長壽命空間掃描電機軸承潤滑油的研制

賀景堅 ，梁宇翔 ，崔維鑫 ，尹開吉

(1.中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083；2.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083)

0 引言

衛(wèi)星、飛船及各類探測器等空間工業(yè)技術(shù)的發(fā)展要求解決一系列潤滑科學(xué)與技術(shù)問題，其中最突出的問題是滿足航天器在軌運行的長壽命要求，對潤滑劑而言，就是要求提供長期有效的潤滑。長壽命潤滑對潤滑劑的性能要求主要包括低揮發(fā)、潤滑性能和化學(xué)穩(wěn)定性等。除了長壽命要求，空間掃描電機軸承轉(zhuǎn)速低且要求過零，為邊界潤滑狀態(tài)；也會在低溫環(huán)境下使用，因此對潤滑劑有低溫穩(wěn)定性要求和邊界潤滑要求。

根據(jù)具體使用工況，參考國外空間同類產(chǎn)品技術(shù)制定了研制指標(biāo)，其中部分指標(biāo)見表1 。

表1 空間掃描電機軸承潤滑油(DP-1)部分研制指標(biāo)

表1(續(xù))

1 主要評定設(shè)備

潤滑性能評定主要采用美國科勒公司生產(chǎn)的KTR-30L-M型四球試驗機和德國OPTIMOL儀器公司生產(chǎn)的SRV試驗儀。氧化性能評定采用TA instruments 生產(chǎn)的Q2000差示掃描量熱儀；腐蝕和氧化安定性評定采用大連奧特邁公司生產(chǎn)的腐蝕和氧化安定性試驗儀。

2 空間掃描電機軸承潤滑油的研制

2.1 基礎(chǔ)油研究

早期空間潤滑油基礎(chǔ)油主要是精制礦物油，之后研制發(fā)展了酯類油、硅油、氟油、合成烴油和新型材料硅烴等合成油，并在一定時期分別應(yīng)用于空間裝置。

精制礦物油與傳統(tǒng)添加劑溶解性好，可以通過各種添加劑改善性能，具有良好的潤滑性能，但其揮發(fā)性較大、低溫性能不理想，熱和化學(xué)穩(wěn)定性一般，不適用長壽命潤滑。酯類油的化學(xué)穩(wěn)定性不理想，它們與一些聚合物等材料有化學(xué)活性，并被懷疑在酸、堿或某些金屬存在時發(fā)生分解，不利于空間長壽命潤滑。硅油具有優(yōu)異的低揮發(fā)性和低溫性能，但是硅油在鋼-鋼界面的潤滑，特別是在較高的負載時潤滑性較差，也不利于長壽命潤滑。氟油由于低揮發(fā)、化學(xué)惰性等優(yōu)點在空間的應(yīng)用研究較多，在一段時間成為首選空間潤滑劑。但后來在應(yīng)用和研究中發(fā)現(xiàn)，氟油一定情況下在鋼-鋼摩擦界面發(fā)生緩慢的自聚合退化，對長期潤滑帶來隱患。合成烴油的低揮發(fā)性比不上氟油，但遠比精制礦物油和酯類油低，且其潤滑性好，化學(xué)性能穩(wěn)定，不易退化，低溫性能、黏溫性能等也較好。

對各種材料性能進行綜合比較后， 根據(jù)掃描電機軸承應(yīng)用工況和暫定指標(biāo)，結(jié)合國外公司產(chǎn)品應(yīng)用情況，研制了特定結(jié)構(gòu)的合成烴作為基礎(chǔ)油?；A(chǔ)油性能分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 基礎(chǔ)油部分性能分析數(shù)據(jù)

2.2 配方研究

雖然基礎(chǔ)油對空間軸承潤滑油的性能極為重要，但要達到潤滑性能、氧化安定性以及熱和化學(xué)穩(wěn)定性等要求還需要加入各種功能添加劑。因此需要精選并平衡各種因素確定配方。

空間掃描電機軸承對潤滑性能提出了特殊要求，所以在配方中設(shè)計了復(fù)合極壓抗磨劑強化潤滑性能。針對儲存和使用工況兩個條件選擇抗氧化劑并組合，配方中也有金屬鈍化防腐蝕方面的考慮。

2.2.1 極壓抗磨劑的研究

通過四球試驗研究考察了A、B、C、D 4種極壓抗磨劑的潤滑性能和對酸值的影響 。試驗結(jié)果見表3，結(jié)果顯示復(fù)合極壓抗磨劑具有較好的極壓抗磨性能并能保持低酸值。配方選用復(fù)合極壓抗磨劑。

表3 極壓抗磨劑的研究

2.2.2 抗氧化劑的研究

通過DSC(差示掃描量熱法)考察了不同抗氧化劑在配方體系中的作用效果，試驗結(jié)果如圖1、圖2所示。結(jié)果顯示，復(fù)合抗氧劑2具有更好的抗氧效果。

圖1 復(fù)合抗氧劑1DSC曲線

進一步通過腐蝕和氧化安定性試驗考查了復(fù)合抗氧劑2的性能。試驗結(jié)果顯示，復(fù)合抗氧劑2具有非常好的腐蝕和氧化安定性。見表4。

表4 腐蝕和氧化安定性試驗

表4(續(xù))

試驗條件為：溫度149 ℃，空氣流量83 mL/min，時間72 h。

2.2.3 多功能添加劑的應(yīng)用

為平衡和優(yōu)化配方，加入了一種多功能劑。考察了摩擦磨損性能、腐蝕性能以及對酸值的影響。見表5、表6。

表5 多功能劑篩選

四球試驗條件：200 r/min，30 ℃,1 h。

綜合磨斑直徑和摩擦系數(shù)的結(jié)果，多功能劑a具有較好的摩擦和潤滑性能?？疾炝颂砑佣喙δ軇λ嶂岛透g性能的影響。

表6 多功能劑a其他相關(guān)性能的考查

表6結(jié)果顯示添加劑a還具備一定的防腐蝕作用。與不添加a相比，酸值有所增加，但增加的幅度不大，不會影響到使用效果。綜合考慮后決定在配方中加入多功能劑a。

3 配方組成

空間掃描電機軸承潤滑油的配方體系為：

基礎(chǔ)油：合成烴類；

添加劑：復(fù)合抗氧劑、復(fù)合極壓抗磨劑、多功能劑等。

4 性能評定

4.1 理化性能

根據(jù)以上實驗確定了空間掃描電機軸承潤滑油配方，全配方的理化性能見表7。

表7 空間掃描電機軸承潤滑油(DP-1)的理化性能

4.2 潤滑性能

用四球機和SRV試驗機評定研制油的潤滑性能，研制油具有優(yōu)良的潤滑性能，部分試驗數(shù)據(jù)見表8、表9。

表8 潤滑性能(四球試驗結(jié)果)

四球試驗條件：600 r/min，30 ℃，1 h。

表9中參考油A是一種潤滑性能很好的酯類空間用油。將研制油與參考油A進行相同條件下的SRV試驗對比，試驗數(shù)據(jù)顯示隨著載荷的增大，研制油在磨損性能方面的優(yōu)勢逐漸明顯。綜合表8和表9的試驗結(jié)果，研制油具有良好的潤滑性能。

表9 潤滑性能(SRV試驗結(jié)果)

4.3 腐蝕和氧化性能

4.3.1 腐蝕和氧化安定性

用腐蝕和氧化安定性試驗評定了研制油的氧化性能，試驗數(shù)據(jù)見表10，結(jié)果表明研制油具有非常好的腐蝕和氧化安定性。

表10 腐蝕和氧化安定性試驗結(jié)果

4.3.2 高溫清凈性能

用斜板成焦試驗對比了研制油和相同配方、以PAO作為基礎(chǔ)油的對比樣B的高溫清凈性能。結(jié)果表明研制油的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于以合成烴PAO作為基礎(chǔ)油的對比樣B。實驗結(jié)果見表11和圖3。

表11 斜板成焦試驗結(jié)果

圖3 斜板成焦試驗板對比

試驗條件：試驗溫度270 ℃，時間60 min，間隙供油，開停比為4 min∶4 min，泵速為0.3 r/min。

4.3.3 儲存穩(wěn)定性和熱氧化穩(wěn)定性

將研制油在80 ℃條件下儲存365 d，進行熱氧化和儲存穩(wěn)定性加速試驗，考查其氧化后酸值和黏度變化，試驗結(jié)果見表12，研制油在常溫下保存10年的儲存穩(wěn)定性數(shù)據(jù)見表13。

表12 儲存穩(wěn)定性和熱氧化穩(wěn)定性試驗結(jié)果

試驗條件：80 ℃ ， 365 d。

表13 長期儲存穩(wěn)定性試驗

各項考查結(jié)果顯示研制油具有非常好的熱和氧化穩(wěn)定性。

4.4 紅外透射率

為了考察潤滑油膜對工作波段的紅外透過率， 采用紅外衰減全反射方法考察潤滑油紅外透光率。

紅外光譜是化合物結(jié)構(gòu)分析中常用的測試手段之一，其常規(guī)方法是測定樣品的透射光譜。但對于一些特殊樣品，如纖維、橡膠、合成樹脂等，顯然很難直接得到其紅外透射光譜，因此衰減全反射法(attenuated total reflection, ATR)應(yīng)運而生，而它也成為合成潤滑劑分析中很有用的測試技術(shù)。

4.4.1 基本理論

在均勻介質(zhì)中光沿直線傳播，但光從一個介質(zhì)進入另一個介質(zhì)時，在分界面上光被分為折射光線和反射光線。光從光密介質(zhì)(折射率高)射向光疏介質(zhì)(折射率低)，且光線的入射角超過其臨界角時，光不再進行折射，入射光全部反射回原介質(zhì)，這種現(xiàn)象成為全反射。但是理論和實踐都證明，光并不是百分之百的反射，而是穿透表面一定深度再返回樣品表面，介質(zhì)中仍有入射光的確定值，其值為：

E=E0e-Z/dp

(1)

(2)

其中E0是入射光的強度，Z為光進入第二介質(zhì)的深度，當(dāng)光的振幅沿Z方向指數(shù)衰減到初始的1/e時，即Z=dp，dp稱為穿透深度。

如果在入射光的頻率區(qū)內(nèi)存在樣品的選擇吸收，結(jié)果使反射光中相應(yīng)部分的強度減弱，即在光譜中產(chǎn)生吸收帶，故該方法稱為衰減全反射法(ATR)。ATR譜與透過光譜極為相似，譜峰位置與透過光譜一致。

4.4.2 測試結(jié)果和討論

分析結(jié)果顯示研制油在工作波段波長范圍內(nèi)紅外透光率在96%以上。計算油膜厚度12.12 μm。

4.5 與參考油性能對比

表14對比了研制油與國外某著名空間潤滑公司同類產(chǎn)品各項性能。

表14 與國外同類產(chǎn)品性能對比

表14(續(xù))

注：*數(shù)據(jù)來自國外官方資料。

表15對比了研制油與原設(shè)計用油(參考油C)在不同載荷下的潤滑性能(四球)對比。

表15 與原設(shè)計用油潤滑性能對比

試驗條件：轉(zhuǎn)速1450 r/min，10 s，室溫。

從以上對比結(jié)果可以看出：研制油潤滑性能明顯優(yōu)于參考油C；研制油潤滑性能和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，技術(shù)達到國際先進水平。

5 批次穩(wěn)定性研究

表16列出為了考察批次穩(wěn)定性所生產(chǎn)的3批空間掃描電機軸承潤滑油(DP-1)的主要理化性能。從表16可以看出所研制的空間掃描電機軸承潤滑油(DP-1)生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，各項性能均符合技術(shù)指標(biāo)的要求。

表16 批次穩(wěn)定性研究

6 應(yīng)用試驗結(jié)果

航天用戶針對空間環(huán)境使用要求，系統(tǒng)地開展了空間掃描電機軸承潤滑油(DP-1)的性能比對測試和例行環(huán)境模擬試驗評估工作。截至2018年2月，可靠性壽命驗證試驗時間已累計超過11年，目前試驗件工作狀態(tài)正常。

空間掃描電機軸承潤滑油(DP-1)已應(yīng)用于空間相關(guān)型號，最長在軌工作時間已超過8年。

7 結(jié)論

研制了特定結(jié)構(gòu)的合成烴基礎(chǔ)油，采用空間潤滑專用復(fù)合抗氧劑、復(fù)合極壓抗磨劑和多功能劑等形成全配方的空間掃描電機軸承潤滑油，具有良好的潤滑性能、氧化性能、防腐蝕性能和低揮發(fā)性，并且具有很好的紅外透射率。研制油與國外同類產(chǎn)品性能相當(dāng)，技術(shù)達到國際先進水平。應(yīng)用于空間掃描電機軸承的潤滑，滿足長壽命、高可靠性的要求。