空间轴承多孔聚酰亚胺保持架尺寸稳定性研究*

张阿妮 周 刚 卿 涛

(北京控制工程研究所精密转动和传动机构长寿命技术北京市重点实验室 北京 100094)

空间轴承是飞轮、控制力矩陀螺等空间执行机构的核心机械部件，其性能和寿命直接影响执行机构的可靠性和寿命，进而影响空间飞行器的性能和寿命[1-3]。空间轴承的运转稳定性是一个复杂的动力学过程，涉及轴承材料、润滑、轴承结构设计等多个方面[1,4-9]。由于空间轴承一般设计为外引导，保持架的尺寸变化引起的轴承引导间隙的变化极有可能导致空间轴承的运转不稳定[8-9]，因而良好的保持架尺寸稳定性是确保空间轴承稳定运转的重要因素。

空间轴承常使用多孔聚酰亚胺含油保持架，是聚酰亚胺多孔高分子聚合物材料机械加工后浸渍吸附润滑油制成，轴承工作时通过运转离心力、微孔毛细作用以及热胀冷缩力进行润滑油的释放与吸收，实现轴承工作面上润滑油量的微调[10-13]。由于高分子多孔材料机械强度相对较低，又具有较强的吸附特性，易受到机械加工及后续溶剂清洗和润滑油浸渍等保持架预处理过程中内外应力以及湿度、温度等环境工况条件影响[14-15]，甚至可能会在长期的高低温交变和湿度的作用下，进一步出现大分子降解和交联反应的老化现象，这些都可能影响多孔材料保持架尺寸的稳定性。鉴于此，本文作者研究了保持架溶剂清洗、含油状态以及温度循环和环境湿度变化等对多孔聚酰亚胺保持架尺寸稳定性的影响，为后续改进材料保持架的设计和使用奠定基础。

1 试验部分

1.1 样品制备

采用洛轴所生产的多孔聚酰亚胺坯料，加工B7004轴承用保持架试验件12件，编号为P1—P12。

1.2 试验方法

多孔聚酰亚胺保持架试验件按照下述方法，先后开展保持架溶剂清洗试验、含油状态影响试验、高低温热循环试验和环境湿度试验，每项试验前后采用新加坡有限公司生产的MV-322型三维影像测量仪测量保持架试验件的内、外径，每次测量时选取不少于10个测量点，测量点尽量均布，每个尺寸测量3次，将其平均值作为测量值。

(1)溶剂清洗试验。取多孔聚酰亚胺保持架试验件5件，测量其内、外径尺寸作为初始尺寸，分别记为d0和D0；将所有保持架试验件在溶剂中超声清洗，室温自然干燥后测量其内、外径尺寸值d1和D1，并计算溶剂清洗后相比初始尺寸内、外径尺寸变化量d1-d0和D1-D0；接着将保持架试验件置于高温真空烘箱中进行充分真空干燥处理后，测量保持架试验件的内、外径尺寸值d2和D2，计算高温真空烘烤后相比初始尺寸的内、外径变化量d2-d0和D2-D0。

(2)含油状态影响试验。取保持架试验件5件，测量其内、外径尺寸作为初始尺寸，接着将保持架试验件依据文献[10]中的方法充分浸油处理，去除多余浮油后测量含油保持架的内、外径尺寸，计算保持架试验件浸油成为含油保持架时相比初始干保持架的内、外径尺寸变化量。

(3)高低温热循环和热加速试验。将多孔聚酰亚胺含油保持架试验件放入高低温箱，开展(-20±10) ℃～(80±10) ℃的高低温热循环试验，分别测量循环2次、4次、8次和15天的热加速试验后(共约23个循环)保持架试验件的尺寸，并与循环前的尺寸进行对比。

(4)湿度试验。将多孔聚酰亚胺的不含油和含油2种状态的保持架试验件从干燥柜中取出(湿度约20%)，测量其内、外径尺寸作为湿度试验的初始尺寸，接着先后测量保持架在湿度为40%、60%和80%的调温调湿箱内各放置24 h后的内、外径尺寸，并与初始尺寸进行对比。

2 结果与讨论

2.1 溶剂清洗对多孔聚酰亚胺保持架尺寸稳定性的影响

因多孔结构而具有强吸附性的多孔聚酰亚胺保持架装入轴承前，需先采用有机溶剂充分清洗掉保持架上吸附的金属屑、微小杂质等，以免残留物引入轴承沟道中增大磨损。文中先后测量计算保持架溶剂清洗完室温自然干燥后的保持架尺寸变化情况和高温真空烘烤后的保持架尺寸变化情况，以研究溶剂清洗对保持架尺寸稳定性的影响。

由图1可以看出：(1)5个多孔聚酰亚胺试验件溶剂清洗完室温自然干燥后，相比清洗前的初始尺寸，外径增大0.01～0.03 mm，内径增大0.01～0.02 mm，可能原因是保持架在溶剂中清洗时，保持架材料的微孔结构中吸附一定量的溶剂，使整个保持架材料体积发生膨胀，室温自然干燥时，吸附在微孔中的溶剂、水气等不能全部自然逸出挥发，故保持架内外径尺寸增大；(2)当多孔聚酰亚胺保持架经过高温真空烘烤后尺寸恢复到与清洗前的初始值一致(由于不可避免地存在测量误差，故文中认为变化量在0.01 mm以内的都看作尺寸稳定，未发生改变)，说明对于多孔聚酰亚胺保持架清洗中吸附的溶剂经过充分干燥处理可以有效去除，减弱或消除清洗对保持架尺寸的影响。综上两点反映出在溶剂清洗过程中因微孔结构吸附溶剂等原因，多孔聚酰亚胺保持架的尺寸会发生变化，因而保持架溶剂清洗后应充分进行干燥处理，以排除清洗中吸附于保持架材料孔隙中的溶剂、水气等物质。

图1 多孔聚酰亚胺保持架在溶剂清洗时的尺寸变化情况

2.2 含油状态对多孔聚酰亚胺保持架尺寸稳定性的影响

由于空间工况的特殊性，空间轴承的多孔聚酰亚胺需在保持架孔隙中存入润滑油成为含油保持架，而在工作时在离心力、毛细力、热胀冷缩力等综合作用下，保持架释放或吸收润滑油来调整轴承润滑。文中实验研究了多孔聚酰亚胺保持架成为含油保持架时相比不含油状态时的尺寸变化情况，如图2所示。可以看出多孔聚酰亚胺含油保持架尺寸相比不含油时的保持架初始尺寸，内外径尺寸稳定，个别减小0.01～0.02 mm。故可知：多孔聚酰亚胺干保持架成为含油保持架时，尺寸与不含油状态基本一致，即含油与否对于保持架的尺寸影响不明显。

图2 多孔聚酰亚胺保持架含油后内外径尺寸变化量

2.3 高低温热循环及热加速试验对多孔聚酰亚胺保持架尺寸稳定性的影响

保持架在装入高速轴承后进入产品试验和应用阶段，需要随整机一起在高低温交变环境中试验和工作，频繁的高低温交变热冲击有可能导致保持架尺寸发生变化。文中通过开展高低温循环试验和长时间的热加速试验来探讨热效应和时间效应对保持架尺寸的影响。

图3所示是含油多孔聚酰亚胺保持架试验件在依次经历2次、4次和8次高低温热循环和约15天的热加速试验后的尺寸变化情况。可知，含油聚酰亚胺保持架在2次、4次、8次高低温热循环和热加速试验后内外径尺寸相比初始尺寸都没有发生明显变化。说明多孔聚酰亚胺保持架热稳定性能好，受高低温热循环的影响小，保持架尺寸不会受高低温循环热应力影响和使用时间的延长而发生改变。

图3 多孔聚酰亚胺保持架尺寸随高低温循环次数的变化情况

2.4 环境湿度对多孔聚酰亚胺保持架尺寸稳定性的影响

多孔材料的聚酰亚胺保持架因其微孔结构而具有强吸附性，易吸附周围环境中的水气、空气。文中研究了环境湿度对保持架尺寸的影响，结果如图4所示。可见，含油和不含油这2种状态的多孔聚酰亚胺保持架的内外径尺寸都随着环境湿度的增加而增大，含油多孔聚酰亚胺保持架在环境湿度为40%、60%和80%时的尺寸，相比从干燥柜(湿度小于20%)刚取出时的初始外径分别增大了0.01～0.03 mm、0.03～0.05 mm和0.06～0.07 mm。另外从试验数据可知，相同湿度下，不含油聚酰亚胺保持架尺寸增量略低于含油状态保持架，即聚酰亚胺保持架含油状态时尺寸受环境湿度影响更明显。

由以上结果可知湿度对多孔聚酰亚胺尺寸影响明显，故不论是作为单独的保持架零件还是装有保持架的轴承，都应一直放置于干燥的环境中，以免因保持架吸潮导致尺寸变化进而影响轴承运转性能。

图4 多孔聚酰亚胺保持架尺寸随湿度的变化情况

3 结论

(1)多孔聚酰亚胺保持架在溶剂清洗时会在其微孔结构中吸附清洗溶剂，且吸附的溶剂在室温自然干燥过程中不能全部排出，会导致多孔聚酰亚胺保持架内、外径尺寸增大，故多孔聚酰亚胺保持架清洗后应进行充分干燥处理。

(2)多孔聚酰亚胺含油保持架与干保持架尺寸基本一致，含油与否对其尺寸没有明显影响。

(3)多孔聚酰亚胺含油保持架热稳定性好，在产品试验和应用阶段尺寸稳定，不会受高低温交变热应力影响和随时间的延长而发生改变。

(4)多孔聚酰亚胺保持架受湿度影响明显，保持架尺寸随着湿度的增加而增大，环境湿度越大保持架尺寸变化越大，故保持架零件和装有保持架的轴承都应该一直保持于干燥的环境中。