液体空间润滑剂的现状与发展
2022-09-23
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维普资讯 http://www.cqvip.com 2006年6月 润滑与密封 june"2006 第6期(总第178期) LUBRICATION ENGINEERING No.6(serial No.178) 液体空间润滑剂的现状与发展 陈晓伟梁宇翔 (中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院北京100083) ; 摘要:空问润滑剂对于宇航飞行器的安全性,町靠性至关重要。综述r液体空间润滑剂的现状及发展,介绍了几种 +新型液体空问润滑剂的性能、合成方法。 ± 关键词:液体空间润滑剂;润滑;摩擦磨损 中图分类号:V317.1文献标识码:A文章编号:0254—0150(2006)6—176—3 Status and Development of Liquid Space Lubricants Chen Xiaowei Liang Yuxiang (Research Institute of Petroleum Processing,SINOPEC,Beijing 1 00083,China) Abstract:The space lubricants are crucial to spacecraft’S reliability and safty.Along with the development of space in— dustry,people continuously search after new base materials.The status and development of liquid space lubricants was re— viewed.The properties and synthetic methods of several new type liquid space lubricants were introduced. Keywords:liquid space lubricants;lubrication;frication and wear 由于人们对润滑剂与航天技术的关系认识不足, 等。因此液体润滑剂逐渐被应用于宇航、卫星等空间 所以在航天事业发展的前期,润滑剂的影响被低估 装置中。但是液体空间润滑剂必须具备一些普通液体 了。随着航天科技的进步,研究者在分析了历来空间 润滑剂所不具备的性能,如在极低的环境温度下能保 装置失效的原因后发现,除了由于空间装置中的部 持较低的粘度和较小的启动力矩;在高温强辐射条件 件,例如电子元件、电池、热和光学系统等失效引 下有良好的热化学稳定性,不产生腐蚀性降解产物, 起…之外,运转部件、轴承的润滑和摩擦、磨损等摩 使宇航设备能长期稳定地运转;在很高的单位负载下 擦学问题也是造成这些装置失效的重要原因 。于 能保持良好的润滑和很低的摩擦磨损;特别是在极低 是,如何实现高效润滑及开发新型空间润滑剂的工作 的压力下(高真空下)液体润滑剂不挥发,在轴承 成为各国空间摩擦磨损科学家研究的热点。 和运转部件问仍能保持良好的润滑膜,以适应特殊的 在空间高真空条件下,矿物油易挥发,不仅会引 空间润滑环境,确保宇航空间装置能长期可靠地工 起润滑不良现象的发生,而且挥发物很容易造成污 作。 染,所以在空间润滑剂发展的初期,人们主要使用的 1 空间润滑剂的发展 是固体润滑剂。但是固体润滑剂存在一些很难克服的 空间润滑剂首先要解决的就是在空间高真空条件 缺陷,主要是油膜被破坏后很难恢复,而且固体润滑 下如何保证润滑的问题。因此,讨论空间润滑剂的发 剂的摩擦阻力较大,能量消耗也较大。20世纪70年 展首先要从真空润滑开始。关于真空中的润滑,人们 代以后,由于能源危机、汽车等民用工业技术的进步 早在1939年就对x射线管的旋转式对阴极靶的轴承 等多方面原因,通过化学合成方法研制的润滑剂即合 试用银膜润滑 。进入20世纪50年代,由于航犬事 成润滑剂的技术迅速发展,能够满足不同使用性能的 业发展的需要,空间润滑剂也得到了很快的发展。经 合成润滑剂不断涌现。液体润滑剂本身具有诸多优 历了由初期的以矿物油为主的液体润滑剂,到后来的 点:(1)润滑油膜破裂后能迅速流入摩擦区域形成 固体润滑剂,再到现在的液体润滑剂逐渐被应用到空 新的油膜,即具有流体特有的自我修补的性能;(2) 间润滑领域的发展过程。 不产生不可预测的固体杂质,且可以带走磨损物; 关于液体卒问润滑剂的发展,大体上经历了以下 (3)在弹流区的摩擦力矩小、磨损低;(4)机械噪 几个阶段: 声小;(5)容易补充;(6)对环境因素不敏感 (1)在20世纪60年代,第一代液体空间润滑剂 主要是矿物油。由于矿物油中的轻质组分在空间高真 收稿日期:2005—09—09 空下很容易挥发,产生润滑不良、污染等许多问题, 作者简介:陈晓伟(1972一),男,硕士,主要从事特种润滑 因而很快就被第二代液体空间润滑剂所取代。 油及添加剂的研发工作.E-mail:chenxw@ripp—sinopec.com. (2)20世纪70年代,第二代液体空间润滑剂的 维普资讯 http://www.cqvip.com 2006年第6期 陈晓伟等:液体空间润滑剂的现状与发展 177 代表是酯类油和全氟醚合成油。酯类油首先是为满足 对全氟醚油分解还起催化作用,使更多的全氟醚油分 燃气涡轮发动机润滑要求而发展起来的,具有优良的 解 ];而且,它的溶解性差,多数的添加剂很难溶 高低温性能和高的粘度指数,对添加剂和发动机高温 于其中,因此不易用添加剂来改善它的某些性能。此 下产生的油泥有优异的溶解能力。此外,其摩擦因数 外,全氟醚油很稠,这必然比其它润滑剂消耗更多的 低,可以降低能耗。但是,酯类油的挥发性还是比较 能量。 高,也不是很理想的空间润滑剂。由于全氟醚油具有 (3)为了改进第二代液体空间润滑剂的使用性 良好的热化学稳定性、优良的粘温性质、低的倾点和 能,2O世纪9O年代开始,人们开始了第三代液体空 低的蒸发性、良好的极压性,因此成为当时主要的液 间润滑剂的开发工作。第三代液体空间润滑剂主要是 体空间润滑剂,主要用于液体火箭发动机中液体燃料 一些低挥发性合成烃油如聚 -烯烃(PAO)、碳氢硅 和氧化剂系统的齿轮泵、阀门、调节器、压力表、金 油(SiHC)和多烷基环戊烷(MAC)。 属接头和螺纹紧固件的润滑和密封,还可用于宇航飞 2新型液体空间润滑剂的种类及性能 船供氧系统的管线、阀门、填料以及输送呼吸用氧气 2.1聚 -烯烃(PAO) 的轴流送风机的轴承、宇航员供氧装置部件的润滑和 PAO油具有良好的润滑性、热氧化安定性和剪 密封。但是研究者也发现全氟醚油在边界润滑条件下 切稳定性,还有较好的粘温性质,能够比较好地适应 与Lewis酸 l、某些金属和金属氧化物 ”接触时 空间苛刻的润滑环境,但其饱和蒸气压以及与极性添 会发生分解,产生腐蚀性的酸,导致轴承和运转部件 加剂的溶解性也有待提高。表1是作为空间润滑剂的 的过分磨损和失效 ,而分解形成的金属氟化物PAO油的一些典型数据。 表1 PAO油的典型性质 2 2碳氢硅油(SiHC)‘ 摩擦因数,与碳氢油中使用的各种添加剂有良好的相 SiHC是一种挥发性很低的高分子化合物,通过 溶性。可以通过添加抗磨添加剂来改善其润滑性能, 改变其碳链的长度,可以生产出一系列具有不同粘度 其润滑性能见表2。所以,SiHC有可能作为一种新型 的化合物。它的性质与烃相似而与硅的关系不明显。 的合成润滑剂而应用于太空装置中,不过其复杂的合 碳氢硅油不像硅酸酯那样容易水解,比烃有更高的热 成工艺,昂贵的原料价格,对其应用有较大的影响。 安定性。 作为空间润滑剂的SiHC的典型数据见表3。 2.2.1碳氢硅油的合成 表2碳氢硅油的润滑性能 1988年,J L卡吉米拉等合成了分子中含3个硅 原子的碳氢硅油,合成路线如下: H2SiCI2+2H zC ̄CH(CH z)4CH=CH 2 : CI I cH2一cH(cH2)6 si(CH2)6cH—cH CI ‘ I cH2=cH(c H2) ‘ Il cH2=cH(c ‘ I(cIcH2{2 )6C H=CH ̄H= CH ̄+2SIC I1:3型 二二 = 表3碳氢硅油的典型性能 cl3 sI(cH2)8 i(CH2)sSiCI3+8RLi—啼Rj si(cH2)#草i(cH2)BsiR3 CI R 2.2.2碳氢硅油的性能 2.3多烷基环戊烷(MAC) SiHC具有高的粘度指数、极低的挥发性、低的 MAC是一种接近单分子的化合物,具有很低的 维普资讯 http://www.cqvip.com 178 润滑与密封 总第178期 挥发性和饱和蒸气压,优良的高低温性能和润滑性 能,以及与添加剂有良好的互溶性。它是当今世界各 ~R on (c 。 国液体空间润滑剂研究的重点,并在美、日等国得到 了实际应用。 2.3.1 多烷基环戊烷的合成 2.3.2‘多烷基环戊烷的性质 Venier等 用PAO和全氟醚油为参照,研究了 其合成方法是首先制备多烷基环戊二烯,然后氢 化得到MAC。制备多烷基环戊二烯,有2种方法¨ : (1)用卤代烷与环戊二烯进行相转移烷基化反应; MAC的性能,表明MAC具有较小的蒸气压,与全氟 醚油相当,优于PAO;其压一粘系数与PAO和全氟醚 油相似。此外,MAC的抗磨性能优于PAO和全氟醚 油,其抗氧性能与PAO类似。William¨引等人用真空 (2)用脂肪醇与环戊二烯进行脱水烷基化反应。 四球摩擦试验机对几种空间润滑剂进行了评价。表明 MAC的磨损率低于全氟醚油和PAO,略高于SiHC, H H 添加了添加剂的MAC的磨损率比没有添加剂的MAC 碱 低36%;通过红外光谱分析和Raman光谱分析, H MAC润滑的表面沉积物只有烷烃物质和石墨状碳, (I JCH 3CH 2n 所以表面非常干净。目前,MAC润滑剂已在美国等 ! 三 : : ! R (2)RX(X;Br.CI) 国家的很多通讯卫星和其它宇航装置中得到了应用, 50%NaOH.RBr 取得了很好的效果。特别是MAC是一种烃类化合物, R PhCH 2N(Et) CI 能溶解常规的抗磨添加剂,解决了全氟醚油在使用中 聚乙二醇.KOH 很多潜在的问题,今后极有可能在太空装置中全面推 ——-—,—------・-----———■ RBr,醚 R 广应用。MAC典型数据见表4。 表4 MAC的典型性质 3我国空间润滑剂的现状 航天事业发展的需求。 从20世纪50年代开始,美国和前苏联在宇航领 参考文献 域就展开了激烈的竞争,取得了卓越的成果。稍后, 【l】Fleischauer P D,Hiton M R.Assesement of the tribological 我国的航天事业起步,经过近40年的发展也取得了 requirements of advanced spacecraft mechanisms[R].Report 辉煌的成就,成为继美、俄之后第三个能够发射宇航 No.TOF-O090.(5064)一1,Aerospace Corporation.El Se— gundo,CA。1991. 飞船的国家。尽管我国在航天科技中已经掌握了I许多 【2】JonesW R Jr.et a1.The preliminary evaluation of liquid lubri. 先进的技术,但是我国在一些基础研究的领域和重要 cants for space applications by vacuum tribonmetyr[c].Proc 环节上,距世界先进水平还有一定的差距,其中就包 of 28th Aerospace M ECH Syrup NASA Lewis Research Cen・ 括空间润滑剂。20世纪末,世界上一些先进国家, ter.Cleveland,1 994. 特别是美国已开始使用性能优良的第三代空间润滑 【3】田烈光.新型合成润滑剂多烷基环戊烷[J].合成润滑材 剂,而我国还停留在第二代的水平上。 料,1992(3):17. 目前,通过我国科研工作人员的不懈努力,新型 Tian Lieguang.New synthetic lubricant—multiply-alkylated cy— clopentanes[J].Synthetic Lubricants,1992(3):17. 液体空间润滑剂的研发工作已取得了极大进展。中石 【4】西村允.L允<j与 弓c二挡;于弓匕 尢加,); 匕 ,) 化石油化工科学研究院已成功研发出MAC合成烃, [J].L尢<{,1999,42(9):791. 并在此基础上开发出卫星陀螺马达润滑油、空间谐波 【5】Kessler G,Mahn G.Structure and vacuum firctional proper- 齿轮润滑脂等高性能产品;另外,SiHC合成油的研 ties of solid lubricant iflms[J].Lubr Eng,1967,23(A): 发工作也正在进行。 372—379. 4结束语 【6】Zehe W J,Faut 0 D.Acidic attack of perfluorinated alkyl 航天事业的发展不仅标志着一个国家科学技术发 ether lubricant molecules by metal oxide suffaces『J 1.Trib Trans,1990,33(4):634. 展的水平,而且蕴涵着巨大的经济利益。相信不久的 【7】Cane D工The reaction of perfluoropolyalkylether oil with FeF3, 将来,随着我国科研能力的不断提升,将会不断涌现 AIF3 and AICI3 at elevated temperatures[J].ASLE Trans, 出达到世界领先水平的液体空间润滑剂,来满足我国 1985,28(1):40. (下转第188页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 188 润滑与密封 总第178期 2 改进后的线切割机上下导轮轴承气压密封装置 压缩空气发生装置如图5所示,包括气泵、压力 改进后的线切割机上下导轮轴承气压密封装置如 表、水分离器、气阀和供气嘴。气泵、压力表、水分 图3所示,包括轴承套、轴承、轴承压盖、导轮、进 离器、气阀和供气嘴依次连接。供气嘴通过进气管与 气管、管接头及压缩空气发生装置。轴承装于轴承套 各轴承压盖上的管接头连接。 中,用轴承压盖压紧,导轮装于左右两组轴承之问。 轴承压盖上设有通孔,通孔中装有管接头,进气管的 一端通过管接头与轴承压盖内轴承室连通,进气管的 另一端与压缩空气发生装置的供气嘴相接。改进后的 线切割机如图4所示。 1 2 3 4 5 6 进管轴轴轴导 图5 改进后的线切割机的压缩空气发生装置 气接承承承轮 管头压套 工作时,压缩空气发生装置产生的压缩空气通入 盖 上下导轮总成的左右轴承室中,在压缩空气的作用 下,轴承室中具有一定气压,使切削液不能流入轴承 室,避免了切削液中的金属粉末对轴承造成磨损。 3 结束语 图3 改进后的线切割机一I-下导轮轴承气压密封装置的构造图 该气压密封装置已获得发明专利,并已应用到r 1.绕丝滚筒 实际当中,结果表明,改进后轴承的使用寿命可以延 2.钼丝 3.后导轮 长到1—2年。该项技术只是在原有线切割机的基础 进气管 5.立柱 上进行了一些改造,改造成本不大,但是可以使轴承 6+上支捧臂 7.上导轮总成 的使用寿命至少延长4~5倍,因此经济效益显著。 8,9.切削渣喷嘴 1O.下支撑臀 该气压密封装置的原理也可以应用到其它设备中。 l1.下导轮总成 12 12.床身 参考文献 【1】王立新.线切割机.I-下导轮轴承气压密封装置:中国。 图4改进后的线切割机的构造示意图 CN2637069 ̄fP].2004—09—01. 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