0 引言
随着空间技术的不断发展，人类对空间技术的依赖进一步加深，各航天强国对航天器在轨工作寿命要求越来越高。空间转动部件作为航天器寿命的主要影响因素之一，其运行可靠性、长寿命等问题越来越受到关注[1-3]。
润滑剂在空间转动部件中的合理应用是实现其长寿命、高可靠、高精度运行的关键所在，因此对空间转动部件长寿命润滑技术研究的需求越来越迫切[4-5]。液体润滑由于启动力矩小、力矩波动小、导热性好等特点[6]，已广泛用于高真空、中高速的空间转动部件润滑，特别适用于精密转动部件的长寿命润滑。
近些年来，国内外学者[7-9]对液体润滑剂在空间转动部件中的长寿命润滑应用做了针对性研究。MASABUMI等[10]使用无添加剂的多烷基化环戊烷(MAC)进行了真空摩擦磨损实验，结果表明，摩擦副在稳定摩擦磨损阶段，无添加剂的MAC液体润滑剂抗磨性能优于全氟聚醚(PFPE)。张松伟等[11]对PAO40、PAO10和MAC两类合成碳氢型液体润滑剂在不同气体环境下的摩擦学特性进行了研究。结果表明，两种合成碳氢型液体润滑剂在空气环境下的摩擦因数较低、磨斑直径较小；而在真空和氮气环境下的摩擦因数较高、波动明显、磨斑直径较大且有黏着磨损现象。与国外相比，由于缺乏适用空间润滑剂的润滑性能评价方法和空间转动部件长寿命润滑运行基础数据，阻碍了我国空间润滑剂的快速发展[12]。
本文对RP4752合成碳氢液体润滑剂的真空边界润滑特性及长寿命润滑适应性进行分析，并对空间转动部件可靠性寿命试验结果进行分析。研究结论可为空间转动部件润滑剂的选用、边界润滑性能评定和转动部件长寿命润滑设计提供方法指导和可靠性寿命试验数据参考。
1 试验部分
1.1 试验材料
试验选用的是RP4752合成碳氢油，该润滑油采用低黏度的MAC为基础油，本身的化学性能稳定，不易退化和聚合,通过添加磷酸酯型极压抗磨剂、抗氧化剂等添加剂，使该润滑油具有优良的润滑、极压性能，而且因其表面耐磨层具有自修复功能，从而保证了较长的使用寿命，可较好地用于边界润滑工况。表1所示为主要理化性能指标。
表1 RP4752合成碳氢油主要理化性能指标
Tab.1 Main physical and chemical performance
for RP4752 synthetic hydrocarbon oil
润滑油名称密度(g/cm3)黏度(mm2/s)-20 ℃40 ℃100 ℃25 ℃时饱和蒸气压(Pa)RP47520.842 3298958.749.1932.63×10-6
1.2 试验方法
空间润滑油长寿命润滑性能的测试流程如图1所示。首先进行空间润滑油边界润滑性能评定试验，主要通过真空四球试验系统、真空螺旋摩擦试验机(SOT)和真空滑动摩擦试验机(SRV)来试验，3种试验的主要目的分别是：①纯滑动工况下润滑油的减摩抗磨特性(真空四球)；②深沟球轴承近真实工况下润滑油的边界润滑性能(真空SOT)；③球盘接触下往复振动摩擦特性(真空SRV)。此后对真空四球、SOT试验后的钢球磨斑进行表面表征和分析。最后对空间运动机构(扫描电机)进行1∶1寿命试验验证，进一步验证润滑油的空间长寿命润滑适应性。
图1 空间润滑油长寿命润滑特性测试框图
Fig.1 Flow chart of space lubricant long life lubrication test
1.3 润滑性能测试
RP4752合成碳氢油的润滑性能测试分别在真空四球、真空SRV和真空SOT上进行。试验中的钢球为440C不锈钢，直径为12.7 mm，试验温度为25 ℃。
(1)真空四球试验的测定条件同普通四球试验基本一致，可在高真空条件下测定纯滑动条件下润滑油的减摩抗磨性能。润滑油的用量约为4 mL。
(2)真空SRV用于测定球盘接触往复振动摩擦，往复频率为50 Hz，行程为1 mm，试验温度为25 ℃，真空度小于或等于0.1 Pa，加载载荷为100 N。
(3)真空SOT主要将螺旋轨道用于测量滚动、转动、滑动混合接触下润滑油的边界润滑性能。图2是典型SOT的组成示意图。当SOT工作时，下盘固定，上盘旋转，带动钢球在下盘的轨迹上旋转。每转一圈，导向盘给钢球一个微小的补偿力，以防止钢球从轨道上滑出。试验温度为25 ℃，真空度不大于1×10-4 Pa，加载载荷为1.5 GPa，主轴转速为210 r/min，润滑油油量为50 μg。
图2 螺旋轨道摩擦试验系统示意图
Fig.2 Components of the spiral orbit tribometer
1.4 表面表征和分析测试
利用JSM-5600LV型扫描电子显微镜和X射线能量色散谱仪观察磨斑表面形貌并分析元素构成。采用非接触式三维形貌测试仪对钢球磨斑区域进行三维形貌成像，判定钢球磨斑直径和磨损程度。利用Cary 630FTIR光谱仪对试验前后的润滑油进行红外透过率分析。
1.5 扫描电机真空寿命试验
图3 扫描电机结构图
Fig.3 Scanning motor structure diagram
为验证润滑油在空间运动机构中能否满足8年(即2.52×108圈)长寿命润滑需求，利用两台红外地球敏感器扫描电机开展1∶1真空寿命验证试验，扫描电机内有两个61809深沟球轴承，每个轴承内含有22个φ4 mm钢球,每个轴承内可供润滑用的油量为107 mg。扫描电机结构模型图见图3。主要试验项目有：①通过电机低温启动试验，评估润滑油的黏温特性对电机低温启动的影响；②通过电机的真空高低温循环试验，评价润滑油在扫描电机极端工作温度条件下的温度环境适应性和润滑稳定性；③开展电机真空高温(45 ℃)—常温(23 ℃)—低温(-15 ℃)长寿命试验，进一步验证润滑油能否保证空间运动机构的8年以上设计使用寿命要求。寿命试验条件如表2所示，扫描电机转速为60 r/min,处于边界润滑状态。
表2 扫描电机寿命试验条件
Tab.2 Scanning motor life test conditions
参数名称转速(r/min)预紧力(N)真空度(Pa)高温(℃)低温(℃)参数值6020≤1.3×10-545-15
2 结果与讨论
2.1 摩擦磨损性能
SOT试验结果如图4所示，从图中可以看出润滑油的初始摩擦因数μ0为0.01左右，试验结束时上升到0.04，此时钢球的旋转圈数已达到80 784，进而可以得出其名义寿命为每微克1 615圈。因本试验中摩擦副间的润滑油含量仅为50 μg，故摩擦副之间的润滑状态处于边界润滑。
图4 润滑油摩擦因数-旋转圈数曲线
Fig.4 Friction coefficients-orbit number Curve
of lubricating oil
SRV试验的结果如图5所示，从图中可以看出润滑油的滑动摩擦因数μ1在运行开始后逐渐保持平稳，试验结束时的摩擦因数μ1=0.19，磨斑直径为0.44 mm，表明样品具有一定抗摩擦性能。
图5 润滑油滑动摩擦因数-滑动时间曲线
Fig.5 Sliding friction coefficients-time curve of lubricating oil
为防止润滑油在轨实际工况下逸出附着在遥感载荷光学窗口上并对红外(14～16.25 μm)波段处的透过率产生影响，需分析润滑油润滑性能测试前后的红外透过率是否有明显变化。图6所示为润滑油真空四球试验前后的红外透过率对比，从图中可以看出，试验前后润滑油在14～16.25 μm红外波段的透过率均值在90%以上，不会对光学窗口的透过率产生影响。
图6 润滑油摩擦磨损试验前后红外透过率对比
Fig.6 Comparison of infrared transimittance before and
after friction and wear test of lubricating oil
对真空四球试验后钢球磨斑的表面形貌和EDS进行分析可知，磨斑表面O的质量分数为14.84%，P的质量分数为4.99%，磨斑表面有化学反应膜产生。对钢球磨斑的三维形貌分析可知，钢球磨斑磨痕较浅。
图7 扫描电机寿命验证试验时间-电流、温度曲线1
Fig.7 Scanning motor life verification test time-current,
temperature curve 1
图8 扫描电机寿命验证试验时间-电流、温度曲线2
Fig.8 Scanning motor life verification test time-current,
temperature curve 2
图7和图8为寿命试验过程中扫描电机的电流和定子温度时间变化图。扫描电机已转动了3.02×108圈。其中低温阶段累计运行1.6×107圈，常温阶段2.705×108圈，高温阶段1.55×107圈。在已进行的寿命试验过程中，扫描电机运转正常、转速稳定、电流波动小。从图中可看出：在常温工况下，电机电流为22 mA左右且保持平稳。在高温工况下，因润滑油黏度降低，电机摩擦力矩减小，从而导致电机电流降低至20 mA左右。低温工况下，因润滑油黏度变大，导致电机摩擦力矩增大，从而导致电机电流增加至55 mA左右。寿命试验过程中，扫描电机均未出现明显异常，产品状态良好。按电机目前已运行3.02×108圈这一结果，可得出轴承中的钢球名义润滑寿命大于或等于2 822圈/μg。从而可以看出，接触应力越小，钢球润滑状态下的工作寿命越长。此结果与润滑油的SOT结果，即润滑油名义润滑寿命形成比对关系，为以后其他油润滑运动机构寿命预估作参考。
3 结论
本文对RP4752合成碳氢液体润滑剂在真空条件下的边界润滑特性进行了评定，并对两台采用RP4752液体润滑剂润滑的扫描电机进行了1∶1地面寿命试验，结论如下：
(1)摩擦磨损试验结果表明： RP4752润滑油滑动摩擦性能良好，磨斑直径较小，约为0.44 mm，润滑油名义寿命可达到每微克1 615圈。
(2)SEM和EDS分析结果表明，钢球的磨斑区域有化学反应膜产生，磨斑区域未见明显磨痕。
(3)扫描电机真空寿命试验值已达3.02×108圈，在接触应力为0.66 GPa的工况下，轴承钢球名义润滑寿命已大于每微克2 822圈。此结果与SOT试验的润滑油名义寿命为每微克1 615圈形成对比关系，为以后其他油润滑运动机构寿命预估提供参考。
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