張 濤，陳曉陽(yáng)，顧家銘，魏 超

（1.上海大學(xué)軸承研究室，上海200072；2.上海天安軸承有限公司，上海201108；3.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

航天器活動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括低速的太陽(yáng)帆驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、空間相機(jī)掃描機(jī)構(gòu)及靠高速慣性轉(zhuǎn)子工作的慣性測(cè)量機(jī)構(gòu)和慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)。慣性測(cè)量機(jī)構(gòu)是為航天器建立一種自主的空間基準(zhǔn)保持系統(tǒng)，用以精確測(cè)定航天器相對(duì)地球或其他天體的姿態(tài)、速度和加速度，測(cè)量部件主要是陀螺儀。慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以角動(dòng)量交換方式為航天器提供連續(xù)而精確的控制力矩，以克服航天環(huán)境干擾力矩，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制，常用慣性執(zhí)行部件有動(dòng)量輪（飛輪）和控制力矩陀螺［1-2］。陀螺儀和動(dòng)量輪中的慣性轉(zhuǎn)子一般由成對(duì)預(yù)緊的精密角接觸球軸承支承，作為慣性器件的核心部件，轉(zhuǎn)子軸承的精度和壽命高低決定了航天器的精度、壽命和可靠性［3］。

由于航天器工作環(huán)境涉及高低溫、真空、微重力、高低速、高比負(fù)荷、多次啟停、輻射、發(fā)射階段力學(xué)沖擊等特殊工況，決定了航天軸承潤(rùn)滑技術(shù)的特殊性。根據(jù)其轉(zhuǎn)速和工作溫度范圍，可選擇固體潤(rùn)滑、油潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑［4-5］。航天軸承通常工作載荷較輕，球與滾道的接觸應(yīng)力較低，一般不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，而多是由于潤(rùn)滑劑的退化、損失造成潤(rùn)滑膜破壞，軸承磨損加劇引起的精度喪失，表現(xiàn)為摩擦力矩或振動(dòng)增大。因此，航天軸承服役期考量的是精度壽命，即磨損壽命［3］。軸承內(nèi)部零件間的磨損如圖1所示。

有統(tǒng)計(jì)表明［6-7］，從1975年到2007年的272次國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星故障中，37%的衛(wèi)星故障屬于姿態(tài)和軌道控制分系統(tǒng)，而其中50%的故障是由陀螺、動(dòng)量輪等空間活動(dòng)部件造成的。這些失效會(huì)造成整星任務(wù)的結(jié)束或性能的下降，均給衛(wèi)星發(fā)射國(guó)家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)航天軸承壽命和可靠性有關(guān)問(wèn)題的研究至關(guān)重要。由于不同的潤(rùn)滑方式，磨損失效的機(jī)理不同，且主機(jī)精度對(duì)軸承的主要性能參數(shù)摩擦力矩或振動(dòng)的要求不同，目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的磨損壽命計(jì)算模型。作為估算方法，常采用以下兩種：1）根據(jù)文獻(xiàn)［8］中不同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下大量的磨損壽命試驗(yàn)得出的公式，其計(jì)算結(jié)果非常寬泛，最大值和最小值相差數(shù)倍之多；2）以軸承疲勞壽命計(jì)算為基礎(chǔ)，以疲勞壽命的 1／3～2／5 作為磨損壽命［9］， 但因疲勞和磨損的失效機(jī)理不同，其結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。近些年來(lái)，相關(guān)學(xué)者從不同潤(rùn)滑工況下磨損失效的機(jī)理出發(fā)，對(duì)固體潤(rùn)滑膜轉(zhuǎn)移及損失率、潤(rùn)滑油退化及損失率、軸承零件磨損率等問(wèn)題進(jìn)行了大量的試驗(yàn)、數(shù)值仿真分析，提出了一些磨損壽命計(jì)算方法。本文分別對(duì)固體潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑的航天軸承磨損壽命的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié)，提出了現(xiàn)有磨損壽命模型存在的不足及今后研究的方向。

1 固體潤(rùn)滑軸承磨損壽命的研究

Todd詳細(xì)比較了在空間真空環(huán)境中，固體潤(rùn)滑較液體潤(rùn)滑的明顯優(yōu)勢(shì)，如表1所示［10］。但由于固體潤(rùn)滑劑的摩擦損失無(wú)法補(bǔ)充，磨損產(chǎn)生的磨屑引起力矩增大和波動(dòng)，因此常用在低速和精度要求不高的場(chǎng)合，比如太陽(yáng)帆驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、空間相機(jī)掃描機(jī)構(gòu)等。常用的固體潤(rùn)滑方式有3種：1）聚四氟乙烯保持架轉(zhuǎn)移膜；2）在球與滾道接觸表面濺射層狀固體材料MoS2、WS2；3）在滾道上離子鍍軟金屬，如銀、金、鉛。試驗(yàn)研究表明，MoS2膜摩擦系數(shù)較小，軸承具有最小和平穩(wěn)的摩擦力矩，是空間機(jī)構(gòu)固體潤(rùn)滑中應(yīng)用最廣泛的一種材料［11］。通常組合使用固體潤(rùn)滑膜與保持架轉(zhuǎn)移膜來(lái)延長(zhǎng)固體潤(rùn)滑軸承的壽命，轉(zhuǎn)移膜潤(rùn)滑原理如圖 2 所示［12］。

表1 固體和液體空間潤(rùn)滑劑的比較Table 1 Comparison of solid and liquid space lubricants

1.1 固體潤(rùn)滑軸承磨損壽命模型

固體潤(rùn)滑技術(shù)在空間機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用已有60多年的歷史，但目前還沒(méi)有通用有效的軸承磨損壽命和可靠性計(jì)算模型。Meeks等［12］最早建立了考慮疲勞、滾道磨損、保持架磨損、保持架固體膜轉(zhuǎn)移率的軸承磨損壽命和可靠性的半經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)磨損公式可以推測(cè)滾道和保持架的磨損量，從而估計(jì)軸承的有效磨損壽命。磨損壽命計(jì)算的關(guān)鍵是對(duì)應(yīng)每種失效模式的失效準(zhǔn)則和退化率的確定，軸承零件的磨損率可以通過(guò)測(cè)量短期壽命試驗(yàn)后表面磨損痕跡的輪廓確定，失效準(zhǔn)則要根據(jù)特定的應(yīng)用工況。對(duì)高精度固體潤(rùn)滑軸承，兩個(gè)主要失效準(zhǔn)則為磨損產(chǎn)生的游隙造成精度喪失和摩擦力矩過(guò)大降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)靈敏度。Meeks磨損壽命模型系統(tǒng)分析了影響軸承性能衰退的所有可能因素，為精確估算固體潤(rùn)滑軸承磨損壽命奠定了基礎(chǔ)。但不足之處在于保持架以兜孔磨穿為失效準(zhǔn)則，而未考慮磨損引起的兜孔間隙改變對(duì)保持架穩(wěn)定性和軸承摩擦力矩的影響。Gupta等［13］首先將磨損數(shù)值仿真與滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)結(jié)合，通過(guò)仿真可以得到軸承零件的時(shí)間平均磨損率以及保持架兜孔間隙改變對(duì)保持架穩(wěn)定性的影響，其分析模型可為保持架磨損失效準(zhǔn)則的確定提供依據(jù)。Marquart等［14］通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)和多體動(dòng)力學(xué)仿真，詳細(xì)研究了保持架材料、轉(zhuǎn)移膜潤(rùn)滑和工況對(duì)保持架穩(wěn)定性和磨損壽命的影響。以保持架穩(wěn)定性為目標(biāo)對(duì)保持架材料、結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行優(yōu)化，可使軸承磨損壽命相對(duì)于優(yōu)化前無(wú)轉(zhuǎn)移膜潤(rùn)滑的軸承提高16倍，相對(duì)于優(yōu)化前有轉(zhuǎn)移膜潤(rùn)滑的軸承提高3倍，表明保持架穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)移膜潤(rùn)滑對(duì)磨損壽命有重要影響。并利用表面分析技術(shù)研究了通過(guò)滾道鍍膜和保持架轉(zhuǎn)移膜共同作用來(lái)延長(zhǎng)軸承磨損壽命的機(jī)理，但其模型中只能根據(jù)保持架中心運(yùn)動(dòng)軌跡的大小和規(guī)律性定性判定保持架的穩(wěn)定性，無(wú)法將其定量化。

在國(guó)內(nèi)， 李建華等［15］、 李新立等［16］分別對(duì)套圈溝道濺射MoS2膜和自潤(rùn)滑保持架轉(zhuǎn)移膜的固體潤(rùn)滑軸承壽命進(jìn)行了理論和試驗(yàn)分析，指出在運(yùn)轉(zhuǎn)初期套圈溝道上的MoS2膜起主要潤(rùn)滑作用，隨著MoS2膜的磨損，保持架轉(zhuǎn)移膜起主要潤(rùn)滑作用，從而實(shí)現(xiàn)固體潤(rùn)滑軸承的長(zhǎng)壽命運(yùn)轉(zhuǎn)。隨后，李建華等［17］通過(guò)固體潤(rùn)滑保持架的磨損轉(zhuǎn)移試驗(yàn)，得出自潤(rùn)滑保持架轉(zhuǎn)移膜磨損速率受保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的影響，而保持架穩(wěn)定性與球／滾道的摩擦性能、保持架兜孔間隙和引導(dǎo)間隙有關(guān)，但未給出保持架許用磨損量與保持架穩(wěn)定性的定量關(guān)系，因此也未能估算保持架的磨損壽命。目前，國(guó)內(nèi)以滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)分析為基礎(chǔ)的保持架磨損失效分析還未見報(bào)道。

1.2 固體潤(rùn)滑軸承加速壽命試驗(yàn)

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，對(duì)航天器機(jī)構(gòu)的壽命要求長(zhǎng)達(dá)十幾年，若進(jìn)行1∶1的實(shí)時(shí)壽命試驗(yàn)驗(yàn)證，不僅成本難以接受，時(shí)間上也不允許。因此，長(zhǎng)壽命航天器機(jī)構(gòu)加速壽命試驗(yàn)方法的研究具有重要意義。加速壽命試驗(yàn)是為縮短試驗(yàn)時(shí)間，在不改變失效模式和失效機(jī)理的條件下，用加大應(yīng)力（廣義）的方法進(jìn)行壽命試驗(yàn)。根據(jù)加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用加速壽命曲線或加速方程，來(lái)外推正常使用狀態(tài)下產(chǎn)品的壽命［18］。20世紀(jì)70年代～80年代，歐洲固體潤(rùn)滑研究機(jī)構(gòu)對(duì)低速固體潤(rùn)滑（鉛膜潤(rùn)滑）的航天器機(jī)構(gòu)進(jìn)行了加速壽命試驗(yàn)研究，在 “固體潤(rùn)滑磨損壽命主要取決于機(jī)構(gòu)行程而與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)（在一定范圍內(nèi)）”的加速前提下，通過(guò)有限度地提高機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速或工作頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)加速，試驗(yàn)結(jié)果只能對(duì)該試驗(yàn)件在試驗(yàn)條件下 “任務(wù)時(shí)間”的滿足情況做出定性評(píng)價(jià)，而難以給出這類機(jī)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果［18］。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)空間技術(shù)研究院、洛陽(yáng)軸承研究所、浙江大學(xué)等相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也開展了一些長(zhǎng)壽命航天器機(jī)構(gòu)的加速壽命試驗(yàn)研究［18-19］，但目前加速壽命試驗(yàn)的類型少、試驗(yàn)件少，試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累還比較有限。

2 空間油潤(rùn)滑軸承磨損壽命的研究

航天器的定位精度和控制精度很大程度上取決于陀螺儀和動(dòng)量輪的支承軸承及潤(rùn)滑性能，慣性轉(zhuǎn)子軸承工作在輕載高速、溫度變化、微量油潤(rùn)滑下，塑料保持架注入幾毫克的潤(rùn)滑油就能維持較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)［20］。根據(jù)油膜厚度定義4種潤(rùn)滑機(jī)制，即流體動(dòng)壓潤(rùn)滑、彈流潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑，彈流潤(rùn)滑又可細(xì)分為乏油、干涸、瞬時(shí)彈流潤(rùn)滑［21］。 Kingsbury 等［22］認(rèn)為空間精密軸承油潤(rùn)滑形式是比乏油潤(rùn)滑條件更苛刻的干涸潤(rùn)滑。Coy等［23］在給定工況條件下用電容的方法測(cè)得內(nèi)徑為20mm的球軸承彈流膜厚范圍為 0.025μm～0.51μm。在該潤(rùn)滑條件下，軸系的摩擦力矩特性表現(xiàn)為小而穩(wěn)定，相對(duì)固體潤(rùn)滑的比較優(yōu)勢(shì)是優(yōu)良的摩擦力矩特性和潤(rùn)滑劑可補(bǔ)充性。軸承表面之間被油膜隔開幾乎沒(méi)有磨損，因此具有無(wú)限壽命的潛能［21］。但由于航天器的空間工作環(huán)境，蒸發(fā)、爬移、原子氧引起退化反應(yīng)造成潤(rùn)滑劑損失、退化，軸承潤(rùn)滑狀況惡化，最終摩擦磨損加劇導(dǎo)致軸承精度失效。以下對(duì)空間油潤(rùn)滑軸承磨損壽命的影響因素及相關(guān)的壽命模型分別進(jìn)行闡述。

2.1 空間液體潤(rùn)滑劑

由于空間機(jī)械部件的摩擦和潤(rùn)滑的特點(diǎn)，空間潤(rùn)滑劑需要具有的基本特性有：黏度指數(shù)高、蒸氣壓力低、黏壓系數(shù)大［21］。航天器用液體潤(rùn)滑劑主要包括：精制礦油、氯苯基硅油、合成酯、全氟聚醚（PFPE）以及合成烴（聚α-烯烴PAO、烷基環(huán)戊烷 MACs）、 硅烴（SiHC）等［24］。 液體潤(rùn)滑具有低機(jī)械噪音、傳熱、彈流潤(rùn)滑時(shí)磨損小、可以帶走磨損物以及正確使用時(shí)長(zhǎng)壽命等特性。表2概述了不同液體潤(rùn)滑劑的性能以及在航天器機(jī)械部件上的具體應(yīng)用［24］。

表2 液體潤(rùn)滑劑的性能和應(yīng)用概況Table 2 Performances and applications of liquid lubricant

2.2 潤(rùn)滑劑退化、損失

潤(rùn)滑劑退化是液體潤(rùn)滑劑發(fā)生化學(xué)變化生成固體摩擦聚合物［21］。文獻(xiàn)［25］考慮了儀表球軸承中干涸彈流潤(rùn)滑下摩擦聚合物的形成，首先通過(guò)一系列試驗(yàn)單獨(dú)分析了載荷、轉(zhuǎn)速、膜厚及潤(rùn)滑劑種類對(duì)聚合物生成速率的影響，然后通過(guò)Arhenius公式建立了載荷、轉(zhuǎn)速和膜厚與聚合物生成速率的關(guān)系。分析指出摩擦聚合物的形成速率主要由膜厚決定，膜厚越薄，聚合物生成速率越大。Kingsbury［26］還設(shè)計(jì)了短期試驗(yàn)方案評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑的分解速率，結(jié)果表明潤(rùn)滑劑分解速率與接觸區(qū)的供油量和表面化學(xué)處理方法有很大的關(guān)系。文獻(xiàn)［27］報(bào)告了航天器機(jī)構(gòu)中精密軸承零件在3種不同清洗方法下，軸承壽命試驗(yàn)的結(jié)果和表面特征分析，試驗(yàn)說(shuō)明要注意不同清洗方法對(duì)機(jī)構(gòu)中潤(rùn)滑劑化學(xué)性能和退化速率的影響。

潤(rùn)滑劑損失主要由于蒸發(fā)、表面爬移、離心力作用。工作溫度引起潤(rùn)滑劑蒸發(fā)；爬移是由于溫度梯度和毛細(xì)作用力引起的，很小的溫度梯度都會(huì)導(dǎo)致油膜迅速地向低溫區(qū)域遷移，毛細(xì)作用遷移由于接觸表面曲率半徑的壓力梯度使?jié)櫥脱貏澓圻w移［21，28］。 文獻(xiàn)［29］建立了軸承潤(rùn)滑油氣物理模型，對(duì)該模型中的油蒸氣分子通過(guò)密封間隙的遷移進(jìn)行研究，并通過(guò)真空環(huán)境下的空間用潤(rùn)滑油長(zhǎng)期揮發(fā)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)［30］通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析不同量油脂潤(rùn)滑下的功耗、溫升變化、揮發(fā)率及壽命。微納姿控飛輪的軸承功耗和潤(rùn)滑劑的用量密切相關(guān)，減少潤(rùn)滑劑的用量可以使?jié)櫥瑒┑臒o(wú)用流動(dòng)減小，功耗明顯降低，微量脂潤(rùn)滑（脂用量占軸承腔的30%）下的功耗小于油潤(rùn)滑，易于實(shí)現(xiàn)飛輪軸承的高精度穩(wěn)速控制。文獻(xiàn)［31］在一定時(shí)間內(nèi)利用乏油條件下的推力球軸承研究磨損引起的潤(rùn)滑劑化學(xué)退化過(guò)程。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果估計(jì)姿控飛輪軸承在磨損和性能惡化的情況下潤(rùn)滑劑退化量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑劑化學(xué)退化是磨損的結(jié)果，不足以引起軸承失效。油潤(rùn)滑的姿控系統(tǒng)軸承的壽命預(yù)測(cè)要以潤(rùn)滑油輸送和磨損為基礎(chǔ)，因?yàn)檩S承失效是潤(rùn)滑系統(tǒng)失效而非潤(rùn)滑劑本身。

2.3 保持架穩(wěn)定性

保持架不穩(wěn)定是高速軸承最危險(xiǎn)的失效形式，其特點(diǎn)是摩擦力矩波動(dòng)較大并伴隨明顯的噪聲。保持架不均勻磨損、潤(rùn)滑劑退化和潤(rùn)滑不足是引起保持架不穩(wěn)定的主要原因［21，32］，保持架的運(yùn)動(dòng)作為研究熱點(diǎn)已有大量文獻(xiàn)發(fā)表［33-40］。 Kingsbury［20］首先分析了配對(duì)角接觸儀表球軸承摩擦力矩的擾動(dòng)和保持架的運(yùn)動(dòng)，指出保持架的渦動(dòng)是球與保持架摩擦耦合的結(jié)果，導(dǎo)致了摩擦力矩的低頻擾動(dòng)。Kingsbury［41］后來(lái)對(duì)儀表球軸承穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)和發(fā)生嘯叫時(shí)保持架的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)生嘯叫時(shí)，發(fā)現(xiàn)保持架在隨球組旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上有高頻的渦動(dòng)，渦動(dòng)頻率與球的自旋速率有關(guān)。文獻(xiàn)［42］通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值仿真研究了反作用飛輪保持架的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，分析了保持架質(zhì)心偏移與動(dòng)力學(xué)特性的關(guān)系。當(dāng)保持架質(zhì)心偏移時(shí)，在一定范圍內(nèi)偏移量越大，保持架幾何中心的軌跡越穩(wěn)定，但擾動(dòng)力越大。

李建華等［43］在真空試驗(yàn)裝置中進(jìn)行了航天微型電機(jī)軸承的地面壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)電機(jī)分解檢測(cè)軸承的預(yù)緊力、振動(dòng)、啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)力矩以及軸承內(nèi)外溝道和鋼球的圓度、諧波、斜率等。軸承的失效是由于軸承本身磨損引起精度降低，造成軸承的摩擦力矩或振動(dòng)增加而失效。分析表明，保持架的穩(wěn)定性是影響軸承壽命的主要因素之一，一旦保持架不穩(wěn)定，其磨損加劇，產(chǎn)生磨損粉末，造成軸承潤(rùn)滑性能下降或失效，最終導(dǎo)致軸承磨損失效。

保持架穩(wěn)定性的問(wèn)題可以用無(wú)保持架軸承消除，無(wú)保持架軸承已能夠用在動(dòng)量輪上，克服了傳統(tǒng)軸承出現(xiàn)的保持架不穩(wěn)定引起的災(zāi)難性問(wèn)題［21，44］。

2.4 空間油潤(rùn)滑軸承磨損壽命模型

文獻(xiàn)［45］以滾動(dòng)軸承擬靜力學(xué)模型和Archard磨損理論為基礎(chǔ)，建立了儀表球軸承磨損壽命模型。根據(jù)球與滾道接觸橢圓內(nèi)純滾動(dòng)線的位置計(jì)算接觸區(qū)內(nèi)滑動(dòng)速度分布，從而計(jì)算軸承零件的磨損率，由儀表軸承許用徑向游隙確定允許最大磨損體積，并根據(jù)二參數(shù)Weibull分布計(jì)算軸承的磨損壽命及可靠度。文獻(xiàn)［46］在軸承擬靜力學(xué)和軸承磨損理論基礎(chǔ)上，建立了定位預(yù)緊下預(yù)緊力變化與軸承磨損量之間的關(guān)系。模型考慮磨損引起的內(nèi)外溝曲率半徑的變化對(duì)預(yù)緊力的影響，根據(jù)軸承允許最小預(yù)緊力確定許用磨損量，從而估計(jì)動(dòng)量輪軸承的磨損壽命。

試驗(yàn)方面，文獻(xiàn)［47］通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M空間飛行器的工況，以確定飛行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)脂潤(rùn)滑軸承的壽命和失效機(jī)理，失效機(jī)理是磨損引起的預(yù)緊力的減小。試驗(yàn)建立了飛行器在軌運(yùn)行和地面模擬的壽命和可靠性數(shù)據(jù)，可用來(lái)估算航天器關(guān)于飛行任務(wù)數(shù)的失效率和可靠性。文獻(xiàn)［48］采用專門研制的試驗(yàn)機(jī)對(duì)某型號(hào)陀螺轉(zhuǎn)子軸承進(jìn)行了精度壽命模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中檢測(cè)軸承振動(dòng)和溫度，觀察了失效軸承零件外觀，確定了軸承精度壽命的分布類型，并由極大似然法估計(jì)可靠性壽命。

根據(jù)我國(guó)所發(fā)射的衛(wèi)星在軌運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，目前動(dòng)量輪產(chǎn)品的壽命最長(zhǎng)為8年。隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，對(duì)動(dòng)量輪產(chǎn)品提出了10年以上的壽命要求，而影響動(dòng)量輪產(chǎn)品長(zhǎng)壽命最關(guān)鍵的因素是軸承與潤(rùn)滑。衛(wèi)星動(dòng)量輪產(chǎn)品多采用抽取一定的產(chǎn)品子樣，在實(shí)驗(yàn)室模擬在軌工作實(shí)際情況進(jìn)行1∶1的長(zhǎng)期地面試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)收集并融合地面試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，解決動(dòng)量輪的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析以及較為準(zhǔn)確的評(píng)估方法問(wèn)題，通過(guò)地面試驗(yàn)驗(yàn)證滿足長(zhǎng)壽命的產(chǎn)品［49］。文獻(xiàn)［21］綜述了動(dòng)量輪的摩擦學(xué)需求及過(guò)去用到的潤(rùn)滑系統(tǒng)，含油保持架儲(chǔ)存的潤(rùn)滑劑可供動(dòng)量輪穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)3年～4年，而目前航天器的目標(biāo)壽命為20年～30年，通常在軸承單元內(nèi)部或輪腔內(nèi)安裝供油系統(tǒng)以滿足長(zhǎng)壽命的要求。 Kingsbury［50］指出， 0.2μg／h的潤(rùn)滑劑流量即可維持儀表球軸承的彈流潤(rùn)滑，但這樣低的流量實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)，目前正在研發(fā)供油速率低于10μg／h的潤(rùn)滑系統(tǒng)。被動(dòng)供油系統(tǒng)（離心力）可以持續(xù)供油，而主動(dòng)供油系統(tǒng)（外部指令）因潤(rùn)滑劑突然增加會(huì)引起摩擦力矩的突變，因此被動(dòng)供油系統(tǒng)是動(dòng)量輪軸承最合適的選擇之一［21］。

2.5 空間油潤(rùn)滑軸承加速壽命試驗(yàn)

20世紀(jì)70年代初，美國(guó)航空公司對(duì)油潤(rùn)滑的航天器軸承的加速壽命試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究。依據(jù)彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論 “潤(rùn)滑油膜厚度與軸承轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑油黏度的乘積成正比”，在不改變滾道潤(rùn)滑狀態(tài)（取決于膜厚）的前提下，提高軸承轉(zhuǎn)速并降低潤(rùn)滑油黏度可實(shí)現(xiàn)加速壽命試驗(yàn)［18］。20世紀(jì)80年代～90年代，美國(guó)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)該加速壽命試驗(yàn)方法進(jìn)行了一定的應(yīng)用［51-52］。由于高轉(zhuǎn)速下軸承滾動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和潤(rùn)滑狀態(tài)均會(huì)發(fā)生改變，可能引入新的失效模式，所以試驗(yàn)都是針對(duì)低速油潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承開展的?；趶椥粤黧w動(dòng)力潤(rùn)滑理論的滾動(dòng)軸承加速壽命試驗(yàn)方法的有效性未得到普遍認(rèn)可，工程上多數(shù)還依據(jù)1∶1的任務(wù)時(shí)間考核驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果來(lái)定性評(píng)價(jià)航天器機(jī)構(gòu)油潤(rùn)滑軸承的壽命［18］。美國(guó)MTI公司基于滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑油耗損失效模式，開展了天線消旋機(jī)構(gòu)滾動(dòng)軸承的加速壽命試驗(yàn)方法研究，選取溫度作為加速因子，對(duì)不同溫度下滾動(dòng)軸承的壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)［53］，但油潤(rùn)滑軸承失效模式的復(fù)雜性、失效判據(jù)的合理性都影響了預(yù)測(cè)結(jié)果的可信度。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初也開展了一些長(zhǎng)壽命航天器機(jī)構(gòu)的加速壽命試驗(yàn)，但都是針對(duì)固體潤(rùn)滑的工況，對(duì)油潤(rùn)滑的加速壽命試驗(yàn)還未見報(bào)道。

文獻(xiàn)［54］概述了國(guó)內(nèi)外加速壽命試驗(yàn)理論及應(yīng)用概況，給出了衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)加速壽命試驗(yàn)思路：1）加速應(yīng)力（廣義）的選擇和加速模型的選擇需分析產(chǎn)品的失效機(jī)理與模型的物理背景是否一致。2）小樣本加速壽命試驗(yàn)，用關(guān)鍵部件代替整機(jī)試驗(yàn)和基于性能退化的加速壽命試驗(yàn)。3）加速壽命試驗(yàn)仿真，搭建加速壽命試驗(yàn)仿真平臺(tái)，借助仿真的手段優(yōu)化加速壽命試驗(yàn)方案，并能預(yù)估試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)樣品數(shù)。4）加速壽命試驗(yàn)有效性驗(yàn)證，需要將加速壽命試驗(yàn)的結(jié)果與1∶1壽命試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以對(duì)加速因子、加速模型等的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.6 基于性能退化的磨損壽命模型

航天產(chǎn)品具有小樣本、高可靠性和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)獲取的壽命數(shù)據(jù)較少，傳統(tǒng)的可靠性建模理論與方法就不再適用。而采用性能退化的方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行失效物理分析，建立性能退化和產(chǎn)品失效之間的關(guān)系，通過(guò)預(yù)測(cè)其性能退化到失效閾值的時(shí)間來(lái)預(yù)測(cè)其壽命，已成為長(zhǎng)壽命產(chǎn)品可靠性評(píng)估的新方法［55］。文獻(xiàn)［55］和文獻(xiàn)［56］從失效物理分析的角度出發(fā)建立性能退化模型，用Bayes方法融合性能退化模型和壽命模型得到產(chǎn)品的可靠性評(píng)估模型，模型利用失效物理試驗(yàn)中的性能數(shù)據(jù)和少量的無(wú)失效在軌壽命數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行可靠性評(píng)估。實(shí)例分析表明：動(dòng)量輪的失效可只考慮供油系統(tǒng)的供油情況，動(dòng)量輪退化失效過(guò)程可用線性隨機(jī)過(guò)程、隨機(jī)斜率和隨機(jī)截距模型來(lái)描述。文獻(xiàn)［57］同樣指出動(dòng)量輪失效機(jī)理表現(xiàn)為軸系潤(rùn)滑系統(tǒng)失效，而潤(rùn)滑系統(tǒng)失效主要有3個(gè)影響因素：金屬磨損、保持架磨損、潤(rùn)滑劑缺失。當(dāng)這3項(xiàng)因素導(dǎo)致動(dòng)量輪軸承中形成彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑膜的潤(rùn)滑劑量不足時(shí)，就會(huì)發(fā)生軸承摩擦力矩迅速增大，進(jìn)而使動(dòng)量輪功能喪失。文獻(xiàn)［58］針對(duì)動(dòng)量輪壽命預(yù)測(cè)無(wú)失效數(shù)據(jù)問(wèn)題，利用有漂移的維納過(guò)程對(duì)其軸承溫度建立性能退化模型，根據(jù)所建模型仿真了軸承溫度維納過(guò)程的樣本路徑，最后，對(duì)動(dòng)量輪進(jìn)行隨機(jī)失效閾值情形的壽命預(yù)測(cè)和剩余壽命預(yù)測(cè)。

為提高有限狀態(tài)數(shù)據(jù)下軸承剩余壽命估計(jì)的準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)［59］提出一種基于相對(duì)特征和多變量支持向量機(jī)的剩余壽命預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了小樣本數(shù)據(jù)潛在信息的最大挖掘。文獻(xiàn)［60］針對(duì)衛(wèi)星動(dòng)量輪的剩余壽命預(yù)測(cè)問(wèn)題，提出一種基于Copula函數(shù)的多退化量下的壽命預(yù)測(cè)方法。首先分析影響動(dòng)量輪壽命的關(guān)鍵因素，選擇潤(rùn)滑劑剩余量和電流作為退化量；分別對(duì)單個(gè)退化量進(jìn)行退化建模，得到動(dòng)量輪剩余壽命的邊緣分布函數(shù)；再通過(guò)Copula函數(shù)族來(lái)描述多退化量之間的相關(guān)性，并對(duì)邊緣分布進(jìn)行融合，得到動(dòng)量輪剩余壽命的聯(lián)合分布函數(shù)；最后提出基于赤池信息準(zhǔn)則模型評(píng)價(jià)的Copula函數(shù)選擇方法。

3 目前研究中的不足及以后研究的方向

綜合文獻(xiàn)調(diào)研情況，以下幾個(gè)問(wèn)題值得關(guān)注和需要進(jìn)一步研究。

1）對(duì)固體潤(rùn)滑軸承、保持架固體膜轉(zhuǎn)移速率及磨損引起的保持架運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定對(duì)磨損壽命的影響還需要結(jié)合滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)研究，比如保持架穩(wěn)定性定量判斷問(wèn)題、保持架磨損引起的軸承失效準(zhǔn)則問(wèn)題。

2）目前在磨損壽命估計(jì)模型中，軸承的許用磨損量一般根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)由軸承預(yù)緊力或徑向間隙的允許變化量確定，只適用于定位預(yù)緊的情況。準(zhǔn)確可靠的磨損壽命模型需要確定磨損量與軸承旋轉(zhuǎn)精度和摩擦力矩的定量關(guān)系。

3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，軸承磨損失效后摩擦力矩會(huì)增大，但對(duì)于定位預(yù)緊的工況，隨著軸承零件的磨損，軸承徑向間隙增大，實(shí)際預(yù)緊力減小或消失，這會(huì)導(dǎo)致摩擦力矩的減小，所以單靠摩擦力矩這一指標(biāo)不能準(zhǔn)確判斷軸承的真實(shí)磨損狀態(tài)。定壓預(yù)緊下，磨損引起的預(yù)緊力和徑向間隙的變化得到補(bǔ)償，其失效模式和失效準(zhǔn)則與定位預(yù)緊的情況會(huì)有不同，而這方面的研究還未見報(bào)道。

4）空間油潤(rùn)滑軸承的失效機(jī)理復(fù)雜，但都與油膜參數(shù)有直接的關(guān)系，因此潤(rùn)滑油膜厚度的維持和穩(wěn)定是影響軸承磨損壽命的關(guān)鍵。潤(rùn)滑劑損失率、供油速率與油膜參數(shù)的定量關(guān)系需要進(jìn)一步深入研究。

5）軸承零件的磨損系數(shù)、接觸副的摩擦系數(shù)隨油膜參數(shù)變化，零件幾何尺寸隨磨損量變化，軸承磨損壽命的數(shù)值仿真需要考慮潤(rùn)滑狀況和軸承零件幾何的時(shí)變性。

6）許多已開展的加速壽命試驗(yàn)，大都針對(duì)低速運(yùn)動(dòng)的航天器機(jī)構(gòu)，而且是任務(wù)時(shí)間的定性考核驗(yàn)證試驗(yàn)，還沒(méi)有比較成熟的航天器機(jī)構(gòu)失效模型來(lái)描述機(jī)構(gòu)壽命與加速應(yīng)力之間的定量關(guān)系。對(duì)油潤(rùn)滑長(zhǎng)壽命產(chǎn)品，在不改變機(jī)構(gòu)的失效機(jī)理并不引進(jìn)新的失效模式的原則下，選擇加速應(yīng)力水平，開展多組加速應(yīng)力水平和多個(gè)試驗(yàn)件的加速壽命試驗(yàn)，將試驗(yàn)進(jìn)行到失效為止。用獲得的足夠的試驗(yàn)件失效數(shù)據(jù)來(lái)確定加速壽命試驗(yàn)的加速方程，從而實(shí)現(xiàn)由加速壽命試驗(yàn)結(jié)果外推獲得機(jī)構(gòu)正常工作條件下的壽命［18］。基于性能退化的加速壽命試驗(yàn)可以得到加速應(yīng)力下的性能退化信息，據(jù)此建立基于多退化量的磨損壽命預(yù)測(cè)模型，這方面的研究還比較少。

7）對(duì)空間固體或油、脂潤(rùn)滑軸承的磨損壽命預(yù)測(cè)模型，就是根據(jù)失效模式確定退化（磨損）率、磨損量、失效閾值之間的定量關(guān)系，概括起來(lái)就是要確定如圖3所示的參數(shù)之間的定量關(guān)系。由于影響因素較多，部分參數(shù)之間的關(guān)系難以定量，至今還沒(méi)有準(zhǔn)確、可靠的軸承磨損壽命估計(jì)模型。

4 總結(jié)與展望

目前，空間固體潤(rùn)滑軸承磨損壽命模型已相對(duì)完善，較全面考慮了磨損壽命的影響因素和失效模式，給出了對(duì)應(yīng)每種失效模式的失效準(zhǔn)則和退化率的確定方法。其不足之處在于失效準(zhǔn)則的確定大都基于工程經(jīng)驗(yàn)，磨損量與軸承精度主要性能參數(shù)如振動(dòng)或摩擦力矩的定量關(guān)系還未能給出。影響空間油潤(rùn)滑軸承磨損壽命的因素較多，且失效機(jī)理復(fù)雜。已有的磨損壽命模型只考慮了給定潤(rùn)滑條件下球與滾道的磨損，而未考慮磨損引起的潤(rùn)滑狀態(tài)和零件幾何參數(shù)的時(shí)變特征對(duì)軸承動(dòng)態(tài)性能和磨損壽命的影響。對(duì)長(zhǎng)壽命油潤(rùn)滑軸承，建立了以剩余油量為退化量的磨損壽命預(yù)測(cè)模型。以上磨損壽命模型針對(duì)不同的潤(rùn)滑工況分別給出，為不同應(yīng)用場(chǎng)合的軸承磨損壽命的估計(jì)提供了模型基礎(chǔ)。但由于完全的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，磨損壽命模型缺乏充分、有效的驗(yàn)證，其可靠性還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

為提高磨損壽命模型的估計(jì)精度，以后的研究中可以從試驗(yàn)和磨損數(shù)值仿真兩方面進(jìn)行補(bǔ)充完善。試驗(yàn)包括基礎(chǔ)試驗(yàn)和驗(yàn)證試驗(yàn)，基礎(chǔ)試驗(yàn)是為軸承磨損數(shù)值仿真提供準(zhǔn)確、可靠的輸入?yún)?shù)，比如摩擦系數(shù)、磨損系數(shù)、潤(rùn)滑劑退化率等與油膜參數(shù)的關(guān)系曲線；驗(yàn)證試驗(yàn)包括1∶1完全壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)，為磨損壽命模型提供狀態(tài)和退化信息，并驗(yàn)證磨損壽命預(yù)測(cè)模型。基于滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)的磨損數(shù)值仿真，一方面可以對(duì)軸承組件特別是保持架的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行模擬，確定保持架磨損的失效準(zhǔn)則；另一方面，以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真可以減少或部分取代物理試驗(yàn)，從而大大降低試驗(yàn)成本。

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