一种空间精密轴承润滑油脂供给装置及其设计方法

技术领域

本发明属于空间微型轴承自动供油长效润滑技术领域，涉及一种空间精密轴承润滑油脂供给装置及其设计方法。

背景技术

卫星等空间飞行器一般在外空间飞行工作数年，姿控飞轮系统是重要的飞行控制装置，超精密轴承是飞轮转子系统的核心部件，轴承要求摩擦功耗低、运转精度高，需要自带润滑油或者润滑脂。但是真空和半真空环境是一类特殊的工况，在这种工况下，要求轴承一次性自带润滑油工作3-7年，另外，压强下降，使润滑油蒸发量增加，因此，含油轴承保持架自带的润滑油/脂往往无法满足使用要求，需要在狭小的空间内自带润滑油/脂，并且能够实现在空天环境下连续供油，这对轴承的润滑提出了苛刻要求。

现有空天环境精密轴承贮油装置大都采用多孔材料或供油绳这两种方式来为精密轴承提供润滑。多孔材料贮油润滑装置利用离心力，将多孔材料内贮存的润滑油慢慢地渗透轴承的润滑部位。但是，该装置储油量与材料强度之间存在矛盾关系，设计储油量增加就会造成设计强度降低，降低该装置的使用寿命。另外，由于该装置采用多孔材料，因此，润滑油在真空、半真空环境下蒸发损失严重；此外，由于多孔材料的毛细管力，润滑油在该装置内会有残余不能全部利用，这就造成该装置润滑油供油速率不可控且润滑油利用效率比较低。供油绳贮油润滑装置是另外一种常用的方式，油绳在一弹簧轻微压迫下与轴承内圈相邻的锥形套筒接触，这种接触产生的摩擦引起了油沿着套筒较大的一端不断迁移，在离心力作用下进入轴承，油绳从蓄油器中吸收油，借助毛细管作用，向轴承连续不断地供油，该装置受机械加工精度影响，造成供油绳供油速率较快，润滑供油速率不可控。

根据液体密封理论，由于液体泄漏速率与结构表面粗糙度及过盈接触压力存在函数关系，基于此，本发明设计了一种新型的空间精密轴承润滑油脂供给装置。相比于目前常用的空天环境超精密轴承贮油润滑装置，本发明能通过调整过盈量、表面粗糙度及转速等因素来调整渗油速率，从而达到根据轴承服务时间控制润滑时间，实现控制润滑供油速率的目的。另外，由于该发明充分利用了轴承装置内部空间，极大地提高了储油量，相比目前常用的贮油润滑装置，储油量可多出1-2倍，实现精准长时间供油，且供油系统结构简单、可靠性高。

发明内容

本发明针对现有空天环境精密轴承润滑装置润滑油供油速率不可控及储油量低等缺点，设计了一种新型空天环境精密轴承贮油润滑装置并相应提出了设计方法，该装置采用双套筒过盈配合的方式，两套筒间存放润滑油，当整体旋转时，在离心作用下，内部的润滑油从接触配合处不断泄漏出去，对外部的轴承装置进行供油。该新型供油装置实现了供油速率可控及高储油的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种空间精密轴承润滑油脂供给装置，包括内套筒1和外套筒2，两套筒间存放润滑油3，轴16设于内套筒1内。

所述的内套筒1上下两端分别向外加工有环形凸台A4和环形凸台B5，凸台A4和凸台B5的外表面A6和外表面B7加工有一定的粗糙度。内套筒1和外套筒2采用过盈配合的方式装配在一起，使得内套筒1两端凸台的外表面A6和外表面B7与外套筒2的内表面8紧密贴合，形成一定的过盈量在0.001-1mm之间。内套筒1和外套筒2装配好后形成的空腔内放置润滑油3。

所述的内套筒1的环形凸台A4上加工有一通孔9，通孔9由两部分组成。所述通孔9下半部分向环形凸台A4内侧加工有一环形凹槽10，环形凹槽10内放置橡胶圈11，橡胶圈11与凹槽10的内壁吻合，且橡胶圈11凸出凹槽10，即橡胶圈11直径大于环形凹槽10深度。所述通孔9上半部分加工有螺纹结构A12。所述的润滑油3由通孔9注入内套筒1和外套筒2装配好后形成的空腔内后，螺纹杆13旋入通孔9内，起到密封作用。

所述的螺纹杆13由两部分组成：下半段为光滑表面14，上半段设有螺纹结构B15。所述螺纹结构B15与通孔9的螺纹结构A12相互吻合，保证螺纹杆13可以旋入通孔9中。所述螺纹杆13具有光滑表面14的部分，其外径小于螺纹结构A12的内径，但大于凹槽10内放置的橡胶圈11的内径，保证螺纹杆13旋入通孔9后，橡胶圈11受到挤压，起到密封效果。当轴16旋转时，将带动内套筒1和外套筒2一起转动，储存于内套筒1和外套筒2中的润滑油3由于惯性作用会被挤压，内套筒1两端的凸台4和凸台5的外表面A6和外表面B7与外套筒2的内表面8紧密贴合，但外表面A6和外表面B7加工有一定的粗糙度，其与外套筒2的内表面8接触的地方会形成缝隙，润滑油便会从缝隙中挤出来，进入到周围的轴承中，从而起到润滑轴承的作用。

一种空间精密轴承润滑油脂供给装置的设计方法，包括以下步骤：

第一步，根据装置实际所需的润滑时间确定总时间t

第二步，确定空间精密轴承润滑油脂供给装置的目标初始泄漏率q

所述空间精密轴承润滑油脂供给装置通过离心作用使内部的润滑油3在接触处产生压力从而实现润滑油3在凸台4和凸台5的外表面A6和外表面B7与外套筒2的内表面8接触处泄漏。但是随着润滑油3的不断泄漏，其在接触处产生的压力会逐渐减小，从而导致泄漏率也会不断减小。所以泄漏率是一个随时间变化的量，其表达式为：

其中，q

从公式(1)可以看出，泄漏率随时间变化的函数只与初始泄漏率q

在给定了储油总体积V

其中，α是泄漏比率，即泄漏的油量与总油量的比值，取值范围为0～1，在实际中一般为定值，根据实际工况确定；t

这样就确定了结构的目标初始泄漏率q

第三步，根据轴承实际工况所需的润滑油供油速率q

通过公式(1)可以发现，泄漏率是随着时间单调减小的，若要工作期间其泄漏率始终大于q

其中，q

通过数值求解对公式(3)进行求解，可以得到最小初始泄漏率q

第四步，判断目标初始泄漏率q

第五步，给定初始过盈量δ

1)根据空间精密轴承润滑油脂供给装置的整体尺寸参数以及给定的初始过盈量δ

2)对于总体积为V

3)通过接触处的接触压力平均值P

其中，K表示一常量取值范围为0.0003—0.003；E′表示等效弹性模量；f是中间变量；h表示接触处名义膜厚；σ表示均方根表面粗糙度；E

4)根据求出的名义膜厚h以及润滑油脂供给装置的参数和润滑油动力粘度，求出润滑油脂供给装置在具体情况下的初始泄漏率q

其中，Φ

第六步，判断理论初始泄漏率q

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

相比于目前常用的空天环境超精密轴承贮油润滑装置，本发明能通过调整过盈量、表面粗糙度及转速等因素来调整渗油速率，从而达到根据轴承服务时间控制润滑时间，实现控制润滑供油速率的目的，另外，由于该发明充分利用了轴承装置内部空间，极大地提高了储油量，相比目前常用的贮油润滑装置，储油量可多出1-2倍，实现精准长时间供油，且供油系统结构简单、可靠性高。

附图说明

图1为空间精密轴承装配示意图；

图2为空间精密轴承润滑油脂供给装置放大图；

图3为空间精密轴承润滑油脂供给装置局部放大图(图2中区域A)；图3(a)为螺纹杆结构示意图，图3(b)为通孔与环形凹槽结构示意图；

图4为空间精密轴承润滑油脂供给装置局部放大图(图2中区域B)；

图5为一种空间精密轴承润滑油脂供给装置的设计流程图；

图6为具体实施例中涉及到的空间精密轴承润滑油脂供给装置的几何尺寸。

图中：1内套筒；2外套筒；3润滑油；4环形凸台A；5环形凸台B；6凸台A外表面；7凸台B外表面；8外套筒内表面；9通孔；10环形凹槽；11橡胶圈；12螺纹结构A；13螺纹杆；14光滑表面；15螺纹结构B；16轴。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种空间精密轴承润滑油脂供给装置，包括内套筒1和外套筒2，两套筒间存放润滑油3，轴16设于内套筒1内。

所述的内套筒1上下两端分别向外加工有环形凸台A4和环形凸台B5，凸台A4和凸台B5的外表面A6和外表面B7加工粗糙度Ra在0.1-1000微米之间。内套筒1和外套筒2采用过盈配合的方式装配在一起，使得内套筒1两端凸台的外表面A6和外表面B7与外套筒2的内表面8紧密贴合，形成一定的过盈量。内套筒1和外套筒2装配好后形成的空腔内放置润滑油3。

所述的内套筒1的环形凸台A4上加工有一通孔9，通孔9由两部分组成。所述通孔9下方向环形凸台A4内侧加工有一环形凹槽10，环形凹槽10内放置橡胶圈11，橡胶圈11与凹槽10的内壁吻合，且橡胶圈11凸出凹槽10，即橡胶圈11直径大于环形凹槽10深度。所述通孔9上方部分加工有螺纹结构A12。所述的润滑油3由通孔9注入内套筒1和外套筒2装配好后形成的空腔内后，螺纹杆13旋入通孔9内，起到密封作用。

所述的螺纹杆13由两部分组成：下方为光滑表面14，上方设有螺纹结构B15。所述螺纹结构B15与通孔9的螺纹结构A12相互吻合，保证螺纹杆13可以旋入通孔9中。所述螺纹杆13具有光滑表面14的部分，其外径小于螺纹结构A12的内径，但大于凹槽10内放置的橡胶圈11的内径，保证螺纹杆13旋入通孔9后，橡胶圈11受到挤压，起到密封效果。该供给装置可以是随着轴承的轴16旋转的方式，也可以是随着轴承的外套旋转的方式，两种方式都可以通过离心作用达到供油功能。

一种空间精密轴承润滑油脂供给装置的设计方法，包括以下步骤：

第一步，根据装置实际所需(实际工况条件下，在此仅任意举一示例)的润滑时间确定总时间t

第二步，确定结构的目标初始泄漏率q

在给定了储油总体积V

这样就确定了结构的目标初始泄漏率q

第三步，根据轴承实际工况所需的润滑油供油速率q

可以得到最小初始泄漏率q

第四步，在此实施例中，比较q

第五步，给定初始过盈量δ

1)根据结构的整体尺寸参数以及给定的初始过盈量δ

2)对于总体积为V

3)通过接触处的接触压力平均值P

其中，取K＝0.003，E

4)根据求出的名义膜厚h以及结构的参数和润滑油性质，求出结构在具体情况下的初始泄漏率q

其中，Φ

第六步，判断理论初始泄漏率q

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。