空间润滑

null国外空间机械润滑的经验教训及 发展我国空间机械润滑课题的初步设想 北京理工大学空间机械润滑课题组 国外空间机械润滑的经验教训及 发展我国空间机械润滑课题的初步设想 北京理工大学空间机械润滑课题组 1.     前言1.     前言发展空间技术耗资巨大，为了确保空间机械各种活动部件能够准确、可靠地工作，必须正确地应用摩擦学知识，精心选择所需的润滑材料，则可创造巨大的经济效益或避免重大的经济损失。null多年来，美国、欧洲、日本等国在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 可靠的空间机构（机械运动零部件）方面经历了许多失败，导致空间机构的失效而发生异常状况，甚至在卫星和空间站发射之前的质量检验中就已出现异常。 据统计，空间机构的失效和异常在很大程度上是润滑不当造成的。 在发展我国空间技术时，对国外空间机械的工作和失效情况进行探讨是很有必要的，有助于研制最优空间机械结构的设计和润滑 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的制定，并及时开展任何所需技术的开发研究工作。     国外空间机械润滑的经验教训    国外空间机械润滑的经验教训本文收集的有关空间机械润滑的报道和研究，主要源自美国NASA的MTI 立项（项目代码NAS3—27086）；以及大量的文献检索，包括科技杂志、空间机械润滑专题讨论会年报以及NASA的空间机械机构手册。 内容涉及到美国国家航空和宇宙航空局（NASA）、欧洲空间摩擦实验室(ESTL)、加拿大SPAR公司、日本、印度等世界许多国家有关空间机械润滑的经验与教训，很值得我们借鉴。 null与MoS2润滑膜有关的空间机械应用实例与MoS2润滑膜有关的空间机械应用实例对于高负荷边界润滑接触，推荐使用胶合固体膜润滑，如MoS2。 对于低速球轴承旋转，推荐使用聚四氟乙烯或混合油脂的MoS2。 滑移运动大多使用边界润滑，必须使用有极限压力梯度添加剂的高负荷传送油脂。在摩擦 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面之间，油脂可形成高负荷传送固体膜，如聚四氟乙烯，MoS2，石墨，或TCP。null由于MoS2润滑剂在低温条件下的润滑性能差而使轴承过度磨损，在低温（-44℉）条件下MoS2成球形状态，在转动元件上消耗驱动力矩。事实上，这也是太空船发射到轨道上实行远距离操作时太阳能装置不能及时打开的主要原因。运用适当跑合的MoS2溅射膜能解决这些问题。 在观测人造地球探测卫星太阳能装置的附件时，低温、热量梯度、MoS2润滑剂和转矩余量不足等综合因素造成展开部件出问题。 null 很明显MoS2膜的摩擦系数与湿度有关，变化的量级与环境和真空度有关，在摩擦副两个表面使用MoS2膜的摩擦系数比在一个表面使用 MoS2膜的摩擦系数高。 由于轴上MoS2膜的磨屑堆积在O型密封环上导致密封破坏。 对于活塞，推荐使用电镀镍及聚四氟乙烯膜。 nullMoS2和TiN固体膜在短齿轮上应用取得较好的效果，摩擦材料必须与系统设计相适应。 原子氧对磁控溅射MoS2膜的氧化作用有待进一步研究。 通过等离子体的磁域激化极大地提高了MoS2膜在真空中的摩擦特性，不仅在纯滑动运动中降低了摩擦系数，膜的耐磨性也得到很大提高。 nullMoS2的离子束镀膜显示了发展前景，这种方法的一个特征就是提高了膜的密度和延长膜的使用寿命。 MoS2能与陶瓷(如碳化钛，热压氮化硅)很好的配合。 null由于润滑剂断源，在低温真空条件下蜗轮可能受到更大的转矩，含有MoS2的软极限压力齿轮可有效地缓和这类问题。 在环境寿命实验的最初阶段，线圈电流回路产生噪音、轴速降低等反常现象。 分析表明，暂时反常性能是由电刷表面的MoS2沉积膜的磨损物引起的。与铅润滑膜有关的空间机械 应用实例与铅润滑膜有关的空间机械 应用实例在欧洲，离子镀铅膜已得到广泛应用，铅膜的一个重要特性是他具有高承载能力，在单个太阳能装置驱动器上已累积工作2百万小时以上。 在欧洲卫星和哈勃太空望远镜的太阳能装置驱动机构的轴承上，离子镀铅取得了独特的效果。 null已证明，在低温和真空中，离子镀铅润滑剂对于轻负荷，低速，间歇轴承类型的应用是符合要求的。 铅的特殊缺点是迅速氧化，必须在干真空环境下贮藏，弯曲及环表面的污染可引起高噪音，噪音的主要来源是表面的铜和铅氧化物。与PAO矿物润滑油有关的空间机械应用实例 与PAO矿物润滑油有关的空间机械应用实例 PAO润滑剂的轴承寿命比PFPE润滑剂的轴承寿命明显更长。 对于振动扫描轴承的润滑，进行了三种油的实验：Versilube F-50(一种CAS油)；Brayco 815Z(PFPE油)；和Nye188B（一种合成碳氢油，PAO）。 PAO油比其他油具有更宽的极限。其主要原因是PAO油中抗磨损添加剂的存在。其他两种润滑油降解迅速。 与硬质膜（TiN、TiC、陶瓷等）有关的空间机械应用实例与硬质膜（TiN、TiC、陶瓷等）有关的空间机械应用实例TiN、TiC都是有效的抗磨损涂层，TiC应用在回转仪的球轴承上，与非涂层钢轨和高质量的矿物油共同使用，在一定程度上提高了轴承的运行寿命。 硬质陶瓷涂层（TiN、TiC）轴承的转矩噪音较低。与聚四氟乙烯有关的空间机械应用实例 与聚四氟乙烯有关的空间机械应用实例 对于低速球轴承旋转，推荐使用聚四氟乙烯或混合油脂的MoS2。 滑移运动大多是边界润滑，必须使用有极限压力梯度添加剂的高负荷传送油脂，在摩擦表面之间油脂可形成高负荷传送固体膜，如聚四氟乙烯，MoS2，石墨，或TCP。 与其它油脂润滑有关的空间机械应用实例 与其它油脂润滑有关的空间机械应用实例 由于失重，油质润滑油不适合于空间往复机构，压缩油脂回转零件是普遍使用的。 null 综上所述，空间机械组件及仪器的安全运转，相关摩擦副间的正常工作，都离不开润滑。 摩擦面上的法向载荷及相对滑动速度或转速;摩擦面间的点﹑线﹑面等接触形式；摩擦副间的滑动﹑滚动﹑滚滑﹑旋转﹑往复﹑断续等运动形式；还有摩擦副的不同零部件类别，包括不同用途和部位的轴承﹑齿轮﹑万向节﹑蜗轮蜗杆等,甚至包括有特殊润滑要求的电子元气件等. null因此，空间机械各运动部件的工作环境、运动形式和受力状况各不相同,各部位对润滑剂的摩擦学效果、对摩擦副部件服役周期提出了不同要求； 研究者必须博采各种润滑材料和技术之所长，因地制宜，绝不能局限于单一的固体润滑材料或油脂润滑方式。我国空间机械润滑课题的初步设想 我国空间机械润滑课题的初步设想 并行设计理念并行设计理念要合理地选择空间机械用的润滑材料，就必须掌握和运用有关的摩擦学知识，在对空间机械零部件进行结构设计、强度设计和动力学设计等的同时进行摩擦学设计，有时还需要与结构、强度及动力学设计等交替地进行，以选定最优的设计与实施方案。不要等其它设计都已完成时再去考虑摩擦学的问题，否则就有可能使润滑材料的选择陷入十分被动的状态，以致造成一些难以弥补的缺陷，甚或酿成重大的技术和经济损失。 因而，空间机械的摩擦学设计至少包括两个方面，一是运用摩擦学知识合理地选择润滑方式和润滑材料，二是根据摩擦学知识来确定空间机械摩擦副的结构、强度和动力学设计。 空间摩擦学研究基础的积累 空间摩擦学研究基础的积累 空间环境模拟试验设备及方法的建立 null目前国内模拟空间环境的摩擦磨损试验机还不具备，兰州物化所的摩擦磨损试验机只能单独实现低温或超真空的试验环境；北京理工大学的模拟空间环境的摩擦磨损试验机虽然能够同时实现低温或超真空的试验环境，但a) 真空度不够高，仅10-6torr；b) 低温不够低，仅-100℃左右。 null 欧洲空间摩擦学实验室（ESTL）是欧洲空间局对外的第一个实验室，ESTL有11个直径从150～1000mm的真空室(工作体积为0.93m3)，可实现的真空压力达10-9毫巴，温度范围为-1500C～+1500C。重点是提供洁净的真空室和抽气的可靠性。用涡轮分子泵抽初始真空，最高真空用离子泵或低温泵实现。对于这样的系统，不存在真空室污染的危险。可保证性能长期稳定（离子泵超过８年）每一个大的真空室都装配了两个或更多的热辐射罩和电子加热器。利用这些设备可实现宽温差（包括温度的迅速变化）。 null真空系统在机械泵，扩散泵的工作下，极限真空度为10-6torr，为了进一步提高真空度，降低真空室内的温度，设计了冷凝泵装置，如图所示，冷凝泵由双层冷屏结构组成，外层冷屏与液氮罐１连接，外冷屏层内的温度降至-100℃左右。为了增加隔热效果，阻止外部热辐射进入摩擦副空间，设计了又一道内冷屏系统，即液氮罐２和内冷屏箱结构。这样的结构可以使摩擦副空间的温度降得更低，甚至可接近液氮温度。为了维持这样低的温度要采用很多措施才行，例如转动装置和测量装置都应考虑降温，即内冷屏箱与液氮罐相连接等措施而进一步降温，利用热电偶或碳电阻测温仪来测温。null 积累各类润滑材料的基本性能数据 积累各类润滑材料的基本性能数据 润滑油脂类 固体润滑膜性能 自润滑复合材料 确定摩擦副的使用环境和操作条件及选择润滑方式、润滑材料 确定摩擦副的使用环境和操作条件及选择润滑方式、润滑材料 真空环境条件 操作条件 储存条件及其它 润滑材料及润滑方式的确定 空间机械润滑的需求课题 空间机械润滑的需求课题 目前空间机械润滑课题的最大需求是大幅度延长空间摩擦学系统的寿命；提高可靠性；大幅度降低摩擦力矩及力矩噪声；在间歇运行条件下的润滑和防止真空冷焊；在极端（低温、高温、高速和重载等）条件下的空间摩擦研究。 进行这些课题研究必须立足于现有基础研究解决航天工程上的重点摩擦学问题；加强空间摩擦学的探索性研究以发现或发展新的备用润滑剂和新技术，满足新的更高要求。 耐高低温的固体润滑材料 耐高低温的固体润滑材料 迫切需要研制从常温到800℃乃至1000℃都具有良好摩擦学性能的固体润滑材料，ESTL已经将其列入计划进行研究。 从室温到1000℃都需要润滑的燃气配气阀；空间飞行器操纵翼外部控制系统的各种轴承在重返大气层时由于空气的摩擦被加热到1000℃以上的高温； 火箭核发动机的控制杆作动器轴承是处于650℃高温环境中； 空间飞行器上有些轴承的转速可达20000～50000转/分，轴承工作温度超过500℃。耐高低温的固体润滑材料耐高低温的固体润滑材料欧空局（ESTL）也曾在真空中于300K到20K的温度下评价了有各种自润滑材料保持器的轴承转矩，发现用含PTFE或MoS2复合材料保持器润滑的轴承在冷至20K时的转矩和转矩噪声都增大，装有含铅保持器并用离子镀铅膜润滑的轴承之转矩却未受降温的影响。 耐高低温的固体润滑材料 耐高低温的固体润滑材料 低温环境下的固体润滑主要是液体燃料火箭用的各种超低温液化气体涡轮泵轴承的润滑与密封，以及在月球背面工作的摩擦副的润滑等。 为了解决超低温下的润滑问题，NASA的Lewis研究中心进行了专门的研究，固体润滑膜与硬质抗磨涂层配合的复合涂层是解决空间装置在这种极端温度下之润滑问题的唯一手段，但还没有看到具体的研究报道。 空间润滑材料对环境的适应性研究 空间润滑材料对环境的适应性研究 所谓空间润滑材料对环境的适应性要求包括： 发射时推进系统透平泵的液氧、红发烟硝酸或其它腐蚀性气体的适应性； 发射以前在地面对储存环境湿度的适应性； 以及在宇宙空间使用或储存时对辐射和原子氧的适应性。空间润滑材料对环境的适应性研究 空间润滑材料对环境的适应性研究 关于固体润滑材料对液氧和红发烟硝酸的适应性，必须强调在这样的强氧化介质中的摩擦部件不能用有机材料和人造石墨，并要注意防止腐蚀。空间润滑材料对环境的适应性研究 空间润滑材料对环境的适应性研究 西欧Columbus空间站FFL的搭接机构不仅完全暴露在真空和失重的环境中，而且还要长期受辐射和原子氧的轰击，因而提出了考察MoS2等在真空中耐辐射和原子氧的长期效应的要求； 行星探测型飞船中有许多设备在空间长期处于闲置状态（如慧星着陆器就可能在飞船中存放几年），其所用润滑剂也要有对这种环境的适应性。 日本为了确定MoS2、铅和PTFE等固体润滑剂的原子氧效应，已经于1990年建造一个氧发生器来进行试验，原子氧对航天器的危害效应正受到西欧、美国的重视。空间无污染的润滑 空间无污染的润滑 污染可使几乎所有的航天设备（包括精密的光学仪器、传感器和控制仪等）性能严重衰退。如前所述，润滑油脂比较容易挥发，是一种明显的空间污染源； 固体润滑剂虽然不是直接的分子污染源，但其磨屑沉积到仪器表面上也会造成程度不等的污染影响。 从前述的空间机构失效的不少例子中可以看出，固体润滑材料必须大大降低产生磨屑的程度，有效地解决微粒污染的问题，才能真正胜任空间机械润滑。 null研制在高速（n≥40 kr/min）、重载（p≥2 kN）、超低温（-180℃）、宽温度范围（-180 ℃ ~253 ℃ ）和强氧化或强还原介质条件下轴承的固体自润滑系统，以应用于经多次起-停的液体火箭发动机涡轮泵球轴承，要求累计使用寿命不低于1107r，并且扩大应用于陀螺和飞轮； null考察在液体推进剂或液氦及高温800 ℃ 以上环境中轴承的摩擦学行为，并且开发其固体自润滑系统，以探索应用于火箭发动机和深层空间仪表等的可行性； 合成层状化合物基和金属基复合薄膜，并且探索合成它们的纳米结构梯度复合多层薄膜，考察其摩擦副的性能及配伍关系，同是开展降低摩擦及摩擦噪声、延长使用寿命和改善耐环境特性等应用基础研究； null研制谐波齿轮自传动副、螺杆-齿轮副用固体自润滑系统，并且探索其应用于空间机器人和自动化仪表的可行性； 继续发展各种表面分析技术，提出润滑失效准则和改进途径，开展建立轴承性能计算模型的可行性研究； null研制并优化组合电刷-滑环副，改进电机的电刷并开展其在空间环境中的摩擦学研究，以用于大功率传输和信号传输系统； 考察陶瓷材料与润滑剂薄膜摩擦副的摩擦学行为及配伍的应用基础研究； 研制新型润滑油或脂及其存贮器，以扩大油脂在空间摩擦学领域的应用范围。 建立空间机械润滑材料的评价测试基地及专家系统 建立空间机械润滑材料的评价测试基地及专家系统 空间固体润滑领域的研究工作是一项十分复杂和综合性的工程。 包括空间及地面环境的研究，各种固体润滑材料的摸索和优化组合工作，薄膜制备工艺的选择、改进和制备过程的计算机模拟仿真及控制， 关于固体润滑效果的摩擦学性能的检测手段和设备的研究引进，润滑材料的品质评价的测试分析，以及有关空间固体润滑的基础理论研究等，且其中又有诸多分支。null现在已经积累起来的摩擦学知识还比较分散而不够系统。因此，需要加速建立空间机械摩擦学数据库，同时要逐步建立空间机械摩擦学设计方面的专家系统，以提高我国空间机械的设计水平。 总之，目前空间摩擦学的前沿课题比较多而且难度高，而新一代空间计划又迫切需要进行并完成这些研究，可以预料，空间摩擦学在近期会得到迅速发展。 null冷凝泵的工作原理是降低了摩擦副真空空间的温度后，使真空室内的绝大部分的气体冷凝在内外冷屏壁上，如果冷屏壁面降至液氮温度时，除了氦、氖、和氢以外，所有气体的饱和蒸汽压都下降至10-11托以下，因而摩擦副空间的真空度有望达到10-10乇。 如果考虑模拟月球尘埃的话，在内冷屏箱壁上贴装电磁振动器，即在摩擦副空间内按含量比预先放入粉尘，在摩擦磨损试验过程中，启动电磁振动器，可使摩擦副空间内均匀弥散着尘埃。 null对空间机械摩擦学系统提出的总要求概括为 低摩擦 低摩擦噪声 长寿命 null自润滑复合材料大致可分成金属基（包括金属基多层复合材料）、石墨基和高聚物基（或称塑料基）三类。 高聚物基和石墨基自润滑复合材料，由于有摩擦系数低、耐化学性能好、重量轻等优点，工业上已广泛应用。但在结构强度、磨损寿命等方面，却不如金属基自润滑复合材料。 null自润滑复合材料同粉状固体润滑剂和干膜润滑一样，均属固体润滑材料范畴。 但它除有一般固体润滑材料的特点，如使用温度范围宽广、耐腐蚀、抗污染以及能在极压、辐射和真空等条件下工作外，有较长的使用寿命，并能直接加工成零部件，如轴承保持架、衬套轴承、齿轮组合件、止推垫圈及密封环等零。 这些零部件工作时，一般不需要添加润滑油指，就有良好的润滑和抗磨效果。 null耐高低温润滑的背景需求之一： 航天飞机的方向舵轴承的控制装置表面摩擦密封，以及火箭燃气轮叶片与壳体的密封，都要承受800—1000℃的高温。 因此，迫切需要研制从常温到800℃乃至1000℃都具有良好摩擦学性能的固体润滑材料，ESTL已经将其列入计划进行研究。耐高低温润滑的背景需求之二耐高低温润滑的背景需求之二从室温到1000℃都需要润滑的燃气配气阀 耐高低温润滑的背景需求之三耐高低温润滑的背景需求之三空间飞行器操纵翼外部控制系统的各种轴承在重返大气层时由于空气的摩擦被加热到1000℃以上的高温； 火箭核发动机的控制杆作动器轴承是处于650℃高温环境中； 空间飞行器上有些轴承的转速可达20000～50000转/分，轴承工作温度超过500℃。耐高低温润滑的背景需求之四耐高低温润滑的背景需求之四对于宇宙火箭燃气轮机叶片与壳体的密封需要进行专题研究，因为这既要求耐高温和低摩擦，又要求耐高速气流冲刷和耐磨性。 据悉美国是用蜂窝结构的复合材料解决的。nullESTL也曾在真空中于300K到20K的温度下评价了有各种自润滑材料保持器的轴承转矩，发现用含PTFE或MoS2复合材料保持器润滑的轴承在冷至20K时的转矩和转矩噪声都增大，而装有含铅保持器并用离子镀铅膜润滑的轴承之转矩却未受降温的影响。耐高温的润滑剂耐高温的润滑剂LiF、CaF2和BaF2等在高温下均可起润滑作用； 将固体润滑剂分散到整个组织中的复合材料有长的耐磨寿命，在其表面上再涂以固体润滑可以保证得到极低的摩擦系数。 无机非金属复合材料无机非金属复合材料据报道，含有15%CaF2的NiO等离子喷涂涂层与理-铝硅酸盐（LAS）、镁-铝硅酸盐（MAS）等多也性陶瓷滑动摩擦具有良好的抗磨性。 美国航空与宇航局（NASA）的Lewis研究中心的初步研究表明，ZrO2-CaF2的离子喷涂涂层具有引人注目的摩擦学性能，其在室温到930℃下摩擦系数为0.23—0.34，与之对摩的镍基超耐热合金的磨损也很轻微。 null发射时对推进系统透平泵的液氧、红发烟硝酸或其它腐蚀性气体的适应性； 在地面发射以前对储存环境温热的适应性； 在宇宙空间使用或储存时对辐射和原子氧的适应性。 减少润滑剂对空间设备的污染 减少润滑剂对空间设备的污染 污染可使几乎所有先进卫星的设备（包括精密的光学仪器、传感器和控制仪等）性能严重衰退。 因此，应用润滑油脂一般都要分子密封（molecular seals）或完全封闭（complete enclosures），以免其蒸气逸出并凝聚在关键设备的表面上。 固体润滑粘结膜固体润滑粘结膜有机干膜是利用有机树脂对金属底材的优良粘结力而把固体润滑剂粘结在金属摩擦件表面上。 有些粘结剂本身又是良好的自润滑材料。 无机干膜无机干膜无机干膜是以硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐为粘结剂的。 它们一般都用水作分散剂，成本低，无污染。 这种干膜的优点是使用的温度范围广，抗辐照，真空下的出气率低，与液氢液氧相容等等。 干膜润滑剂干膜润滑剂干膜润滑剂通常是以喷涂、刷涂或浸涂法施加在机件的摩擦面上。膜厚一般控制在15~50微米之间。 干膜润滑剂的磨擦系数很低，一般在0.02~0.20之间，除粉末润滑剂外是最低的。 干膜润滑剂干膜润滑剂随着机件的运转，干膜总是会不断被磨损，磨屑粒子因受热和机械作用而硬化变干，刮伤干膜和转移膜，加快磨损速度，最后导致润滑失效。 减少润滑剂对空间设备的污染 减少润滑剂对空间设备的污染 固体润滑剂虽然不是直接的分子污染源，但其磨屑沉积到光学仪器表面上也会造成光散射等不影响。 先进的固体润滑材料必须大大降低产生磨屑的程度，从而可以有效地解决微粒污染的问题。 null除了大量的地面模拟试验外，美国喷气推进研究所发射的“徘徊者”I和II号两颗卫星上安装了一台栓-盘型滑动摩擦试验机。 “徘徊者”I号卫星是在离地面504~170公里的高度运行的，其空间的真空度为8×10-9~2×10-6乇。 所试验的材料除铜、镍、银、铝、钨等纯金属外，还有A286铁合金、铝青铜、2024铝合金、4340钢、440C不锈钢、氧化铝、聚四氟乙烯、玻璃纤维填充聚四氟乙烯、碳化钨等。 null美国国家宇航局的Goddard空间飞行中心在轨道飞行器1-13号上装载了由试验轴承组成的四组小型发动机，在真空度为5×10-9~5×10-12乇的宇宙空间进行了试验。 结果表明，SR-2型球轴承采用Duroid5813自润滑材料其寿命为3240小时，超过了实验室的试验寿命。 这类轴承广泛用于空间飞行器的太阳电池帆板驱动机构、天线驱动机构、记录仪器驱动机构和姿态控制组件。