張?zhí)炫e，馬 偉，劉紅彬，黑留民

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

彈流拖動(dòng)力是研究滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)之一，拖動(dòng)力的測(cè)試研究和理論研究同樣重要，已成為彈流研究工作中的重要組成部分，其重點(diǎn)在于如何正確地選擇彈流工況下潤(rùn)滑劑的流變模型及其本構(gòu)方程式。試驗(yàn)表明，純滾動(dòng)時(shí)具有相似黏度的兩種潤(rùn)滑劑，在載荷和滾動(dòng)速度不變情況下，伴有相同的滑動(dòng)時(shí)，兩者的摩擦拖動(dòng)力卻會(huì)相差10倍左右[1]。工程實(shí)際應(yīng)用中通常采用試驗(yàn)的方法測(cè)量拖動(dòng)力的大小，因此彈流拖動(dòng)力試驗(yàn)裝置對(duì)于研究潤(rùn)滑劑的拖動(dòng)特性顯得非常重要。由于測(cè)試項(xiàng)目和方法不同，所使用試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)也不相同，大體可分為雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)和球盤(pán)試驗(yàn)機(jī)[2]。其中，雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)主要用來(lái)測(cè)試線接觸彈流潤(rùn)滑狀態(tài)，球盤(pán)試驗(yàn)機(jī)用來(lái)測(cè)試點(diǎn)接觸彈流潤(rùn)滑狀態(tài)。

1 彈流拖動(dòng)力理論計(jì)算

在理想彈流的研究中所采用的流變模型是Newton流體模型，但該模型計(jì)算拖動(dòng)力所產(chǎn)生的誤差很大。許多學(xué)者從理論和試驗(yàn)上證明，彈流在高瞬態(tài)、高壓力和高剪切率條件下，流體的應(yīng)力和應(yīng)變之間不會(huì)始終保持線性關(guān)系；當(dāng)潤(rùn)滑劑受到的壓力很高時(shí)，總的應(yīng)變實(shí)際上是黏性剪應(yīng)變和彈性剪應(yīng)變之和[3]。在建立彈流拖動(dòng)力模型方面，國(guó)內(nèi)、外學(xué)者根據(jù)接觸區(qū)的實(shí)際情況，提出了J-T模型、B-W模型、R-E模型和極限剪切流體模型等。其中，比較著名的J-T模型是在Waxwell模型基礎(chǔ)上提出的流變模型，它包括了潤(rùn)滑劑的線性和非線性的黏性、線性和非線性的黏彈性以及彈性和塑性的行為，且其理論計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值有很好的一致性[4]。

其本構(gòu)方程為：

(1)

其中,3個(gè)獨(dú)立的特征參數(shù)G，τ0和η0是壓力和溫度的函數(shù)，由試驗(yàn)求得。所以設(shè)計(jì)的拖動(dòng)力試驗(yàn)機(jī)應(yīng)該具有對(duì)潤(rùn)滑劑施加不同載荷的功能，而且供油裝置能夠提供不同溫度的潤(rùn)滑劑。

(2)

將(2)式在(-1,1)的范圍內(nèi)積分即可求得非線性黏彈性體在線接觸彈流潤(rùn)滑狀態(tài)下的拖動(dòng)力。對(duì)于其他的流變模型，根據(jù)相同的分析方法也可以推導(dǎo)出拖動(dòng)力的計(jì)算公式。

在雙圓盤(pán)機(jī)上所做的試驗(yàn)表明[5-6]：在保持載荷和滾動(dòng)速度不變的情況下，逐步提高滑動(dòng)速度，觀察拖動(dòng)力的變化，得到了滑滾比s和拖動(dòng)系數(shù)μ之間的關(guān)系曲線，如圖1所示。該曲線在低滑滾比時(shí)近似于線性，中滑滾比時(shí)由線性向非線性劇烈變化，在高滑滾比時(shí)接近水平線性。故該領(lǐng)域的研究主要集中在中-低滑滾比段，也有針對(duì)大滑滾比的計(jì)算和試驗(yàn)研究[7-8]。近年來(lái)不少的試驗(yàn)都是針對(duì)滑滾比在0～0.2的情況下進(jìn)行的[9]，因此，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)至少能使兩接觸表面產(chǎn)生0.2的滑滾比。

圖1 典型線接觸拖動(dòng)曲線

2 彈流拖動(dòng)力測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)及組成

2.1 線接觸彈流拖動(dòng)力試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)

雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)有許多種形式[2,4-5,10-14]，但其主要部分都具有一個(gè)共同特點(diǎn)，即兩個(gè)圓盤(pán)的軸心一個(gè)是固定的，另一個(gè)是浮動(dòng)的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)示意圖

2.2 拖動(dòng)力信號(hào)的拾取

拖動(dòng)力信號(hào)的拾取大體上可以分為兩種：(1)在浮動(dòng)圓盤(pán)的軸上安裝扭矩傳感器，一般用在雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)上；(2)沿拖動(dòng)力擺動(dòng)自由度方向用力傳感器拾取信號(hào)，一般用在球盤(pán)試驗(yàn)機(jī)上[2,15]，也有用在雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)上的[12]。但無(wú)論采用哪種結(jié)構(gòu)形式，最重要的是盡量減小使信號(hào)傳遞的支承本身的摩擦阻力，以免掩蓋所要測(cè)量的彈流拖動(dòng)力。由于雙圓盤(pán)彈流潤(rùn)滑的拖動(dòng)力很小，沿拖動(dòng)力方向的回轉(zhuǎn)支承不宜采用滾動(dòng)軸承。而液體靜壓軸承具有極小的摩擦系數(shù)，通常在10-3以下，可在極低轉(zhuǎn)速、甚至是零轉(zhuǎn)速下獲得液體潤(rùn)滑，可用于回轉(zhuǎn)支承。

2.3 試驗(yàn)機(jī)的加載方式

常用的加載方案有砝碼-杠桿加載[13]、升降機(jī)-彈簧加載[14]和液壓系統(tǒng)加載[2]等。砝碼-杠桿加載的缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載和連續(xù)加載，操作不方便。而升降機(jī)-彈簧加載結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)加載的自動(dòng)化和連續(xù)化，但需要另外配置加載電動(dòng)機(jī)、升降機(jī)、彈簧和傳感器等部件，使得試驗(yàn)結(jié)構(gòu)過(guò)于龐大。采用液壓加載方式，加載與卸載均方便，而且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)加載，但需要配備專(zhuān)門(mén)的液壓系統(tǒng)。如果試驗(yàn)機(jī)的拖動(dòng)力方向的可移動(dòng)部分采用液體靜壓支承，兩者可共用一套液壓供油系統(tǒng)。

3 彈流拖動(dòng)力測(cè)試裝置方案設(shè)計(jì)

結(jié)合國(guó)內(nèi)、外雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了以下兩種試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)方案。由于液體靜壓支承具有速度范圍寬(可以在極低的速度甚至靜止?fàn)顟B(tài)下正常工作)、承載能力大、運(yùn)動(dòng)精度高、抗振性能好和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。兩種試驗(yàn)機(jī)均采用液體靜壓技術(shù)作轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)支承。關(guān)于彈流拖動(dòng)力在重載條件下的數(shù)據(jù)還比較缺乏[14]，綜合考慮驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所能承受的徑向載荷的要求，需要在圓盤(pán)試件和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)之間增加軸承座和聯(lián)軸器來(lái)減少大的徑向載荷對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的影響。

3.1 靜壓軸承支承雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)

靜壓軸承支承雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)是根據(jù)河南科技大學(xué)自行研制的液體靜壓支承球盤(pán)試驗(yàn)機(jī)，并結(jié)合其他拖動(dòng)力測(cè)試用雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。

試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試試件為兩個(gè)軸線平行的鋼制圓盤(pán)，如圖3所示，圓盤(pán)試件Ⅰ和Ⅱ分別安裝在水平放置的變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)Ⅰ和Ⅱ上。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)Ⅱ放置在一個(gè)可繞靜壓立軸在水平面內(nèi)自由回轉(zhuǎn)的托架上，且可在托架上沿軸向移動(dòng)。供油裝置把潤(rùn)滑劑通過(guò)壓力管道送至接觸區(qū)入口附近。在試驗(yàn)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)Ⅱ連同托架可沿兩個(gè)自由度在靜壓軸承的軸向上下或者左右轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)兩種功能：(1)用液壓系統(tǒng)使靜壓支承的拖架上、下移動(dòng)完成圓盤(pán)試件Ⅱ?qū)A盤(pán)試件Ⅰ的加載和卸載，加載值由靜壓立軸下端的載荷傳感器測(cè)量；(2)在載荷作用下圓盤(pán)試件Ⅱ與圓盤(pán)試件Ⅰ接觸，由于彈性變形，原始線接觸擴(kuò)展成為一個(gè)寬度很小的矩形面接觸。當(dāng)兩試件在充分潤(rùn)滑的條件下高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，接觸區(qū)將形成一層動(dòng)壓彈流潤(rùn)滑油膜。如果兩試件接觸表面存在相對(duì)滑動(dòng)，則兩接觸表面通過(guò)潤(rùn)滑膜將產(chǎn)生相互的彈流拖動(dòng)力。在彈流拖動(dòng)力的作用下，圓盤(pán)試件Ⅱ連同驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)Ⅱ和托架一起繞靜壓立軸的軸線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，引起與托架連接的軸的偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)安裝在豎直滑動(dòng)導(dǎo)軌上的靜止扭矩傳感器軸扭轉(zhuǎn)，從而測(cè)出彈流油膜拖動(dòng)力的大小。

圖3 靜壓軸承支承的雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)

由于壓電石英式扭矩傳感器具有剛度高、線性好、無(wú)遲滯、固有頻率高，特別是絕緣阻抗高和穩(wěn)定性突出等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究與自動(dòng)檢測(cè)和控制中[16]。如果靜止扭矩傳感器的扭轉(zhuǎn)剛度不夠，則會(huì)造成圓盤(pán)試件Ⅱ的偏轉(zhuǎn)過(guò)大，從而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以此靜止扭矩傳感器應(yīng)選用壓電石英晶片扭矩傳感器。

3.2 靜壓導(dǎo)軌支承雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)機(jī)的兩個(gè)鋼制圓盤(pán)分別由兩個(gè)獨(dú)立的變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，圓盤(pán)試件Ⅰ和Ⅱ分別安裝在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)Ⅰ和Ⅱ上，如圖4所示。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)Ⅰ安裝在托架Ⅰ上，托架Ⅰ則安裝在豎直滑動(dòng)導(dǎo)軌上，可通過(guò)豎直滑動(dòng)導(dǎo)軌上、下垂直移動(dòng)，其結(jié)構(gòu)可以參考四柱油壓機(jī)導(dǎo)柱的結(jié)構(gòu)形式，加載力通過(guò)壓力傳感器加載到托架Ⅰ上。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)Ⅱ安裝在托架Ⅱ上，托架Ⅱ與靜壓滑動(dòng)導(dǎo)軌固定，而靜壓滑動(dòng)導(dǎo)軌可沿拖動(dòng)力方向左右、水平移動(dòng)。供油裝置把潤(rùn)滑劑通過(guò)壓力管道送至接觸區(qū)，在試驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)加載力，在載荷作用下圓盤(pán)試件Ⅱ與圓盤(pán)試件Ⅰ接觸，其拖動(dòng)力產(chǎn)生的原理與靜壓軸承支承雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)相同。在彈流拖動(dòng)力的作用下，靜壓導(dǎo)軌的滑動(dòng)部分沿拖動(dòng)力方向移動(dòng)，在其移動(dòng)方向一端安裝石英諧振式力敏傳感器，通過(guò)此力敏傳感器可以測(cè)出線接觸彈流拖動(dòng)力的大小。

圖4 靜壓導(dǎo)軌支承的雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)

液體靜壓導(dǎo)軌支承雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)較少，還具有低速運(yùn)動(dòng)不發(fā)生爬行、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度變化對(duì)油膜厚度和剛度的影響小等優(yōu)點(diǎn)。比如采用20#機(jī)械油的靜壓導(dǎo)軌，由于實(shí)現(xiàn)了純液體潤(rùn)滑，其摩擦系數(shù)約為0.000 5[17]，根據(jù)河南科技大學(xué)測(cè)定的潤(rùn)滑劑的拖動(dòng)系數(shù)最大通常在0.025左右，所以液體靜壓導(dǎo)軌組件的自重對(duì)潤(rùn)滑劑拖動(dòng)力的影響很小。

3.3 可行性分析與創(chuàng)新點(diǎn)

傳統(tǒng)的雙圓盤(pán)彈流拖動(dòng)力試驗(yàn)機(jī)測(cè)量彈流拖動(dòng)力時(shí)，通常將扭矩傳感器安裝在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與滾動(dòng)軸承支承的中間，因此傳感器的讀數(shù)不是兩圓盤(pán)間潤(rùn)滑劑的彈流拖動(dòng)力矩，而是滾動(dòng)軸承的摩擦力矩與被測(cè)潤(rùn)滑劑拖動(dòng)力矩的代數(shù)和。滾動(dòng)軸承的摩擦力矩隨載荷和轉(zhuǎn)速等變化而變化，不能憑經(jīng)驗(yàn)精確估計(jì)，文獻(xiàn)[18]提出了一種測(cè)量和計(jì)算相結(jié)合的雙圓盤(pán)彈流拖動(dòng)力試驗(yàn)機(jī)滾子軸軸承摩擦力矩測(cè)定方法，但很難實(shí)現(xiàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化，而上述的兩種試驗(yàn)機(jī)方案完全可以克服該方面的缺點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

關(guān)于彈流潤(rùn)滑拖動(dòng)力的計(jì)算，目前提出的各種非Newton流體模型都包含數(shù)目不等的流變參數(shù)，這些參數(shù)可以通過(guò)彈流拖動(dòng)力試驗(yàn)得出，隨著彈流潤(rùn)滑研究的深入，這些模型將更加完善并提供足夠準(zhǔn)確的參數(shù)數(shù)據(jù)。國(guó)外對(duì)彈流拖動(dòng)力的測(cè)試研究較多，國(guó)內(nèi)對(duì)于這個(gè)方面的研究還比較少。彈流拖動(dòng)力試驗(yàn)機(jī)的研制，不僅為國(guó)產(chǎn)潤(rùn)滑劑提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為彈流潤(rùn)滑測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)提供一些必要的參考。