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姿控飞轮摩擦学系统关键技术研究

作　者: 黄敦新
导　师: 吴一辉
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 姿控飞轮固-液复合润滑摩擦寿命分子流 Si3N4混合陶瓷轴承失效
分类号: V423.42
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文从卫星对其姿控飞轮性能更高地要求出发,对影响姿控飞轮轴系性能的关键问题进行研究,以期获得长寿命、高性能和高可靠性的摩擦学系统,进而提高卫星寿命和控制精度。针对飞轮润滑系统采用油润滑时低速性能差、转速范围窄,而固体润滑寿命短、摩擦系数大等问题,提出采用固-液复合润滑技术为轴承提供润滑以改善其在启动和低速状态的性能,并实现其低摩擦、宽转速和精确控制等目标。基于液体润滑理论及固体润滑技术,结合摩擦学和界面化学研究固-液复合润滑的可行性;并从材料学、摩擦学、界面化学及流体力学等学科交叉融合的角度,采用理论分析和实验相结合的研究方法分析固-液复合润滑系统的摩擦磨损性能和机理。首先建立了固-液复合润滑在零速启动、边界润滑、混合润滑及弹流润滑摩擦模型,并对各状态下的减摩机制进行研究;并建立球-盘式摩擦学试验系统,先后完成对磁控溅射MoS2膜和化学气相沉积DLC膜的摩擦和磨损试验,从试验角度研究润滑条件、速度和载荷对其摩擦学特性的影响,进而分析膜层减摩机制和耐磨特性,从而为固-液复合润滑的应用提供理论和实验依据。理论和试验结果表明:固-液复合润滑能有效改善摩擦副润滑性能,在零速启动、边界润滑、混合润滑或弹流润滑等各状态下的摩擦系数均得到有效降低,零速启动和低速时性能的改善可提高飞轮的可靠性和控制精度,而中高速时摩擦的改善要有效降低飞轮功耗,延长卫星寿命。由于MoS2膜的减摩效果优于DLC膜,其在提高飞轮过“零”性能和提高低速控制精度等方面更具有优势,但MoS2膜在有液体润滑剂的条件下耐磨性能磨损寿命明显降低;DLC膜在有液体润滑剂时的磨损寿命反而提高,能更长久发挥固-液复合润滑性能的优势,对降低飞轮电机功耗、延长卫星寿命具有重要意义。为研究润滑剂空间挥发损失及其对轴系润滑寿命的影响,建立了飞轮轴系润滑系统油气分子物理循环模型,并完成模拟真空条件下润滑油的挥发试验;通过理论和试验结果的对比分析,提出降低轴系流导,减少润滑油的挥发损失率,对提高轴系润滑寿命具有重要意义。通过干摩擦条件下的运转试验和对电流特性和摩擦表面形貌的分析,研究润滑不良时氮化硅陶瓷球混合轴承的临界失效特性,对分析飞轮轴系临界性能具有重要意义。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第1章绪论  14-28
  1.1 课题研究背景及意义  14-16
  1.2 相关领域的研究现状  16-25
    1.2.1 液体润滑及润滑寿命  16-20
    1.2.2 固体润滑  20-21
    1.2.3 固-液复合润滑  21-24
    1.2.4 陶瓷球临界性能  24-25
  1.3 论文的主要研究内容和论文结构安排  25-28
    1.3.1 研究对象  25
    1.3.2 论文工作的主要内容  25-26
    1.3.3 论文的结构安排  26-28
第2章润滑剂分子流失及轴承润滑寿命  28-38
  2.1 引言  28
  2.2 理论分析  28-35
    2.2.1 轴系结构  28-30
    2.2.2 油气损失模型  30-32
    2.2.3 流导及流率模型  32-35
  2.3 试验部分  35-37
    2.3.1 真空挥发试验  35-36
    2.3.2 结果与讨论  36-37
  2.4 本章小结  37-38
第3章陶瓷球轴承失效特性分析  38-50
  3.1 引言  38-39
  3.2 实验部分  39-41
    3.2.1 试验材料  39-40
    3.2.2 转矩特性测试  40-41
    3.2.3 磨损形貌及磨屑分析  41
  3.3 结果与分析  41-48
    3.3.1 驱动特性  41-42
    3.3.2 表面磨损分析  42-45
    3.3.3 磨屑分析  45-47
    3.3.4 失效分析及讨论  47-48
  3.4 本章小结  48-50
第4章固-液复合润滑研究  50-70
  4.1 引言  50-51
  4.2 固-液复合可行性  51-56
    4.2.1 边界膜形成  52-54
    4.2.2 润湿铺展效果  54-56
  4.3 固液复合润滑减摩机制  56-65
    4.3.1 边界润滑摩擦模型  56-61
    4.3.2 “零”速启动摩擦模型  61-63
    4.3.3 弹流润滑摩擦模型  63-64
    4.3.4 混合润滑摩擦模型  64-65
  4.4 固液复合润滑膜层寿命  65-68
  4.5 本章小结  68-70
第5章 MoS_2膜固-液复合润滑性能研究  70-84
  5.1 引言  70-71
  5.2 摩擦学试验  71-74
    5.2.1 试验原理及结构  71-72
    5.2.2 试验器材  72-73
    5.2.3 试验方案  73-74
  5.3 试验结果及讨论  74-83
    5.3.1 摩擦系数及减摩特性  74-77
    5.3.2 膜层磨损特性及膜层寿命  77-83
  5.4 本章小结  83-84
第6章 DLC 膜固-液复合润滑性能研究  84-96
  6.1 引言  84-85
  6.2 摩擦学试验  85-86
    6.2.1 试验用DLC 膜层  85-86
    6.2.2 试验原理、方法及方案  86
  6.3 试验结果及讨论  86-93
    6.3.1 摩擦系数及减摩特性  86-90
    6.3.2 膜层磨损特性及膜层寿命  90-93
  6.4 本章小结  93-96
第7章结论与展望  96-98
参考文献  98-108
在学期间学术成果情况  108-109
指导教师及作者简介  109-110
致谢  110

姿控飞轮摩擦学系统关键技术研究

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