超高分子聚乙烯瞬动机构温度适应性及寿命

杜翠玲，黄飞波，梅宇飞，刘克刚，薛建军，罗华北

（1.上海航空电器有限公司，上海 201101；2.空装驻上海地区第三军事代表室，上海 201101）

0 引言

航空领域对在高低温下运行的军用装备具有严苛的可靠性要求。因为温度过高和过低几乎对所有的材料都有不利影响。航空用带瞬动功能的波段开关作为一种在通信设备中起电路和信号转换或选择作用的新型基础元器件，其瞬动功能由瞬动机构-滑动件钢球、基座组成的金属-高分子摩擦副，在旋转力矩的施加下，产生滑动摩擦实现。因此瞬动机构的耐磨损性和温度环境适应性直接决定着产品的可靠性[1-6]。

然而近年来，瞬动机构的基座容易产生磨损导致某型波段开关卡滞、失效现象愈发突出，轻则影响装备的性能和战斗力，重则给飞行安全及国家财产带来巨大损失，严重地制约着军用装备的整体作战效率[7-12]。

超高分子量聚乙烯作为低磨损固体润滑材料之一，由于具有优良的低温/高温润滑特性，目前已经代替多种金属材料广泛地应用在各种摩擦副中[13-15]。但是其机械性能较差，这要求设计者在实际应用中对其机械性能进行量化评价，从而使其既能达到超低磨损水平又能保证构件的力学性能。基于此，文中采用超高分子聚乙烯滑动件代替钢球，与基座构成摩擦副，研究超高分子聚乙烯瞬动机构的高低温环境适应性和瞬动寿命，解决某型瞬动波段开关磨损失效问题。本文研究了超高分子量聚乙烯在高低温环境下的机械性能，对超高分子聚量乙烯在航空用其他摩擦副上的应用具有指导意义。

1 某型波段开关瞬动摩擦副工作机制和结构

某波段开关为航空机载基础重点型号电子元器件，最初是参照进口英制产品自主仿制开发，产品主要功能为控制机载电路的通断。与常规波段开关不同的是，此系列开关具有瞬动功能，即在特定的档位释放操作力后会在自身机构的作用下自动回位到上一档位，实现“自复位” 功能，如图1 所示。

图1 某型瞬动波段开关瞬动功能动作示意

瞬动机构和功能原理如图2 所示。瞬动机构力学结构由配合基座、钢球瞬动斜面和弹簧构成。旋转分度盘时，钢球在弹簧力的作用下，与斜坡产生复位作用力，当作用力大于斜坡对钢球摩擦力时，斜坡则带动钢球向“波谷” 运动，从而实现瞬动功能。可以看到，该功能主要由配合基座和滑动件钢球组成的摩擦副实现，需承受40 000 次瞬动循环寿命后，旋转力矩在0.1～0.55 N·m 之间，且力矩衰减不得超过50%。

图2 某型瞬动波段开关瞬动机构示意图

某年某月，某部队现场反映多件某型瞬动波段开关在旋转操作100 次后，出现瞬动不复位的问题。经分析，原因主要在于开关内钢球与配合基座内表面产生运动摩擦，导致基座磨损所致，如图3所示。

2 超高分子聚乙烯瞬动机构设计

2.1 替换材料及结构优化

据查阅产品资料可知，基座材料为玻纤增强酚醛模塑料PM-9630，钢球材料为轴承钢，轴承钢的硬度较高，具有较好的接触疲劳强度、耐磨性和弹性极限，故障初步原因为轴承钢与塑料贴合并经过长时间瞬动摩擦后导致塑料件磨损。查阅大量资料，一般从两个方面考虑解决该故障，即：选择耐环境能力高的材料、结构件或装置；从结构设计上提高装备对预定环境的抵抗能力，或者采取减缓其所在局部环境的严酷度等措施[16]。因此，为降低基座磨损，保证产品瞬动功能可靠性，制定以下方案：

a）提升基座材料的耐磨性；

b）工作条件上，降低接触压力或提高基座和滑动件润滑性；

c）降低滑动件钢球材料硬度，选择比轴承钢硬度低的材料制备滑动件钢球。

采取方案a）时，某型波段开关瞬动基座在选材过程中分别进行了DAP、9610 塑料材质替换，但瞬动寿命试验后均与图3 磨损失效情况一致。若采用金属材质，则加工时波峰-波谷弧度较差，并且耐磨、防腐性无法兼顾，而且后续装配空间受限，故采用金属材质替换基座塑料的可行性较低；采用方案b）时，由于滑动件钢球为标准件，因此需对滑动件进行结构和材料的设计，优化外形如图4 所示，其中滑动面为球面。

图4 某型瞬动波段开关瞬动机构滑动件钢球优化后结构示意图

2.2 瞬动寿命对比验证

查阅大量既往资料得知，军品摩擦副常用塑料材质有聚甲醛POM、PAI、铜球、聚甲醛+玻纤和超高分子聚乙烯辅以配合不同的润滑脂等，采用旋转寿命试验机（如图5 所示）进行旋转寿命试验，具体试验记录如表1 所示。

表1 不同材料滑动件瞬动寿命验证

图5 瞬动寿命试验机及滑动件优化外形

由表1 可以看到，在材质上改善如换成POM材质、添加PTFE 或替换成超高分子量聚乙烯，比使用润滑脂效果更优异。对比替换材质的项目6～9磨损结果，由图6 可看到，试验后的POM 球和POM+30%PTFE 滑动件磨损严重，球形已经磨平。而超高分子量聚乙烯滑动件球形依然明显存在，并且表面光亮，如图7 所示。说明采用超高分子量聚乙烯材质制备滑动件，功能正常，符合设计需求。超高分子量聚乙烯具有良好的耐磨性，良好的抗冲击性、低摩擦系数和自润滑性，因此初步选用超高分子量聚乙烯作为滑动件材料。

图6 聚甲醛及聚四氟乙烯材料磨损示意图

图7 聚甲醛及聚四氟乙烯材料磨损示意图

3 超高分子聚乙烯瞬动机构状态固化及验证

3.1 材料标准及成形工艺的确定

国内外暂无超高分子量聚乙烯统一的棒材标准，难以机加工成型。但GB 32679—2016 《超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）树脂》 规定了颗粒料标准，且采用注塑成形相比于机加成形，具有更高的一致性，因此在标准支撑和质量一致性上优先选择注塑成形。

经调研，上海联乐化工科技有限公司符合我厂国产化和注册资金要求，供应渠道稳定，并且其超高分子量聚乙烯Z-600 有较高的物理性能，其物性表及成型工艺参数如表2～3 和图8 所示。

表2 材料物性表及检验标准

表3 注塑工艺参数

图8 注塑工艺示意图及参数

为确保瞬动机构滑动件质量一致性，故采用注塑成型，下面对成型后的力学性能及高低温环境适应性进行试验验证。

3.2 瞬动机构力矩验证

采用扭矩测试仪测试超高分子聚乙烯滑动件瞬动机构的初始瞬动力矩，如图9 所示。经多次测量，测得最大力矩值在0.15～0.16 N·m，与理论值一致（如图10 所示）。说明采用超高分子量聚乙烯Z-600 制备瞬动部件，瞬动力矩满足设计要求。

图9 超高分子量聚乙烯瞬动机构瞬动功能实测力矩值

图10 转动力矩与转动角度理论关系

3.3 高低温环境试验及力学性能验证

某波段开关在高低温环境中的设计要求为：低温在-55 ℃下贮存72 h、高温在70 ℃下贮存48 h后，产品表面应平整、光滑，无明显机械损伤和缺陷，涂层、镀层应均匀、无脱落。并且操作力矩在0.1～0.55 N·m 之间，力矩衰减不得超过50%，瞬动功能正常。基于此，分别进行以下两种试验评价。

a）GJB 150.3A—2009 《军用装备实验室环境试验方法 第3 部分：高温试验》，即评价贮存期间高低温环境对超高分子聚乙烯瞬动机构的安全性、完整性和性能的影响。

b）GJB 150.4A—2009 《军用装备实验室环境试验方法 第3 部分：低温试验》，即评价贮存期间低温对装备在贮存期间和贮存后的安全性，以及贮存后对装备的性能影响。

通过对大量的文献和军用航空标准进行研究，发现温度过高和过低低温几乎对所有的材料都有不利的影响，会引起多样的材料环境效应。轻则改变装备所用材料的物理性能或尺寸，重则可能会对其工作性能造成暂时或永久性的损害，表4 为材料的高低温环境效应。可以看到，材料的环境效应可能导致超高分子聚乙烯滑动件瞬动机构尺寸改变甚至失效。因此需通过试验评估其高低温适应性。

表4 材料的温度环境效应

某波段开关属于军用机载设备大类、电子及电子元件小类，可以参考的温度试验标准有：GJB 360B—2009 《电子及电气元件试验方法》、GJB 150.3A 《军用装备实验室环境试验方法 第3 部分：高温试验》 和GJB 150.4A 《军用装备实验室环境试验方法 第4 部分：低温试验》。

根据产品的贮存设计要求，高温贮存试验采用GJB 150.3A 中程序Ⅰ-贮存，低温贮存试验采用GJB 150.4A 中程序Ⅰ-贮存。主要操作步骤分别为：高温贮存时，将某型波段开关在非工作状态下放入高温箱内，升温至+70 ℃，贮存时间为48 h，取出后检查外观并测量转动力矩；低温贮存时，将某型波段开关在非工作状态下放入低温箱内，降温至-55 ℃，贮存时间为48 h，取出后检查外观并测量转动力矩。图11 为高低温试验后某型波段开关的宏观照片，可以看到，外观质量完好，无零部件损坏脱落状态，验证后其瞬动功能亦正常。表5 为试验前后旋转力矩测试值。可以看到，采用超高分子聚乙烯瞬动机构制备的某波段开关在高低温环境下旋转力矩几乎未发生改变，说明超高分子聚乙烯替换材料满足产品高低温环境要求。

表5 高低温贮存试验前后旋转力矩值

图11 高低温试验宏观照片

3.4 瞬动寿命验证

采用图5 所示旋转开关寿命试验机对某波段开关进行瞬动寿命试验验证，循环速率为10 次/min，试验过程中抽测产品旋转力矩和超高分子聚乙烯滑动件磨损量，数据如表6 所示。

表6 循环次数与旋转力矩、超高分子聚乙烯滑动件磨损量对照表

从表6 中看到，经过70 000 次机械寿命试验后，测得某波段开关的旋转力矩为0.17～0.19 N·m，较初始值仅衰减15%，并且瞬动功能正常，无卡滞、咬死等异常现象，说明采用超高分子聚乙烯替代材料制备滑动件具有优异的高低温环境适应性，满足设计要求。

拆开产品，如图12 所示，发现基座表面光洁，并且超高分子聚乙烯滑动件外形仍光洁圆润，最深的磨损仅为0.29 mm，肉眼几乎无法分辨。说明采用超高分子聚乙烯替代材料制备滑动件具有较好的自润滑性，满足某波段开关瞬动寿命40 000 次的要求。

图12 超高分子聚乙烯滑动件寿命后磨损外观

4 结束语

本文针对解决某波段开关磨损失效、卡滞、瞬动不复位问题，研究了替代方案瞬动机构的瞬动寿命，以及超高分子聚乙烯瞬动机构摩擦副的高低温环境适应性、瞬动寿命和力学性能，结果表明：

a）采用POM、PAI、铜球、聚甲醛+玻纤和超高分子聚乙烯等配合不同的润滑脂进行瞬动寿命对比及旋转力矩验证，筛选出超高分子量聚乙烯滑动件代替钢球制备瞬动机构摩擦副，并固化了材料牌号和注塑工艺参数；

b）超高分子聚乙烯瞬动机构具有优异的高、低温环境适应性和旋转力矩稳定性，满足高低温环境使用要求；

c）超高分子聚乙烯瞬动机构可将某型波段开关瞬动循环寿命由10 000 次提升至70 000 次，旋转力矩衰减仅为15%，满足某型波段开关的安全性、完整性和功能性。

超高分子量聚乙烯可制作多种多样的摩擦副应用到航空领域其他人机交互界面的操作器件如扳动类开关上，对于提高装备的人机功效性和可靠性具有理论和工程的指导意义。