空间环境下高速轴承润滑、失效机理及长寿命验证方法研究

The high-speed precision ball bearing is usually applied as rotating support in space moving mechanisms such as fly wheel, control momentum gyro, etc. And the space moving mechanisms have been the bottleneck of the satellites performance. The bearing lubrication technique is the key point for improving the life of the space moving mechanisms from 8~10 years to over than 15 years. However, the study of space high-speed bearing has not figured out the bearing lubrication and failure mechanism and lacks long-life validation methods, which restricts the life improvement of the medium and high orbit satellites in China. In this project, the method integrating with experimental analysis, theoretical modeling and numerical simulation is used to explore the lubrication mechanism of space high-speed rolling bearings, find out the distribution and migration mechanism of bearing lubricant, reveal the influence of space environment on the lubrication property, clear the failure mechanism and finally propose the effective long-life verification method for space high-speed bearings. This investigation will solve the key fundamental problems for achieving long-life of the space moving mechanisms, which indicates a great academic valueand economic value.

空间飞轮、控制力矩陀螺等高速活动机构普遍采用油润滑滚动轴承进行回转支承，是影响卫星平台性能的瓶颈。轴承润滑技术是将空间活动机构的寿命从目前的8~10年提高到15 年以上的关键。目前对空间高速轴承润滑和失效机理认识尚不清楚，并且缺乏相应的长寿命验证手段，严重制约了我国中高轨卫星寿命的提高。本项目拟采取实验研究、理论建模和数值模拟相结合的方法探索空间高速滚动轴承润滑机理，掌握润滑介质的分布、迁移机制，揭示空间环境对润滑特性的影响规律，明确空间高速轴承失效机理并提出长寿命验证和评估方法。项目研究有望解决空间活动机构长寿命、高稳定性应用相关的重大基础问题，具有重要的学术价值和经济价值。

本项目旨在探索空间高速滚动轴承润滑机理，掌握空间高速轴承内润滑介质的分布迁移机制、润滑特性和机理、失效机理和长寿命验证方法，主要在以下方面取得了进展。.1、基于薄层液体铺展动力学和体积分数法，揭示了轴承腔内润滑介质分布和迁移规律；建立了空间轴承完全动力学模型，全面考虑了轴承各元件间的相互作用和空间因素的影响，为空间轴承的性能分析、优化设计提供了有效分析手段。.2、揭示了空间环境高低温、微重力对轴承动力学行为、打滑及润滑性能的影响规律；揭示了保持架失稳的主要机理：滚动拖动系数、滚动体-兜孔间接触刚度、摩擦系数和间隙比等显著影响保持架受到的冲击力，导致保持架受到偏载而失稳。.3、阐明了孔径、孔隙率等参数对润滑油析出和吸入的影响规律，提出了润滑油渗流模型；揭示了空间轴承多孔含油保持架中润滑介质析入析出机理，提出了合理的孔径尺寸；发展了提高保持架材料油保持率的新方法。研究结果可对含油轴承保持架孔隙结构的筛选与设计、供油速率及寿命预测提供理论指导。.4、建立了空间轴承多孔含油保持架材料孔隙结构与含油润滑、摩擦磨损行为之间的关联关系，揭示了高温、真空环境下保持架材料的润滑机制,为多孔含油保持架孔隙结构的优化设计提供了理论支持；阐明了含油保持架的磨损失效机制，初步建立了磨损失效评价方法，为轴承失效分析提供了指导，同时为空间轴承保持架耐磨性的筛选和产品性能提高提供了有效手段。.5、建立了空间高速轴承微量油润滑寿命试验方法，实现了空间轴承润滑寿命的加速试验评价，揭示了润滑添加剂、摩擦副配伍和表面缺陷等对空间润滑油润滑寿命的影响；建立了乏数据下的空间长寿命高速轴系寿命评估方法，解决了目前高速轴系剩余寿命预测与长寿命验证的难题。项目研究成果为空间高速轴承高可靠在轨应用奠定了基础，有望大幅提高飞轮、控制力矩陀螺等空间活动机构产品的关键性能和寿命，为航天器在轨15年以上可靠运行提供技术保障。