制成。内部具有贯穿的通孔，其孔隙率、孔径及分布可通过改变制备工艺进行控制，采用不同粒度的模塑粉和调节成型工艺参数可以实现对孔径和孔隙率的精确控制[3]。

多孔聚酰亚胺保持架材料较多孔棉布-酚醛与多孔聚酰胺保持架材料化学稳定性及耐温性好、摩擦磨损性能优异、机械强度高、空间环境耐受性好，含油率和含油保持率较高且可控可调，能够在轴承使用过程中提供良好持续的润滑，成为研究和应用的重点。

美国Dixon公司[7]和洛阳轴研科技股份有限公司生产的多孔聚酰亚胺保持架材料部分性能对比见表1。

表1 多孔聚酰亚胺保持架材料性能对比

2 长寿命补充供油技术

2.1 长寿命补充润滑的必要性

航天长寿命轴承多孔材料保持架中润滑油存在的散失或变质问题使润滑周期缩短，这主要是由于：(1)在离心力作用下，有一部分润滑油向轴承滚道外散失，不能继续润滑轴承；(2)在真空条件下，润滑油蒸发加剧，部分润滑油散失；(3)在工作过程中，润滑油还会发生化学变化生成非润滑物质，在高温环境下这一现象更为明显。同时航天器的任务周期越来越长，如NASA的空间探测器任务周期为30年[8]，这对润滑寿命提出了更加苛刻的要求，单靠多孔材料保持架中的浸油量无法满足需求，必须发展长寿命补充供油技术。

2.2 长寿命补充润滑的原理及常用结构形式

为了有效延长轴承及航天器寿命，在航天轴承的安装部位设计供油系统，如储油器、储油箱及泵辅系统[9-10]，利用控油技术使内部的润滑油缓慢流向轴承，补充散失或变质的润滑油。

根据工作特征，航天器中润滑系统可分为无源润滑系统和有源润滑系统[2]。无源润滑系统是在离心力或表面迁移力驱使下给轴承持续不断地提供润滑油，常用的结构形式有离心润滑器、渗出流体润滑器、油绳式润滑系统、多孔储油器等。有源润滑系统是当有外部信号命令时，其给轴承供应定量的润滑油，常用的结构形式有主动润滑系统、原位需求润滑器、静态润滑储油器等。

2.2.1 离心润滑器[2]

安装于轴承单元旋转部分的离心润滑器是当前应用最普遍的润滑器类型。圆形的容器中充有润滑油，润滑油的最外层提供润滑油的流出路径。当轴承单元旋转时，紧贴着轴承单元的润滑器也以相同的速度旋转，离心作用力促使润滑油通过流出路径流出，流向安装在润滑器两端的轴承，补充缺失的润滑油。

在文献[2]开发的离心润滑器(图1)中，润滑油被充满于金属储油器中。润滑器外套管外壁有注流孔，润滑油在离心作用下从该孔中流出。流速由安装在储油器内注流孔下端的限制器控制。从储油器中流出的润滑油通过一个特殊设计的固定在轴承中间的外层间隔区供给轴承。在该设计中，组合体中的每一套轴承都通过独立的润滑器润滑。这个润滑器中初始的最小流速是4 μg/h。这种结构的润滑器最大优势在于其不需要外力驱动，也不需要额外关注就能确保长时间运转。由于流速与储油器油面高度成正比，储油器油面随着时间的延长逐步下降，故其有降低流速的缺点；且应用前需在操作环境下对离心作用的激活系统进行全面测试。

图1 离心润滑器

2.2.2 渗出流体润滑器[11]

将渗出流体润滑器安置于轴承单元的外部衬垫上，衬垫的端部构成轴承单元的外滚道。在润滑器内、外表面有精密的螺旋凹槽，凹槽在轴向上绕行并传送润滑油到每一套轴承上，流速由螺旋状凹槽的尺寸和轴承传动轴的转速控制。装有渗出流体润滑器的空间筒式轴承系统如图2所示。

图2 装有渗出流体润滑器的空间筒式轴承系统

2.2.3 油绳式润滑系统[12]

该润滑系统中，浸油饱和的棉纱布条与轴承相接触。摩擦接触导致少量的润滑油积于接触面上，润滑油从接触表面迁移至轴承。纱布条的另一端与储油器中的油相接触，其有吸油和维持饱和的作用。

2.2.4 主动润滑系统

当接到外在命令时，该润滑系统将定量的润滑油传送到轴承中。当出现对润滑油的需求时，命令启动润滑器，通过提高功率，或由轴承摩擦力矩增加导致轴承温度升高来表达此需求。

文献[13]开发了一种电磁阀控制型的主动润滑系统。在该系统中，润滑油被储存在金属波纹管内，通过压缩弹簧加压。高压油通过连接到储油器的电磁阀驱动释放到轴承中，打开阀门125 ms能释放0.2～5 mg的润滑油。

文献[14]开发的正压进给系统由一个弹簧加载金属波纹管构成。调控释放阀时，油通过计量波纹管和计量阀流到供油线路，并由其将润滑油输送到轴承表面。输油量由计量波纹管控制，其结构如图3所示。

1—释放阀；2—计量波纹管；3—可调限位器；4—计量阀；5—供给器；6—内圈(旋转)；7—保持架(内圈引导)；8—外圈(固定)；9—供油管；10—贮油器；11—弹簧组

文献[15]开发的指令润滑系统含有柔性金属波纹管，油在环境压力下储存于管内。微型步进电动机作为执行器，对着波纹管加压，油通过直径0.5 mm的钢管流入轴承。该系统可对输油量进行精确控制，当单个操作时间持续5 s时，这种模式输油量如图4所示。该系统的突出优点是润滑油在环境压力下储存，不存在遗漏的可能。波纹管的容量为2.5 g，每个周期的输油量约为15 mg，如每年操作两次，其润滑周期超过25年。

图4 指令润滑系统的输油量

2.2.5 原位需求润滑器

文献[16]开发的原位需求润滑器由多孔材料筒组成，筒上附有电子加热器，高摩擦引起轴承温度升高，需求润滑时润滑器被驱动。筒内充满润滑油后被安装在轴承的固定套圈上；当加热筒时，由于润滑油的热膨胀系数高于多孔材料，润滑油从筒中流出；润滑油的表面张力较轴承材料低，从筒中流出的润滑油迁移到轴承表面。文献[17]采用螺旋轨道摩擦计评价并验证了该系统用于长寿命航天器上的可行性。

2.2.6 静态润滑储油器[15]

静态润滑储油器包含安装在铝套筒上的多孔材料储油器和贴在套筒上的加热器。储油器的体积孔隙率约30%，携带足够整个任务期间使用的润滑油。该储油器组件安装在轴承单元的静止部分，当打开加热器时，由于热膨胀系数不同，油流出并润滑轴承。静态储油器的输油机理如图5所示。

1—保持架；2—球轴承；3—薄油膜；4—加热器；5—加热丝；6—油蒸汽

3 结束语

目前应用的多孔材料保持架结合长寿命补充润滑系统基本满足了当前航天器对长寿命润滑的需求，其中无源润滑系统可持续供应润滑油，更适宜于补充航天器的润滑系统。随着航天器任务期的进一步延长，需要研发新型的润滑系统补充润滑，以满足未来航天器对长寿命润滑的需求。