杜翠玲，黃飛波，梅宇飛，劉克剛，薛建軍，羅華北

（1.上海航空電器有限公司，上海 201101；2.空裝駐上海地區(qū)第三軍事代表室，上海 201101）

0 引言

航空領域?qū)υ诟叩蜏叵逻\行的軍用裝備具有嚴苛的可靠性要求。因為溫度過高和過低幾乎對所有的材料都有不利影響。航空用帶瞬動功能的波段開關(guān)作為一種在通信設備中起電路和信號轉(zhuǎn)換或選擇作用的新型基礎元器件，其瞬動功能由瞬動機構(gòu)-滑動件鋼球、基座組成的金屬-高分子摩擦副，在旋轉(zhuǎn)力矩的施加下，產(chǎn)生滑動摩擦實現(xiàn)。因此瞬動機構(gòu)的耐磨損性和溫度環(huán)境適應性直接決定著產(chǎn)品的可靠性[1-6]。

然而近年來，瞬動機構(gòu)的基座容易產(chǎn)生磨損導致某型波段開關(guān)卡滯、失效現(xiàn)象愈發(fā)突出，輕則影響裝備的性能和戰(zhàn)斗力，重則給飛行安全及國家財產(chǎn)帶來巨大損失，嚴重地制約著軍用裝備的整體作戰(zhàn)效率[7-12]。

超高分子量聚乙烯作為低磨損固體潤滑材料之一，由于具有優(yōu)良的低溫/高溫潤滑特性，目前已經(jīng)代替多種金屬材料廣泛地應用在各種摩擦副中[13-15]。但是其機械性能較差，這要求設計者在實際應用中對其機械性能進行量化評價，從而使其既能達到超低磨損水平又能保證構(gòu)件的力學性能。基于此，文中采用超高分子聚乙烯滑動件代替鋼球，與基座構(gòu)成摩擦副，研究超高分子聚乙烯瞬動機構(gòu)的高低溫環(huán)境適應性和瞬動壽命，解決某型瞬動波段開關(guān)磨損失效問題。本文研究了超高分子量聚乙烯在高低溫環(huán)境下的機械性能，對超高分子聚量乙烯在航空用其他摩擦副上的應用具有指導意義。

1 某型波段開關(guān)瞬動摩擦副工作機制和結(jié)構(gòu)

某波段開關(guān)為航空機載基礎重點型號電子元器件，最初是參照進口英制產(chǎn)品自主仿制開發(fā)，產(chǎn)品主要功能為控制機載電路的通斷。與常規(guī)波段開關(guān)不同的是，此系列開關(guān)具有瞬動功能，即在特定的檔位釋放操作力后會在自身機構(gòu)的作用下自動回位到上一檔位，實現(xiàn)“自復位” 功能，如圖1 所示。

圖1 某型瞬動波段開關(guān)瞬動功能動作示意

瞬動機構(gòu)和功能原理如圖2 所示。瞬動機構(gòu)力學結(jié)構(gòu)由配合基座、鋼球瞬動斜面和彈簧構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)分度盤時，鋼球在彈簧力的作用下，與斜坡產(chǎn)生復位作用力，當作用力大于斜坡對鋼球摩擦力時，斜坡則帶動鋼球向“波谷” 運動，從而實現(xiàn)瞬動功能。可以看到，該功能主要由配合基座和滑動件鋼球組成的摩擦副實現(xiàn)，需承受40 000 次瞬動循環(huán)壽命后，旋轉(zhuǎn)力矩在0.1～0.55 N·m 之間，且力矩衰減不得超過50%。

圖2 某型瞬動波段開關(guān)瞬動機構(gòu)示意圖

某年某月，某部隊現(xiàn)場反映多件某型瞬動波段開關(guān)在旋轉(zhuǎn)操作100 次后，出現(xiàn)瞬動不復位的問題。經(jīng)分析，原因主要在于開關(guān)內(nèi)鋼球與配合基座內(nèi)表面產(chǎn)生運動摩擦，導致基座磨損所致，如圖3所示。

2 超高分子聚乙烯瞬動機構(gòu)設計

2.1 替換材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

據(jù)查閱產(chǎn)品資料可知，基座材料為玻纖增強酚醛模塑料PM-9630，鋼球材料為軸承鋼，軸承鋼的硬度較高，具有較好的接觸疲勞強度、耐磨性和彈性極限，故障初步原因為軸承鋼與塑料貼合并經(jīng)過長時間瞬動摩擦后導致塑料件磨損。查閱大量資料，一般從兩個方面考慮解決該故障，即：選擇耐環(huán)境能力高的材料、結(jié)構(gòu)件或裝置；從結(jié)構(gòu)設計上提高裝備對預定環(huán)境的抵抗能力，或者采取減緩其所在局部環(huán)境的嚴酷度等措施[16]。因此，為降低基座磨損，保證產(chǎn)品瞬動功能可靠性，制定以下方案：

a）提升基座材料的耐磨性；

b）工作條件上，降低接觸壓力或提高基座和滑動件潤滑性；

c）降低滑動件鋼球材料硬度，選擇比軸承鋼硬度低的材料制備滑動件鋼球。

采取方案a）時，某型波段開關(guān)瞬動基座在選材過程中分別進行了DAP、9610 塑料材質(zhì)替換，但瞬動壽命試驗后均與圖3 磨損失效情況一致。若采用金屬材質(zhì)，則加工時波峰-波谷弧度較差，并且耐磨、防腐性無法兼顧，而且后續(xù)裝配空間受限，故采用金屬材質(zhì)替換基座塑料的可行性較低；采用方案b）時，由于滑動件鋼球為標準件，因此需對滑動件進行結(jié)構(gòu)和材料的設計，優(yōu)化外形如圖4 所示，其中滑動面為球面。

圖4 某型瞬動波段開關(guān)瞬動機構(gòu)滑動件鋼球優(yōu)化后結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 瞬動壽命對比驗證

查閱大量既往資料得知，軍品摩擦副常用塑料材質(zhì)有聚甲醛POM、PAI、銅球、聚甲醛+玻纖和超高分子聚乙烯輔以配合不同的潤滑脂等，采用旋轉(zhuǎn)壽命試驗機（如圖5 所示）進行旋轉(zhuǎn)壽命試驗，具體試驗記錄如表1 所示。

表1 不同材料滑動件瞬動壽命驗證

圖5 瞬動壽命試驗機及滑動件優(yōu)化外形

由表1 可以看到，在材質(zhì)上改善如換成POM材質(zhì)、添加PTFE 或替換成超高分子量聚乙烯，比使用潤滑脂效果更優(yōu)異。對比替換材質(zhì)的項目6～9磨損結(jié)果，由圖6 可看到，試驗后的POM 球和POM+30%PTFE 滑動件磨損嚴重，球形已經(jīng)磨平。而超高分子量聚乙烯滑動件球形依然明顯存在，并且表面光亮，如圖7 所示。說明采用超高分子量聚乙烯材質(zhì)制備滑動件，功能正常，符合設計需求。超高分子量聚乙烯具有良好的耐磨性，良好的抗沖擊性、低摩擦系數(shù)和自潤滑性，因此初步選用超高分子量聚乙烯作為滑動件材料。

圖6 聚甲醛及聚四氟乙烯材料磨損示意圖

圖7 聚甲醛及聚四氟乙烯材料磨損示意圖

3 超高分子聚乙烯瞬動機構(gòu)狀態(tài)固化及驗證

3.1 材料標準及成形工藝的確定

國內(nèi)外暫無超高分子量聚乙烯統(tǒng)一的棒材標準，難以機加工成型。但GB 32679—2016 《超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）樹脂》 規(guī)定了顆粒料標準，且采用注塑成形相比于機加成形，具有更高的一致性，因此在標準支撐和質(zhì)量一致性上優(yōu)先選擇注塑成形。

經(jīng)調(diào)研，上海聯(lián)樂化工科技有限公司符合我廠國產(chǎn)化和注冊資金要求，供應渠道穩(wěn)定，并且其超高分子量聚乙烯Z-600 有較高的物理性能，其物性表及成型工藝參數(shù)如表2～3 和圖8 所示。

表2 材料物性表及檢驗標準

表3 注塑工藝參數(shù)

圖8 注塑工藝示意圖及參數(shù)

為確保瞬動機構(gòu)滑動件質(zhì)量一致性，故采用注塑成型，下面對成型后的力學性能及高低溫環(huán)境適應性進行試驗驗證。

3.2 瞬動機構(gòu)力矩驗證

采用扭矩測試儀測試超高分子聚乙烯滑動件瞬動機構(gòu)的初始瞬動力矩，如圖9 所示。經(jīng)多次測量，測得最大力矩值在0.15～0.16 N·m，與理論值一致（如圖10 所示）。說明采用超高分子量聚乙烯Z-600 制備瞬動部件，瞬動力矩滿足設計要求。

圖9 超高分子量聚乙烯瞬動機構(gòu)瞬動功能實測力矩值

圖10 轉(zhuǎn)動力矩與轉(zhuǎn)動角度理論關(guān)系

3.3 高低溫環(huán)境試驗及力學性能驗證

某波段開關(guān)在高低溫環(huán)境中的設計要求為：低溫在-55 ℃下貯存72 h、高溫在70 ℃下貯存48 h后，產(chǎn)品表面應平整、光滑，無明顯機械損傷和缺陷，涂層、鍍層應均勻、無脫落。并且操作力矩在0.1～0.55 N·m 之間，力矩衰減不得超過50%，瞬動功能正常?；诖?，分別進行以下兩種試驗評價。

a）GJB 150.3A—2009 《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第3 部分：高溫試驗》，即評價貯存期間高低溫環(huán)境對超高分子聚乙烯瞬動機構(gòu)的安全性、完整性和性能的影響。

b）GJB 150.4A—2009 《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第3 部分：低溫試驗》，即評價貯存期間低溫對裝備在貯存期間和貯存后的安全性，以及貯存后對裝備的性能影響。

通過對大量的文獻和軍用航空標準進行研究，發(fā)現(xiàn)溫度過高和過低低溫幾乎對所有的材料都有不利的影響，會引起多樣的材料環(huán)境效應。輕則改變裝備所用材料的物理性能或尺寸，重則可能會對其工作性能造成暫時或永久性的損害，表4 為材料的高低溫環(huán)境效應?？梢钥吹剑牧系沫h(huán)境效應可能導致超高分子聚乙烯滑動件瞬動機構(gòu)尺寸改變甚至失效。因此需通過試驗評估其高低溫適應性。

表4 材料的溫度環(huán)境效應

某波段開關(guān)屬于軍用機載設備大類、電子及電子元件小類，可以參考的溫度試驗標準有：GJB 360B—2009 《電子及電氣元件試驗方法》、GJB 150.3A 《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第3 部分：高溫試驗》 和GJB 150.4A 《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第4 部分：低溫試驗》。

根據(jù)產(chǎn)品的貯存設計要求，高溫貯存試驗采用GJB 150.3A 中程序Ⅰ-貯存，低溫貯存試驗采用GJB 150.4A 中程序Ⅰ-貯存。主要操作步驟分別為：高溫貯存時，將某型波段開關(guān)在非工作狀態(tài)下放入高溫箱內(nèi)，升溫至+70 ℃，貯存時間為48 h，取出后檢查外觀并測量轉(zhuǎn)動力矩；低溫貯存時，將某型波段開關(guān)在非工作狀態(tài)下放入低溫箱內(nèi)，降溫至-55 ℃，貯存時間為48 h，取出后檢查外觀并測量轉(zhuǎn)動力矩。圖11 為高低溫試驗后某型波段開關(guān)的宏觀照片，可以看到，外觀質(zhì)量完好，無零部件損壞脫落狀態(tài)，驗證后其瞬動功能亦正常。表5 為試驗前后旋轉(zhuǎn)力矩測試值。可以看到，采用超高分子聚乙烯瞬動機構(gòu)制備的某波段開關(guān)在高低溫環(huán)境下旋轉(zhuǎn)力矩幾乎未發(fā)生改變，說明超高分子聚乙烯替換材料滿足產(chǎn)品高低溫環(huán)境要求。

表5 高低溫貯存試驗前后旋轉(zhuǎn)力矩值

圖11 高低溫試驗宏觀照片

3.4 瞬動壽命驗證

采用圖5 所示旋轉(zhuǎn)開關(guān)壽命試驗機對某波段開關(guān)進行瞬動壽命試驗驗證，循環(huán)速率為10 次/min，試驗過程中抽測產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)力矩和超高分子聚乙烯滑動件磨損量，數(shù)據(jù)如表6 所示。

表6 循環(huán)次數(shù)與旋轉(zhuǎn)力矩、超高分子聚乙烯滑動件磨損量對照表

從表6 中看到，經(jīng)過70 000 次機械壽命試驗后，測得某波段開關(guān)的旋轉(zhuǎn)力矩為0.17～0.19 N·m，較初始值僅衰減15%，并且瞬動功能正常，無卡滯、咬死等異?，F(xiàn)象，說明采用超高分子聚乙烯替代材料制備滑動件具有優(yōu)異的高低溫環(huán)境適應性，滿足設計要求。

拆開產(chǎn)品，如圖12 所示，發(fā)現(xiàn)基座表面光潔，并且超高分子聚乙烯滑動件外形仍光潔圓潤，最深的磨損僅為0.29 mm，肉眼幾乎無法分辨。說明采用超高分子聚乙烯替代材料制備滑動件具有較好的自潤滑性，滿足某波段開關(guān)瞬動壽命40 000 次的要求。

圖12 超高分子聚乙烯滑動件壽命后磨損外觀

4 結(jié)束語

本文針對解決某波段開關(guān)磨損失效、卡滯、瞬動不復位問題，研究了替代方案瞬動機構(gòu)的瞬動壽命，以及超高分子聚乙烯瞬動機構(gòu)摩擦副的高低溫環(huán)境適應性、瞬動壽命和力學性能，結(jié)果表明：

a）采用POM、PAI、銅球、聚甲醛+玻纖和超高分子聚乙烯等配合不同的潤滑脂進行瞬動壽命對比及旋轉(zhuǎn)力矩驗證，篩選出超高分子量聚乙烯滑動件代替鋼球制備瞬動機構(gòu)摩擦副，并固化了材料牌號和注塑工藝參數(shù)；

b）超高分子聚乙烯瞬動機構(gòu)具有優(yōu)異的高、低溫環(huán)境適應性和旋轉(zhuǎn)力矩穩(wěn)定性，滿足高低溫環(huán)境使用要求；

c）超高分子聚乙烯瞬動機構(gòu)可將某型波段開關(guān)瞬動循環(huán)壽命由10 000 次提升至70 000 次，旋轉(zhuǎn)力矩衰減僅為15%，滿足某型波段開關(guān)的安全性、完整性和功能性。

超高分子量聚乙烯可制作多種多樣的摩擦副應用到航空領域其他人機交互界面的操作器件如扳動類開關(guān)上，對于提高裝備的人機功效性和可靠性具有理論和工程的指導意義。