CN101329009A - 基于摩擦副转换的太空机械零部件的固液混合润滑方法 - Google Patents

Abstract

一种润滑与密封空间应用技术领域的基于摩擦副过渡的太空机械零部件的固液混合润滑方法，步骤为：首先，设计接触表面微观结构孔的形状和大小，并加工形成微孔；其次，将空间固体润滑剂加工成球状或柱状，填充在相互接触配合表面的微孔中，在地面环境下，装配后的固体润滑球具有微小变形量，即与表面微孔形成密封；然后，在具有相互运动的接触表面间注入润滑油或润滑脂，从而接触表面间形成具有滑动摩擦副的流体润滑方式。本发明能够在地球环境下、发射过程和太空环境下避免蒸发、变性、难以形成转移膜的缺陷，对各个接触部位进行有效润滑，同时实现由滑动向滚动摩擦副的平稳转换。

Description

基于摩擦副转换的太空机械零部件的固液混合润滑方法

技术领域

本发明涉及一种润滑与密封空间应用技术领域的方法，具体的说，涉及的是一种基于摩擦副过渡的太空机械零部件的固液混合润滑方法。

背景技术

具有相对运动的机械零部件在空间环境中服役，一般都要经历地面装配和保存、发射升空和空间服役三个阶段。配置密封装置的零部件相对运动表面在各个阶段下有密封润滑条件变化大，功能要求差别大的特点。如：1)地面装配和保存阶段，相对运动表面的润滑膜承受自重及润滑液压力作用，此时，密封的要求为防止灰尘、水汽等的入侵；2)发射升空阶段，由于万有引力作用，相对运动表面润滑膜需要承受正常地球引力环境下数倍的载荷；3)在空间服役阶段，机械零部件处于失重环境中，相对运动表面润滑膜很少甚至不再承受任何载荷，密封的要求为防止由于强辐射、高真空、高温及大温差等恶劣环境导致的润滑油蒸发、变性等润滑失效。因此，在地面装配和保存阶段，零部件相对运动表面通常采用液体、油脂润滑方式；而在空间服役阶段，多采用固体润滑方式。但是，空间机械相对运动部位经常发生润滑失效，即固体润滑材料常因为不能形成有效转移膜，从而导致零件配合表面易于发生冷焊，滞动等故障。

经对现有技术的文献检索发现，荣欣等发表在《润滑与密封》2001，25(3)：1～3的“月球车润滑与密封技术综述”和于德阳发表在《摩擦学报》1996，16(1)：“空间机械润滑研究的现状”的文献表明：目前，空间机械零部件相对运动表面配对较多时，通常并不局限于单一的润滑方式，而是采用多种润滑形式(液体润滑、脂润滑、固体润滑)并存的润滑策略。但是，在零部件相互配合表面间一般采用唯一的润滑方式，即液体润滑、油脂润滑或固体润滑。液体和油脂作为润滑剂虽然能够在地面环境上对具有滑动或滚动运动副的空间零部件进行有效润滑，但在太空高真空环境容易蒸发从而导致润滑失效；固体润滑能够有效克服液体润滑在太空应用时易于蒸发的局限性，但在发射过程中常由于承载能力不够易于导致润滑失效。另一方面，滚动摩擦副由于是点/线接触，在地面环境下采用固体润滑时载荷过大容易导致空间零部件润滑失效，而滑动摩擦是面接触，因此能够有效克服滚动摩擦副的不足。在月面或太空环境下，载荷很小或者为零，即载荷的影响远远小于地面环境，因此，滚动摩擦副将不再具有地面环境承载能力不足的局限性。

发明内容

本发明的目的是针对现有空间机械具有相对运动零部件的单一润滑方式和单一运动摩擦副的不足，提供一种基于摩擦副转换的太空机械零部件的固液混合润滑方法，使其能够有效适应重力加速度变化、空间高真空、大温差、强辐射环境。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括三个步骤：

首先，根据空间机械具有相互运动表面间的运动形式、地面环境、发射过程的承载状况，设计接触表面微观结构孔的形状和大小，并加工形成微孔；

其次，将空间固体润滑剂加工成球状或柱状，填充在相互接触配合表面的微孔中；

然后，在具有相互运动的接触表面间注入润滑油或润滑脂，从而接触表面间形成具有滑动摩擦副的流体润滑方式，在空间机械发射升空进行太空服役后，由于所受重力的变化，接触表面间的滑动摩擦副实现向滚动摩擦副方式的转化。

本发明中，空间机械的工况分为三种：地面保存阶段的正常重力工况，发射升空阶段的超重工况以及太空服役阶段的失重工况，各工况受载情况分别为只受重力，受N倍重力以及不受力。根据空间固体润滑剂在三种工况下的变形情况设计接触表面微观结构孔的形状和大小，并加工形成微孔。

所述地面保存阶段的正常重力工况，是指：在地面环境下，装配后的固体润滑球具有微小变形量，即与表面微孔形成较好的密封效果。

所述发射升空阶段的超重工况，是指：在发射过程中，由于加速度的影响，空间零部件实际承载将增加数倍。因此，零部件相互接触面间的固体润滑球或柱体将进一步变形，由于液体润滑剂或油脂的存在，该变形不会破坏零部件接触表面与固体润滑剂间的密封效果。

所述太空服役阶段的失重工况，是指：当空间机械进入完全失重的高真空太空时，重力解除，零部件相互配合表面间的载荷完全消失，固体润滑球将恢复为球或柱体。则固体润滑球或柱体与微孔之间将产生间隙，润滑油或润滑脂将进入微孔底部，配合表面之间的润滑状态实际为固体、液体或油脂混合润滑状体。在该状态下，相互接触表面很容易形成转移膜，转移膜的效果将有助于液体润滑油或润滑脂保持在相互配对的表面之间，不易蒸发变性。因此能够对空间机械中具有相对移动、转动或摆动的零部件接触面进行有效润滑，从而提高空间机械的寿命和可靠性。此外，由于润滑油脂蒸发的缘故，两个接触面间的润滑油脂会逐渐减少，直到两个接触表面之间以固体球或柱体接触为极限，这时接触表面间的滑动摩擦副实现向滚动摩擦副方式的转化。

本发明通过对相互配合表面进行特殊形貌处理，进而在各个配合表面间同时采用固体与液体优势互补的润滑方式，能够在地球环境下、发射过程和太空环境下避免蒸发、变性、难以形成转移膜的缺陷，对各个接触部位进行有效润滑，同时实现工作条件下具有相对运动表面间由滑动向滚动摩擦副的平稳转换。

附图说明

图1为本发明对相互接触两个表面都进行润滑的实施方式示意图；

其中，(a)地面环境中；(b)发射过程中；(c)在空间环境中；(d)滑动转化为滚动摩擦副。

图2为本发明对两个接触表面其中一个进行润滑的实施方式示意图；

其中，(a)地面环境中；(b)发射过程中；(c)在空间环境中；(d)滑动转化为滚动摩擦副。

图3为固体润滑剂在地面及升空过程中的受力情况图。

图4为固体润滑剂与接触体2的接触几何模型图。

图5为固体润滑剂与接触体2的接触有限元模型图。

图6为固体润滑剂与接触体2的接触边界条件施加模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以太空机械摆动关节零部件具有滚动接触表面的润滑方式为例说明滑动向固体摩擦副进行转换具体实施混合润滑过程和效果：

图1表示的是对相互接触两个表面都进行润滑的实施方式，图2分别表示的是只对两个接触表面其中一个进行润滑的实施方式。二者实施原理相同。图中：1、2为两个接触体，3为被压缩的固体润滑球，4为液体或油脂润滑剂。

根据摆动关节零部件的受力情况，在其相互运动的接触表面上采用激光等加工工艺加工出微观结构孔如图1(a)、图2(a)所示。微观结构孔呈圆锥面形状，并且横向成均匀分布，纵向成对称分布，在上下两排微观结构孔之间填充固体润滑剂和液体润滑剂。

将软金属(这里以铜为例)空间固体润滑剂加工成球状或柱状，填充在相互接触配合表面的微孔中，如图1(a)、图2(a)所示。通过球状或柱状固体润滑剂与微观结构孔的配合实现固体润滑的效果。

在具有相互运动的接触表面间注入润滑油或润滑脂，从而接触表面间形成具有滑动摩擦副的流体润滑方式。在地面环境载荷F作用下，装配后的固体润滑球具有微小变形量δ，即与表面微孔形成较好的密封效果。

将关节零部件的外加载荷增加至F的n倍，模拟空间机械在发射过程中的超重现象，则摆动关节零部件固体球或柱体将进一步变形，变形量增加至δ的m倍，如图1(b)和图2(b)所示。由于液体润滑剂或油脂的不可压缩效应，固体球或柱的变形不会破坏零部件接触表面与固体润滑剂间的密封效果。

设计载荷卸载装置，模拟摆动关节零部件的失重环境，零部件相互配合表面间的载荷大大减小，直至消失时，固体润滑球或柱体基本恢复原状；如图1(c)、(d)和图2(c)、(d)所示。

在恢复原有形状的过程中，由于加工时存在留下的微小变形量δ，润滑油或润滑脂将进入关节零部件表面的微孔中，配合表面之间的润滑状态实际为固体、液体或油脂混合润滑状体。

摆动关节零部件的接触界由滑动摩擦副转换为了滚动摩擦副。在该状态下，相互接触表面很容易形成转移膜，转移膜的效果将有助于液体润滑油或润滑脂保持在相互配对的表面之间，不易蒸发变性。

以下对本实施例实现及工作原理进行详细的说明。

本实施例实施时，先要分析空间机械具有相互运动表面间的运动形式、地面环境、发射过程的承载状况，确定微小变形量δ。

图3为固体润滑剂在地面及升空过程中的受力情况，G表示固体润滑剂球体自身的重力，R1，R2表示固体润滑剂球体与接触体2接触是受到的接触支反力。通过对该受力情况的有限元仿真，可以确定由于重力加速度的不同导致的受力不同对固体润滑剂变形的影响。

已知条件：

球体：1)几何尺寸；半径：1mm

2)材料：铜

杨氏模量：2.0×10⁵Mpa

泊松比：0.32

材料密度：8920kg/m³

要求：计算三种工况(地面保存装配阶段的正常重力工况，发射升空阶段的超重阶段，太空服役阶段的失重工况)下固体润滑剂球体的变形量。

微小变形量δ的计算具体如下：

(1)建立几何模型

由于接触的两个实体都为轴对称实体，为了简化计算，在Abaqus中建立2D接触模型，如图4所示。接触件2，固体润滑剂5。

(2)建立有限元模型

在Abaqus中对建立的几何模型进行网格划分，施加材料参数，建立有限元模型，如图5所示。其中，材料铜的杨式模量设定为2.0×10¹¹，泊松比为0.32，密度为8920kg/m³。

(3)施加边界条件

在Abaqus中对建立的有限元模型施加边界条件，接触刚体设定约束为x，y方向移动及绕z轴的转动。固体润滑剂球体设定约束为y方向上球体上半部分位移不得超过指定部位，如图6所示。

(4)三种工况

√工况1：地面保存阶段的正常重力工况

该工况下，由于固体润滑剂球体只是受到自身重力的作用，重力大小为 $P=\frac{4}{3}\mathrm{\π}{R}^3\mathrm{\ρg}=0.373N,$ 重力施加位置在物体的重心。此时，通过弹性力学计算，重心位置的质点在该工况下沿Y方向向下移动了0.03mm的位移，因此，在固体润滑剂球体上施加向下的0.03mm的位移，球体形状变为椭球形。

√工况2：发生升空阶段的超重工况

该工况下，由于固体润滑剂球体在升空过程中处于超重状态，受力大小为地面保存阶段的3-4倍，重力施加位置在物体的重心。此时，通过弹性力学计算，重心位置的质点在该工况下沿Y方向向下移动了0.06mm的位移，因此，在球体上施加向下的0.06mm的位移，球体形状变为椭球形。

√工况3：太空服役阶段的失重工况

该工况下，由于固体润滑剂在太空服役过程中处于失重状态，因此固体润滑剂球体恢复原有的形状，即球形。

(5)结果及分析

通过计算可以得出在地面保存阶段，固体润滑剂球体由于重力作用与接触体2的接触导致的最大变形为2.058μm。

在发射升空阶段，固体润滑剂球体由于处于超重状态，在受力为自身重力的3-4倍时与接触体2的接触导致的最大变形为8.287μm。

在太空服役阶段，由于固体润滑剂球体处于失重状况，固体润滑球体不发生变形。

然后：

(1)针对该微小变形量δ进行固体润滑剂与表面微孔的加工：微观结构孔呈圆锥面形状，并且横向成均匀分布，纵向成对称分布，在上下两排微观结构孔之间填充固体润滑剂和液体润滑剂；空间固体润滑剂加工成球状或柱状，填充在相互接触配合表面的微孔中；

(2)当固体润滑剂球体在工况1(地面保存与装配阶段)条件下，与接触体2之间由于重力的作用下的变形，装配后的固体润滑球具有微小变形量2.058μm，即与表面微孔形成较好的密封效果。

(3)当固体润滑剂球体在工况2(发射升空阶段)条件下，由于升空加速度为重力加速度的3倍，即关节零部件的外加载荷增加至F的3倍，模拟空间机械在发射过程中的超重现象，则摆动关节零部件固体球或柱体将进一步变形，变形量增加至8.287μm。由于液体润滑剂或油脂的不可压缩效应，固体球或柱的变形不会破坏零部件接触表面与固体润滑剂间的密封效果。

(4)当固体润滑剂球体在工况3(太空服役阶段)条件下，服役零部件处于失重环境，零部件相互配合表面间的载荷减小直至消失时，固体润滑球或柱体基本恢复原状，即此时固体润滑剂球体与接触体2之间原有间隙恢复。

(5)在太空服役阶段下，由于服役零部件在太空中的旋转，润滑油或润滑脂在离心力的作用下通过固体润滑球体与接触体2之间的间隙将进入服役零部件表面的微孔中，配合表面之间的润滑状态实际为固体、液体或油脂混合润滑状体。此时，摆动关节零部件的接触界由滑动摩擦副转换为了滚动摩擦副。在该状态下，相互接触表面很容易形成转移膜，转移膜的效果将有助于液体润滑油或润滑脂保持在相互配对的表面之间，不易蒸发变性流体特性与进入间隙的情况分析。

实施效果：

利用空间机械在整个生命周期的由于重力加速度变化而导致润滑剂形态的改变，将固体润滑与液体润滑或油脂润滑进行有序搭配，优势互补地对同一个具有相对运动表面间进行混合润滑方式。而且能够利用太空失重特殊环境，实现零部件相对运动表面由滑动向滚动摩擦副的平稳过渡与转换，这对提高空间关键零部件可靠性的重要意义不言而喻。该方法能够有效解决空间机械在不同承载阶段对润滑密封彼此矛盾的功能要求，能够实现空间机械中具有相对移动、转动或摆动的零部件接触面由滑动向滚动摩擦副的平稳转换，从而能够对空间机械进行有效密封与润滑，提高寿命和可靠性。此外，由于微孔中贮藏了足够的润滑液，固体球或柱体能够得到充分润滑，使接触表面间保持良好的润滑状态。同时，由于固体球或柱体对微孔润滑油的密封效果，使得微孔中的润滑油很难蒸发，从而保证空间机械在整个寿命周期内都能够得到有效的润滑，避免由于润滑密封失效而导致的过早报废。

Claims (6)

1、一种基于摩擦副过渡的太空机械零部件的固液混合润滑方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，根据空间机械具有相互运动表面间的运动形式、地面环境、发射过程的承载状况，设计接触表面微观结构孔的形状和大小，并加工形成微孔；

其次，将空间固体润滑剂加工成球状或柱状，填充在相互接触配合表面的微孔中；

然后，在具有相互运动的接触表面间注入润滑油或润滑脂，从而接触表面间形成具有滑动摩擦副的流体润滑方式，在空间机械发射升空进行太空服役后，由于所受重力的变化，接触表面间的滑动摩擦副实现向滚动摩擦副方式的转化。

2、根据权利要求1所述的基于摩擦副过渡的太空机械零部件的固液混合润滑方法，其特征是，第一步中，所述空间机械，其工况分为三种：地面保存阶段的正常重力工况，发射升空阶段的超重工况以及太空服役阶段的失重工况，各工况受载情况分别为只受重力，受N倍重力以及不受力，根据空间固体润滑剂在三种工况下的变形情况设计接触表面微观结构孔的形状和大小，并加工形成微孔。

3、根据权利要求1或2所述的基于摩擦副过渡的太空机械零部件的固液混合润滑方法，其特征是，所述微观结构孔呈圆锥面形状，并且横向成均匀分布，纵向成对称分布，在上下两排微观结构孔之间填充固体润滑剂和液体润滑剂。

4、根据权利要求2所述的基于摩擦副过渡的太空机械零部件的固液混合润滑方法，其特征是，所述地面保存阶段的正常重力工况，是指：在地面环境下，装配后的固体润滑球具有微小变形量，即与表面微孔形成密封。

5、根据权利要求2所述的基于摩擦副过渡的太空机械零部件的固液混合润滑方法，其特征是，所述发射升空阶段的超重工况，是指：在发射过程中空间零部件实际承载将增加数倍，零部件相互接触面间的固体润滑球或柱体将进一步变形，液体润滑剂或油脂保证零部件接触表面与固体润滑剂间的密封。

6、根据权利要求2所述的基于摩擦副过渡的太空机械零部件的固液混合润滑方法，其特征是，所述太空服役阶段的失重工况，是指：当空间机械进入完全失重的高真空太空时，重力解除，零部件相互配合表面间的载荷完全消失，固体润滑球恢复为球或柱体，固体润滑球或柱体与微孔之间产生间隙，润滑油或润滑脂进入微孔底部，配合表面之间的润滑状态为固体、液体或油脂混合润滑状体，在该状态下，相互接触表面容易形成转移膜，转移膜有助于液体润滑油或润滑脂保持在相互配对的表面之间，且两个接触面间的润滑油脂会逐渐减少，直到两个接触表面之间以固体球或柱体接触为极限，这时接触表面间的滑动摩擦副实现向滚动摩擦副方式的转化。

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