空间微量润滑条件下润滑介质的渗流和导流行为研究

发布时间：2020-06-21 04:13

【摘要】：长寿命、高可靠性的卫星平台是我国日益增长的战略需求,动量轮作为空间飞行器执行机构的关键组件,因其长时间处于低速运转状态,内部轴承组件润滑油供给不足,产生了摩擦力矩加大,磨损加剧的现象,导致轴承未达预定寿命便失效。因此实现低速工况下润滑油的持续供给是保证动量轮长寿命的关键措施。本文从润滑介质的流动行为出发,研究了润滑介质在轴承材料表面的导流行为,利用多物理场仿真软件COMSOL分析了润滑油在多孔聚酰亚胺保持架和储油器中的渗流行为,阐明了润滑介质在织构化表面的润湿性能、输送机理及影响渗流扩散的因素,为解决低速工况下动量轮组件中润滑油的持续供给问题提供了理论基础。通过紫外激光加工技术织构化聚二甲基硅氧烷表面,设计了光栅(条纹)、栅格(网格)和蜂窝状(六边形)织构,研究激光器加工参数和织构宽度、深度、分布密度(加工间隔)对表面润湿性的影响。并通过扫描隧道电子显微镜、激光共聚焦显微镜、傅里叶红外光谱、X射线衍射仪对织构化表面进行了物化分析。结果表明栅格结构,加工间隔(30μm~100μm)越小、加工频率越高的表面疏水性越好,表面疏水性最差的为蜂窝结构,但加工功率过大(大于60W)会导致表面生成亲水的Si C晶体;织构化表面较加工前更亲油,润滑油在织构化表面迅速浸润并铺展,且浸润速度和铺展面积与润滑油的种类有关。为得到具有导向作用的表面结构,仿照生物表面的梯度结构设计并制备了聚二甲基硅氧烷润湿梯度表面,通过监测水和润滑油在表面的流动速度及铺展方向,发现定向驱动效果最好的结构为仿蜘蛛网织构;并对仿蜘蛛网织构参数进行了正交化设计,发现油在加工间隔越小、夹角越小的纳秒激光加工的试件表面铺展性最好;加工工艺方面,纳秒织构化的表面导向性优于皮秒激光织构化表面。为研究保持架和储油器用多孔聚酰亚胺储油材料的渗流行为,研究了多孔聚酰亚胺块体材料表面及内部的润湿性能,通过扫描电镜对表面形貌进行了观测,通过Image Pro Plus软件对表面孔隙率进行了统计分析(孔隙率为30%~45%),分别采用纳米CT和聚焦离子束扫描电子显微镜对多孔聚酰亚胺材料进行了三维立体断层扫描和分析,为多孔材料渗流行为研究提供了基础支撑。利用COMSOL多孔介质分析模型开展了二维结构的润滑油渗流仿真,探讨了离心力和温度作用下润滑油在多孔材料的渗流行为。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH117.2
【图文】：

本课题源于国家自然科学基金重点支持项目/航天先进制造技术研究联合基金ǎ空间长寿命轴承的润滑行为及摩擦力矩稳定性研究 ξ编号：U1637206ο 近年来，卫星技术的快速发展更促进中国在国际社会的地位不断提高 拥有较长寿命 可靠服役 控制准确 快速调整等特性是空间飞行器的重要目标[1],[2] 动量飞轮作为空间执行机构中的重要组件，以其较高的控制精度和仅耗电的优势，被广泛用于卫星姿态控制领域，其寿命 可靠性和控制精度至关重要 国际上动量飞轮研制已有成熟产品系列，可供不同型号及精度的卫星选用，且寿命相对较长 美国的 Bendix 德国的 ROCKWELLCOLLINS 等生产的动量飞轮角动量覆盖范围大，产品在轨工作寿命均达 10 年以上 国内主要是航天 803 和 502所研制动量飞轮，已逐步形成型谱化产品，目前已服役于以风云系列为代表的气象 海洋 环境监测及多个军用卫星系列ξ如图 1-1ο，但受限于空间条件下轴承组件的润滑技术瓶颈，设计寿命难以满足卫星长寿命需求 而在轨服役超过 5 年的飞轮产品也陆续暴露出工作电流增大 转速响应异常和卡滞等问题，均被定位于轴承组件润滑状态劣化后的摩擦性能下降 摩擦力矩不稳定等问题，动量轮的润滑问题已成为制约卫星平台技术提升的关键因素

哈尔滨工业大学工学硕士学位件的润滑属于后者[9]，附加供油箱在热膨胀作用下对于偏置动量轮，由于高速运转，使得润滑状远远大于弹性流体动压润滑区(EHL 或 EHD)的值对于反作用飞轮来说，其工作状态长期在低速范围润滑和弹性流体动压润滑区，摩擦主要是由于动压直接接触摩擦 液体润滑中摩擦系数随 λ 值的变化

【参考文献】

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本文编号：2723494