长寿命空间扫描电机轴承润滑油的研制

贺景坚 ，梁宇翔 ，崔维鑫 ，尹开吉

(1.中国石化石油化工科学研究院，北京 100083；2.中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083)

0 引言

卫星、飞船及各类探测器等空间工业技术的发展要求解决一系列润滑科学与技术问题，其中最突出的问题是满足航天器在轨运行的长寿命要求，对润滑剂而言，就是要求提供长期有效的润滑。长寿命润滑对润滑剂的性能要求主要包括低挥发、润滑性能和化学稳定性等。除了长寿命要求，空间扫描电机轴承转速低且要求过零，为边界润滑状态；也会在低温环境下使用，因此对润滑剂有低温稳定性要求和边界润滑要求。

根据具体使用工况，参考国外空间同类产品技术制定了研制指标，其中部分指标见表1 。

表1 空间扫描电机轴承润滑油(DP-1)部分研制指标

表1(续)

1 主要评定设备

润滑性能评定主要采用美国科勒公司生产的KTR-30L-M型四球试验机和德国OPTIMOL仪器公司生产的SRV试验仪。氧化性能评定采用TA instruments 生产的Q2000差示扫描量热仪；腐蚀和氧化安定性评定采用大连奥特迈公司生产的腐蚀和氧化安定性试验仪。

2 空间扫描电机轴承润滑油的研制

2.1 基础油研究

早期空间润滑油基础油主要是精制矿物油，之后研制发展了酯类油、硅油、氟油、合成烃油和新型材料硅烃等合成油，并在一定时期分别应用于空间装置。

精制矿物油与传统添加剂溶解性好，可以通过各种添加剂改善性能，具有良好的润滑性能，但其挥发性较大、低温性能不理想，热和化学稳定性一般，不适用长寿命润滑。酯类油的化学稳定性不理想，它们与一些聚合物等材料有化学活性，并被怀疑在酸、碱或某些金属存在时发生分解，不利于空间长寿命润滑。硅油具有优异的低挥发性和低温性能，但是硅油在钢-钢界面的润滑，特别是在较高的负载时润滑性较差，也不利于长寿命润滑。氟油由于低挥发、化学惰性等优点在空间的应用研究较多，在一段时间成为首选空间润滑剂。但后来在应用和研究中发现，氟油一定情况下在钢-钢摩擦界面发生缓慢的自聚合退化，对长期润滑带来隐患。合成烃油的低挥发性比不上氟油，但远比精制矿物油和酯类油低，且其润滑性好，化学性能稳定，不易退化，低温性能、黏温性能等也较好。

对各种材料性能进行综合比较后， 根据扫描电机轴承应用工况和暂定指标，结合国外公司产品应用情况，研制了特定结构的合成烃作为基础油。基础油性能分析数据见表2。

表2 基础油部分性能分析数据

2.2 配方研究

虽然基础油对空间轴承润滑油的性能极为重要，但要达到润滑性能、氧化安定性以及热和化学稳定性等要求还需要加入各种功能添加剂。因此需要精选并平衡各种因素确定配方。

空间扫描电机轴承对润滑性能提出了特殊要求，所以在配方中设计了复合极压抗磨剂强化润滑性能。针对储存和使用工况两个条件选择抗氧化剂并组合，配方中也有金属钝化防腐蚀方面的考虑。

2.2.1 极压抗磨剂的研究

通过四球试验研究考察了A、B、C、D 4种极压抗磨剂的润滑性能和对酸值的影响 。试验结果见表3，结果显示复合极压抗磨剂具有较好的极压抗磨性能并能保持低酸值。配方选用复合极压抗磨剂。

表3 极压抗磨剂的研究

2.2.2 抗氧化剂的研究

通过DSC(差示扫描量热法)考察了不同抗氧化剂在配方体系中的作用效果，试验结果如图1、图2所示。结果显示，复合抗氧剂2具有更好的抗氧效果。

图1 复合抗氧剂1DSC曲线

进一步通过腐蚀和氧化安定性试验考查了复合抗氧剂2的性能。试验结果显示，复合抗氧剂2具有非常好的腐蚀和氧化安定性。见表4。

表4 腐蚀和氧化安定性试验

表4(续)

试验条件为：温度149 ℃，空气流量83 mL/min，时间72 h。

2.2.3 多功能添加剂的应用

为平衡和优化配方，加入了一种多功能剂。考察了摩擦磨损性能、腐蚀性能以及对酸值的影响。见表5、表6。

表5 多功能剂筛选

四球试验条件：200 r/min，30 ℃,1 h。

综合磨斑直径和摩擦系数的结果，多功能剂a具有较好的摩擦和润滑性能。考察了添加多功能剂对酸值和腐蚀性能的影响。

表6 多功能剂a其他相关性能的考查

表6结果显示添加剂a还具备一定的防腐蚀作用。与不添加a相比，酸值有所增加，但增加的幅度不大，不会影响到使用效果。综合考虑后决定在配方中加入多功能剂a。

3 配方组成

空间扫描电机轴承润滑油的配方体系为：

基础油：合成烃类；

添加剂：复合抗氧剂、复合极压抗磨剂、多功能剂等。

4 性能评定

4.1 理化性能

根据以上实验确定了空间扫描电机轴承润滑油配方，全配方的理化性能见表7。

表7 空间扫描电机轴承润滑油(DP-1)的理化性能

4.2 润滑性能

用四球机和SRV试验机评定研制油的润滑性能，研制油具有优良的润滑性能，部分试验数据见表8、表9。

表8 润滑性能(四球试验结果)

四球试验条件：600 r/min，30 ℃，1 h。

表9中参考油A是一种润滑性能很好的酯类空间用油。将研制油与参考油A进行相同条件下的SRV试验对比，试验数据显示随着载荷的增大，研制油在磨损性能方面的优势逐渐明显。综合表8和表9的试验结果，研制油具有良好的润滑性能。

表9 润滑性能(SRV试验结果)

4.3 腐蚀和氧化性能

4.3.1 腐蚀和氧化安定性

用腐蚀和氧化安定性试验评定了研制油的氧化性能，试验数据见表10，结果表明研制油具有非常好的腐蚀和氧化安定性。

表10 腐蚀和氧化安定性试验结果

4.3.2 高温清净性能

用斜板成焦试验对比了研制油和相同配方、以PAO作为基础油的对比样B的高温清净性能。结果表明研制油的高温稳定性优于以合成烃PAO作为基础油的对比样B。实验结果见表11和图3。

表11 斜板成焦试验结果

图3 斜板成焦试验板对比

试验条件：试验温度270 ℃，时间60 min，间隙供油，开停比为4 min∶4 min，泵速为0.3 r/min。

4.3.3 储存稳定性和热氧化稳定性

将研制油在80 ℃条件下储存365 d，进行热氧化和储存稳定性加速试验，考查其氧化后酸值和黏度变化，试验结果见表12，研制油在常温下保存10年的储存稳定性数据见表13。

表12 储存稳定性和热氧化稳定性试验结果

试验条件：80 ℃ ， 365 d。

表13 长期储存稳定性试验

各项考查结果显示研制油具有非常好的热和氧化稳定性。

4.4 红外透射率

为了考察润滑油膜对工作波段的红外透过率， 采用红外衰减全反射方法考察润滑油红外透光率。

红外光谱是化合物结构分析中常用的测试手段之一，其常规方法是测定样品的透射光谱。但对于一些特殊样品，如纤维、橡胶、合成树脂等，显然很难直接得到其红外透射光谱，因此衰减全反射法(attenuated total reflection, ATR)应运而生，而它也成为合成润滑剂分析中很有用的测试技术。

4.4.1 基本理论

在均匀介质中光沿直线传播，但光从一个介质进入另一个介质时，在分界面上光被分为折射光线和反射光线。光从光密介质(折射率高)射向光疏介质(折射率低)，且光线的入射角超过其临界角时，光不再进行折射，入射光全部反射回原介质，这种现象成为全反射。但是理论和实践都证明，光并不是百分之百的反射，而是穿透表面一定深度再返回样品表面，介质中仍有入射光的确定值，其值为：

E=E0e-Z/dp

(1)

(2)

其中E0是入射光的强度，Z为光进入第二介质的深度，当光的振幅沿Z方向指数衰减到初始的1/e时，即Z=dp，dp称为穿透深度。

如果在入射光的频率区内存在样品的选择吸收，结果使反射光中相应部分的强度减弱，即在光谱中产生吸收带，故该方法称为衰减全反射法(ATR)。ATR谱与透过光谱极为相似，谱峰位置与透过光谱一致。

4.4.2 测试结果和讨论

分析结果显示研制油在工作波段波长范围内红外透光率在96%以上。计算油膜厚度12.12 μm。

4.5 与参考油性能对比

表14对比了研制油与国外某著名空间润滑公司同类产品各项性能。

表14 与国外同类产品性能对比

表14(续)

注：*数据来自国外官方资料。

表15对比了研制油与原设计用油(参考油C)在不同载荷下的润滑性能(四球)对比。

表15 与原设计用油润滑性能对比

试验条件：转速1450 r/min，10 s，室温。

从以上对比结果可以看出：研制油润滑性能明显优于参考油C；研制油润滑性能和化学稳定性优于国外同类产品，技术达到国际先进水平。

5 批次稳定性研究

表16列出为了考察批次稳定性所生产的3批空间扫描电机轴承润滑油(DP-1)的主要理化性能。从表16可以看出所研制的空间扫描电机轴承润滑油(DP-1)生产质量稳定，各项性能均符合技术指标的要求。

表16 批次稳定性研究

6 应用试验结果

航天用户针对空间环境使用要求，系统地开展了空间扫描电机轴承润滑油(DP-1)的性能比对测试和例行环境模拟试验评估工作。截至2018年2月，可靠性寿命验证试验时间已累计超过11年，目前试验件工作状态正常。

空间扫描电机轴承润滑油(DP-1)已应用于空间相关型号，最长在轨工作时间已超过8年。

7 结论

研制了特定结构的合成烃基础油，采用空间润滑专用复合抗氧剂、复合极压抗磨剂和多功能剂等形成全配方的空间扫描电机轴承润滑油，具有良好的润滑性能、氧化性能、防腐蚀性能和低挥发性，并且具有很好的红外透射率。研制油与国外同类产品性能相当，技术达到国际先进水平。应用于空间扫描电机轴承的润滑，满足长寿命、高可靠性的要求。