卫星轴承非金属材料长寿命试验检测方法

摘要

一种卫星轴承中非金属材料长寿命试验后形成的残油和残留物的检测方法，包括的步骤有：第一步先用超声波清洗后分级聚沉、纸色谱吸附后转移至微型柱色谱、沙氏萃取等几种方法回收分离残油和残留物，得到重质的变质聚合物和油质物；第二步分别用微量红外光谱、薄层色谱比移值、薄层色谱扫描、凝胶渗透色谱几种方法对各组分进行定性；第三步分别用重量法、薄层色谱扫描仪、凝胶渗透色谱方法对各组分进行定量。

说明书

本发明涉及一种轴承中非金属材料的检测方法，具体来说是属于卫星轴承长寿命试验后，其形成的残油和残留物的检测方法。

目前，轴承中非金属材料，特别是卫星轴承中的非金属材料经长寿命试验后，其检测方法，在文献上很少有公开，多属保密之列。八十年代初在ASLE第36次年会上报告时，在NO.81-AM-6A-2ASLE预印本上，G.W.Lalimer曾经公开过一种用高效液体色谱分析卫星轴承中的石油基烃类润滑油的变化情况，这种液体色谱法仅从色谱图出现色谱峰多少和峰面积的变化来判断使用前后润滑油组分的变化，其所用方法单一，也没有说明变成何物，而且该方法测的烃类润滑油中还加入有界面添加剂和抗氧化剂，因此，色谱图出现的新峰也可能由添加剂变化引起，用这种单一的方法检测，是不能完全说明清楚变化情况的。

本发明的目的是提供一种综合的检测方法，即由多种分离分析技术综合组成，分析卫星轴承中非金属材料经过长寿命试验后其变化情况，包括定性和定量分析，从而了解清楚轴承的内部材料变化情况，及非金属材料耐长寿命能力。

本发明采用如下的技术方案：卫星轴承中非金属材料包括有金属部件上和保持架[3]上的非金属材料，这些材料经长寿命试验后形成了残油和残留物，轴承中金属部件上的残油和残留物的检测方法和保持架上的残油和残留物的检测方法分别如下：

A：金属部件上的残油和残留物检测方法，包括以下步骤：

(a)先将轴承中金属部件上的非金属材料回收和分离：

a1)对于回收样品量较大(大约是40mg以上)的，采用乙醚作为溶剂，超声波清洗，再将回收物分级聚沉进行分离，分离成重质变质聚合物(沉淀或胶体状)和油质物；

a2)对于回收样品量较小(大约是40mg以下)的，采用纸色谱吸附，然后再转移至微型柱色谱，分离出油质物和重质的变质聚合物(吸附在纸上)；

(b)将步骤(a)回收和分离的非金属材料进行定性：

b1)将步骤a1)和a2)分离出来重质的变质聚合物采用微量红外光谱定性；

b2)将步骤a1)和a2)分离出来的油质物用两种方法定性：一种是用薄层色谱比移值(Rf值)进行定性；另一种是用薄层色谱与微量红外光谱联用进行定性。确定油质物含有未变化的硅油和变质的中度聚合物两类组分；

b3)将步骤a1)和a2)分离出来的油质物用凝胶渗透色谱，按色谱出峰滞留时间进行定性解聚组分及其分子量，以及其他组分和杂质；

(c)将步骤(b)定性的各组分进行定量：

c1)将步骤b1)定性的重质的变质聚合物用重量法进行定量；

c2)将步骤b2)定性的未变化硅油和变质的中度聚合物用薄层色谱扫描方法进行定量；

c3)将步骤b3)定性的解聚组分以及其他组分杂质，用凝胶渗透色谱的峰面积进行定量计算各组分的含量；

B：轴承中保持架内的残油和残留物检测方法包括以下步骤：

(a)先以乙醚为溶剂，在超声波中清洗保持架4-6分钟，回收部分残油和残留物，再将它们分级聚沉，分离出油质物和重质的变质聚合物(沉淀状)；

(b)将步骤(a)清洗完的保持架再次在沙氏萃取器中，以乙醚为溶剂萃取，分2次回收，第1次回收到匀相油质物，第2次回收到非匀相油质物(分成上下两层)；

(c)将步骤(a)分离的重质聚合物用微量红外光谱定性，然后再用重量法对其定量；

(d)将步骤(a)分离出来的油质物和步骤(b)回收到的匀相油质物、非匀相油质物上下两部分都分别采用制备平板色谱与红外光谱联用技术，定性出未变化的硅油和变质的中度聚合物2类组分，以及保持架本身材料酚醛树脂变化产物；再用薄层色谱扫描对未变化的硅油和变质的中度聚合物进行定量；

(e)将步骤(a)分离出来的油质物和步骤(b)中第1次回收到的匀相油质物部份，用凝胶渗透色谱分别定性其中的解聚组分及其分子量，然后按色谱的峰面积计算各组分的量。

下面以东方红二号通信卫星上的消旋轴承为例结合附图对本发明作实施例说明：

图1是卫星轴承的结构示意图；

图2是四套卫星轴承装配试验的结构示意图；

图3是原料硅油的微量红外光谱图；

图4是4#轴承全部金属零件回收的未变化硅油的微量红外光谱图；

图5是4#上轴承内圈和外圈沟道中重质的聚合物的微量红外光谱

    图。

图6是保持架原材料的微量红外光谱图；

图7是6#和10#轴承保持架中回收的剥落的保持架材料的微量红

    外光谱图；

图8是1#和4#轴承保持架中回收的未变化保持架材料以及变化的

    产物的微量红外光谱图。

如图1所示，卫星消旋轴承由挡圈[1]、外壳[2]、保持架[3]、轴承外圈[4]、滚珠[5]、轴承内圈[6]、轴套[7]、弹簧[8]、垫圈[9]、迷宫盖[10]、限位螺母[11]组成，包括有上轴承和下轴承两部分。

在图2所示中，包括有底板[12]、主轴[13]、磁盘[14]、支承架[15]、轴承[16]。轴承[16]包括1#轴承、2#轴承、3#轴承、4#轴承。

东方红二号通信卫星上的消旋轴承经过十二年的长寿命试验后，其轴承内非金属材料的回收和分离分以下3种情况：第一种是金属另件中残油和残留物的含量大约是40mg以上的，这种情况可用乙醚作为溶剂，在超声波中冲洗即可，然后再把回收物用分级聚沉的方法，就可分离出油质物和重质的变质聚合物(沉淀或胶体)；第二种情况是金属部件中残油和残留物的含量大约是40mg以下的，比如轴承内圈[6]和轴承外圈[4]的沟道中的残油和残留物它们多数是＜40mg的。这种情况下采用纸色谱的方法，先用混合溶剂(四氢呋喃∶环己烷1∶1)微型射流冲洗到已知重量的纸色谱的纸上，让残油和残留物吸附在纸上，然后再转移至微型柱色谱管内，用同样的混合溶剂冲洗，重质的变质聚合物滞留在纸上，油质物则被冲洗脱附而出；第三种情况是保持架[3]中的残油和残留物回收和分离，其回收和分离分2步，第1步是先以乙醚为溶剂保持架在超声波中清洗5分钟回收部分残油和残留物，然后保持架[3]第2步是在沙氏萃取器中以乙醚为溶剂，在沸点31c、635mmHg大气压的条件下萃取，再分2次回收保持架[3]中的所有残油和残留物，第1次得到匀相油质物，第2次得到非匀相油质物，先在超声波清洗出来的残留物则用分级聚沉的方法分离出油质物和重质的变质聚合物(沉淀物)。

例如东方红二号通信卫星1#和4#消旋轴承(12年长寿命试验后)各金属部件回收的残油和残留物分布情况如下表1：

表1  1#、4#、各轴承金属件残油和残留物的分布

       取样部位                残油和残留物       1#轴承       4#轴承    克  含量％    克  含量％上轴承内圈[6]沟道＋外圈沟道[7]0.02506 3.88 0.01623 2.87下轴承内圈[6]沟道＋外圈沟道[7]0.04289 6.66 0.01548 2.74上轴承内圈[6]＋外圈[7]0.07031 10.91 0.04093 7.25下轴承内圈[6]＋外圈[7]0.11324 17.58 0.07529 13.33全部金属零件(包括上下挡圈、上下迷宫盖、垫片、弹簧、轴套、外壳、螺母)0.38353 59.53 0.41010 72.63上轴承滚珠[5]0.00500 0.78 0.00327 0.58下轴承滚珠[5]0.00421 0.65 0.00332 0.59各金属件中总量0.64424 100 0.56462 100表中含量％：指该部位回收的残油和残留物占该轴承全部金属件残油和

        残留物总量的％。

对于上表中回收的轴承金属件上的残油和残留物，可根据上述回收分离后不同的状况，采用以下不同的方法对它们进行定性和定量分析。

从残油和残留物分离出来的，有沉淀或胶体状的重质物，也有吸附在纸上的重质物。这些重质物是采用微量红外光谱对它们进行定性，例如图5所示，这是4#上轴承内圈[6]和外圈[7]沟道中回收分离出的黑色沉淀状重质物的微量红外光谱图。该图与图3所示的原料硅油的微量红外光谱图相同。说明了这些重质物的分子结构与原料硅油的相同，不同的只是经过深度聚合后，分子量增大，成为了重质的聚合物。确定出它们是重质聚物后，同时可用重量法称量出它们的含量，如下表2中所示。

分离出来的油质物，可采用高效薄层色谱对它们进行定性和定量。先用薄层色谱比移值(Rf值)的方法，测定出油质物中含有未变化的硅油和变质的中度聚合物，然后再用薄层色谱与微量红外光谱联用的方法对这两组分进一步定性。以4#轴承为例，先用高效薄层色谱对其全部金属件回收的油质物进行定性分析。由于油质物在高效薄层色谱中移动相溶剂展开过程，油质物中各组分按分子量大小分离，分子量大小与比移值(Rf)成反比。试验后，取得比移值是0.2-0.4和0.45两个数据，说明其中有的组分分子量变大了，而有的组分分子量未变，也就初步确定了它们是变质的中度聚合物和未变化的硅油。为了进一步证实其分子结构情况，又采用微量红外光谱图进行分析。通过微量红外光谱仪，得出其中未变化硅油的微量红外光谱图如图4所示，与图3原料硅油的微量红外光谱图比较两者是相同的，说明了它们的分子结构是相同的。同样中度聚合物也是用这种方法进一步定性，定性后，则再通过薄层色谱扫描仪检测，自动计算出来变化硅油和中度聚合物的含量。

东方红二号通信卫星4#轴承各金属部件的残油和残留物分布如下：

表2

    取样部位   残油和残留物      占样品含量(％)  部件未  变化的  硅油的  含量  (克)   (克)  占总  量％ 重质的 变质聚 合物 变质的 中度聚 合物  未变  化的  硅油上轴承内圈沟道＋外圈沟道0.0162 2.9 4.9 8.0 58.7 0.0095下轴承内圈沟道＋外圈沟道0.0155 2.7 20.6 11.6 52.2 0.0081上轴承内圈＋外圈0.04，9 7.3 25.0 0 61.1 0.0250上轴承内外圈0.0753 13.3 14.5 0 58.1 0.0437全部金属另件0.4101 72.6 20.2 0 37.3 0.1530

上表中全部金属另件是包括上下档圈(1)、上下迷宫盖(10)、弹簧(8)、轴套(7)、外壳(2)、限位螺母(11)。

为了进一步了解清楚上述油质物中其他变质组分的情况，可采用凝胶渗透色谱进行定性、定量分析。根据凝胶渗透色谱的出峰滞留时间，可以定性油质物中的解聚组分及其分子量，以及其它组分和杂质，再根据色谱的峰面积，凝胶渗透色谱仪可自动计算出各组分的含量。

下面进一步分析卫星轴承(16)保持架(3)中回收的残油和残留物的情况，按前面所述方法，保持架回收分离出来的有重质的变质聚合物部分、油质部分、油质部分包括有匀相液体部分，非匀相液体部分。以1#和4#轴承保持架(3)为例，它们经第一次超声清洗和第二次萃取后，得出残油和残留物及其中一些组分的含量如表3所示：表3：

  取样  方法    取样部位  残油和  残留物   (克)  重质的变  质聚合物    (克)    油质部分(克) 匀相液体  非匀相  液体  超第声  波一乙  醚次清  洗1#上轴承保持架0.17246 0.01581 0.15665 01#下轴承保持架0.24108 0.03130 0.20978 04#上轴承保持架0.11161 0.01180 0.09981 04#下轴承保持架0.16279 0.01104 0.15175 0  乙第  醚二  萃次  取1#＋4#上下轴承保持架(第1回取样)0.07694 0 0.07694 01#＋4#上下轴承保持架(第2回取样)其中上层清液其中下层浊液4.37322 0 0 4.3732 1.5525 0 0 1.5525 2.8207 0 0 2.8207

对于上表中第一次清洗回收的样品，同样采用上述分级聚沉的方法分离，得到油质部分和重质物部分(沉淀)，重质物部分同样是采用微量红外光谱进行定性，用重量法定量。而油质部分的定性则用制备平板色谱与微量红外光联用的方法，测定出其中含有未变化的硅油及其它组分，而不含变质的中度聚合物。之后再用薄层色谱扫描仪自动求出各组分含量。

1#轴承和4#轴承共同萃取第1次回收得到的是匀相液体，而它们第2次回收得到的是非匀相液体，非匀相液体分两层，上层是清液，下层是浊液。匀相液体部分的定性同样是用制备平板色谱与微量红外光谱联用的方法，测定出其中含有未变化的硅油及其它组分，而不含变质的中度聚合物。其各组分的含量也是由薄层色谱扫描仪自动求出。对于非匀相液体部分的上层清液和下层浊液也是采用这样的方法进行定性、定量，但非匀相液体部分既含有未变化的硅油及其它组分，也含有变质的中度聚合物。匀相和非匀相液体中酚醛树脂变化产物也由上述制备平板色谱与微量红外光谱联用技术定性。1#和4#轴承保持架回收的残油和残留物检测部分结果如下表4。

另外1#＋4#轴承保持架第2次回收出的下层浊液，经制备平板色谱分离成各色谱带，脱附出色谱带上组分用红外光谱鉴定，表明其中有酚聚合物、缩合醛、剥落的酚醛树脂以及磷苯二甲酸酯等保持架材料变化的产物，其红外光谱图如图8所示。图8红外光谱图中A.B.C.D处分别是缩合醛、酚聚合物、剥落的酚醛树脂以及磷苯二甲酸酯的出峰位置，说明了它们的存在。表4中也说明除了有未变化硅油和变质的中度聚合物外，还有其它的组分。

表4  1#和4#轴承保持架回收的残油和残留物检测部分结果如下：

  取样部位 重质的变质   聚合物  油质部分               含量(％)   变质的中度     聚合物     未变化的       硅油含量(克)(占样量％)  含量(克) (占样量％) 占油     占样 质部     品 分 占油       占样 质部       品 分1#上轴承保持架0.01581(9.17％)0.15665(90.83％)  0  0 93.5 84.91#下轴承保持架0.03130(12.98％)0.20978(87.02％)  0  0 61.8 53.84#上轴承保持架0.01180(10.57％)0.09981(89.43％)  0  0 78.6 70.34#下轴承保持架0.01104(6.78％)0.15175(93.22％)  0  0 71.8 66.91#＋4#上下轴承保持架(匀相液体)0 0.07694(100％)  0  0 61.3 61.31#＋4#上下轴承保持架(上层清液)0 1.5525(100％)  1.2  1.2 55.5 55.51#＋4#上下轴承保持架(下层浊液)0 2.82075(100％) 10.5  10.5 4.2 4.2上表中上层清液和下层浊液是属于非匀相液体部分的。

另外，从另一个检测结果也说明这个问题，同一卫星6#＋10#轴承保持架(十年寿命试验后)萃取回收的残油和残留物的外观可看到是红色，与保持架外观颜色很相似。以此6#＋10#萃取物经制备平板色谱分离，色谱基线脱附出组分，以微量红外光谱检测得图7，该谱图与已知的酚醛树脂红外光谱图相同，如图6所示，证明了酚醛树脂长寿命试验后发生剥落，亦存在于残油和残留物中。再将6#＋10#萃取物制备平板色谱分离出的其他色谱带组分经红外光谱分析，还显示出有酚醛树脂的变化组分，有酚聚合物、缩醛、醌类等。

同样，为了进一步了解保持架回收分离后的油质部分和匀相液体部分中解聚组分的情况，同样可采用凝胶渗透色谱进行检测其中各组分分子量变化情况，对其定性、定量分析。

因此，采用上述轴承中非金属材料长寿命试验后的综合检测方法，可测定轴承各部位残油和残留物的分布，各部分残余未变化的润滑油量，变质聚合组分的定性定量，以及保持架材料的剥落与变化情况；了解经过长寿命试验后轴承内部的状况及非金属材料的耐长寿命能力。本方法已实用于东方红二号通信卫星消旋天线轴承十二年长寿命试验检测，检测的结果揭示了在轴承金属部件没有明显变化的情况下，其中润滑油及保持架非金属材料的变质与轴承性能变化(比如力矩)具有相互关系，变质组分的定量分析结果和轴承机械性能参数的变化是相呼应的。因此，采用本发明所提出的检测方法，能全面、准确、可靠地分析出轴承中非金属材料经长寿命使用后的变化情况，及轴承本身耐长寿命的能力。