周健，楊伯原，李俊娟，劉剛強(qiáng)，閆曉凡

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

近年來(lái)，對(duì)于一些重要領(lǐng)域用滑動(dòng)軸承拖動(dòng)性的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注，文獻(xiàn)[1-3]報(bào)道了通過(guò)理論計(jì)算軸承摩擦力矩的方法和結(jié)果。欲獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，則要求在不同載荷、溫度、轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑條件下測(cè)試軸承的摩擦力矩，以預(yù)估軸承的壽命和工作效率，判斷軸承的缺陷和運(yùn)行狀態(tài)，為設(shè)計(jì)高可靠性、高效率及高精度軸承提供依據(jù)。但由于滑動(dòng)軸承大多用于承受徑向載荷，因結(jié)構(gòu)所限，實(shí)際采集周向摩擦力時(shí)不可避免地會(huì)受到徑向載荷的影響，所以測(cè)試此類(lèi)滑動(dòng)軸承的摩擦力矩非常困難。迄今為止的試驗(yàn)研究多局限于承受軸向載荷的滾動(dòng)軸承，而對(duì)于承受徑向載荷的滑動(dòng)軸承，尚未見(jiàn)到能夠準(zhǔn)確測(cè)量摩擦力的裝置。

下面介紹一種模擬低速、重載工況的工程機(jī)械力臂軸套類(lèi)滑動(dòng)軸承的試驗(yàn)裝置。

1 總體方案及要求

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。要求該試驗(yàn)裝置能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地測(cè)試出滑動(dòng)軸承在不同載荷、溫度、轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑條件下摩擦力的大小和變化。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)方案示意圖

試驗(yàn)軸與套之間的靜力學(xué)受力分析如圖2所示。其中r為軸半徑；R為套外徑；e為半徑間隙，e=R-r；F為摩擦力；N′為正壓力；N為載荷，mg為軸承室的自重；P為測(cè)試力；α為接觸偏角；O為軸心；O′為套中心；C為軸/套接觸點(diǎn)；K為加載點(diǎn)。根據(jù)受力分析，可得靜力學(xué)平衡方程為

圖2 軸套靜力學(xué)分析圖

∑Fx=0，

Fcosα-P-N′sinα=0 ，

(1)

∑Fy=0，

(N-mg)-N′cosα-Fsinα=0，

(2)

∑Mo=0，

(3)

P由力傳感器測(cè)得；N-mg，R，r皆為已知量。聯(lián)立(1)～(3)式，可以求得摩擦力F及正壓力N′。

1.2 技術(shù)要求

(1)工作溫度由常溫至235 ℃；(2)試件軸轉(zhuǎn)速范圍為100～400 r/min；(3)軸套副最大Hertz應(yīng)力為280 MPa；(4)溫度和速度參數(shù)應(yīng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)可調(diào)；(5)試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)地通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)輸出，力信號(hào)經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)最終由計(jì)算機(jī)界面顯示，并能夠?qū)崟r(shí)予以保存，其他數(shù)據(jù)信號(hào)能夠在相應(yīng)的儀表上顯示；(6)系統(tǒng)穩(wěn)定性好，試驗(yàn)重復(fù)性好。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

試驗(yàn)臺(tái)主要由驅(qū)動(dòng)裝置、加載裝置、溫控系統(tǒng)和滑動(dòng)軸承室組成。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—砝碼；2—杠桿；3—加熱棒孔；4—試件套；5—支撐套；6—試件軸；7—熱電偶孔；8—力傳感器；9—滾動(dòng)軸承圖3 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

(1)驅(qū)動(dòng)裝置。試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力由1臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)提供，變頻器的變頻范圍為0～100 Hz。通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)在75～450 r/min范圍內(nèi)恒扭矩輸出。

(2)加載裝置。采用杠桿加載，結(jié)構(gòu)為3級(jí)杠桿串聯(lián)，每一級(jí)杠桿的力放大比例為3∶1，則3級(jí)串聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)27∶1的載荷放大。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)可以有效地減少加載重量。加載方式為手動(dòng)砝碼加載，優(yōu)點(diǎn)是沖擊小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且加載穩(wěn)定。

(3)溫控系統(tǒng)。由4根均布的功率為300 W的加熱棒對(duì)軸套副加熱。其工作狀態(tài)由PID溫度控制儀控制，使軸套副附近溫度保持在所需的工況范圍內(nèi)。

(4)滑動(dòng)軸承室?；瑒?dòng)軸承室是整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的核心部分，主要由試件軸、試件套和支撐套組成。采用試件套和支撐套分離的結(jié)構(gòu)，是為了便于試件的更換和節(jié)約試驗(yàn)成本。試件套和支撐套之間為緊配合。加熱元件和熱電偶安裝在支撐套內(nèi)。

為了減少加載砝碼的重量，又能夠滿足軸套副Hertz應(yīng)力的要求，除了加載系統(tǒng)采用上述的多級(jí)杠桿以外，還將試件軸的實(shí)際接觸部位設(shè)計(jì)成2段狹窄的圓柱面。試件套和支撐套對(duì)應(yīng)位置留有加脂孔，一次性加脂。軸承室結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 軸承室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為了減少?gòu)较蚣虞d對(duì)滑動(dòng)軸承摩擦力采集的影響，在杠桿的加載終端由1個(gè)滾動(dòng)軸承將載荷沿試件徑向傳遞到支撐套上。軸套副之間產(chǎn)生的摩擦力將使試件套做圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而與支撐套接觸的剛性力傳感器可阻止轉(zhuǎn)動(dòng)，并采集該摩擦力信號(hào)。因用于加載的滾動(dòng)軸承與支撐套之間僅存在滾動(dòng)的趨勢(shì)，且滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)要比滑動(dòng)軸承小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[4]，所以對(duì)滑動(dòng)軸承摩擦力的影響十分微小，可忽略不計(jì)。另外，加載點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在與2個(gè)圓柱接觸面等距的軸截面上，以保證2個(gè)接觸面受力均等。

2.2 電控部分

電控部分主要對(duì)試件轉(zhuǎn)速和工作溫度進(jìn)行設(shè)定、控制和調(diào)節(jié)。

(1)采用光電轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)試件軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集并輸出，并由XJP48T數(shù)字顯示儀顯示。改變?cè)嚰S的工作轉(zhuǎn)速時(shí)，需要一邊調(diào)節(jié)變頻器的頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，一邊觀察XJP48T數(shù)字顯示儀所顯示的數(shù)值，直至達(dá)到所需的工作轉(zhuǎn)速。

(2)熱電偶將溫度信號(hào)傳輸?shù)絇ID溫度控制儀中。PID模塊將其與預(yù)設(shè)置的工作溫度值進(jìn)行比較和分析，然后控制加熱元件的工作狀態(tài)，控制精度為±0.1 ℃，使系統(tǒng)穩(wěn)定在設(shè)定的工作溫度。

2.3 數(shù)據(jù)采集和處理部分

工作中軸套副之間的摩擦力以扭矩的形式傳遞到支撐套上，力傳感器與支撐套為剛性接觸，將力信號(hào)傳輸?shù)結(jié)D-21動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀。應(yīng)變儀同時(shí)將該信號(hào)并行輸出，經(jīng)數(shù)據(jù)線將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，然后由軟件系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理，并在計(jì)算機(jī)界面上顯示出摩擦力值。

RSS01力傳感器的分辨率為額定載荷的0.1%；數(shù)據(jù)采集卡分辨率為12位，最高采樣頻率為90 kHz。數(shù)據(jù)采集軟件程序用LabVIEW8.2編寫(xiě)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、儲(chǔ)存，以及數(shù)據(jù)曲線的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

用上述試驗(yàn)臺(tái)對(duì)牌號(hào)為129-1983的工程機(jī)械用潤(rùn)滑脂進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，繪出不同工況時(shí)的變化曲線如圖5～圖7所示。

圖5 定轉(zhuǎn)速下不同載荷時(shí)的拖動(dòng)系數(shù)-溫度曲線

圖6 定載荷下不同溫度時(shí)的拖動(dòng)系數(shù)-轉(zhuǎn)速曲線

圖7 定溫度下不同轉(zhuǎn)速時(shí)的拖動(dòng)系數(shù)-轉(zhuǎn)速曲線

圖5中的3幅曲線雖然轉(zhuǎn)速條件不同，但無(wú)論從曲線形狀還是拖動(dòng)系數(shù)值的范圍都十分相似，說(shuō)明一定范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速變化對(duì)該接觸副的潤(rùn)滑狀態(tài)影響很小[5]。從單條曲線走向的劇烈變化可看出溫度的巨大影響。另外，圖中明顯的細(xì)節(jié)是：從常溫到135 ℃，高載荷下的拖動(dòng)系數(shù)明顯高于低載荷下的拖動(dòng)系數(shù)；而超過(guò)135 ℃之后，低載荷下的拖動(dòng)系數(shù)卻高于高載荷下的拖動(dòng)系數(shù)。這說(shuō)明該潤(rùn)滑脂中的極壓添加劑在高溫高壓下能較好地發(fā)揮作用，而85～135 ℃應(yīng)是其開(kāi)始發(fā)揮作用的溫度。同時(shí)說(shuō)明該潤(rùn)滑脂的稠化劑和基礎(chǔ)油在高溫時(shí)的物理和化學(xué)性能比較穩(wěn)定，能保持優(yōu)良的潤(rùn)滑效果。

圖6同樣反映出速度對(duì)拖動(dòng)系數(shù)有極小的影響。但卻看到在不同載荷的情況下溫度對(duì)拖動(dòng)系數(shù)的影響顯著。其規(guī)律是：當(dāng)溫度由常溫逐漸上升時(shí)，拖動(dòng)系數(shù)急劇上升，到135 ℃時(shí)達(dá)到最大值；而后溫度繼續(xù)上升，拖動(dòng)系數(shù)卻稍有降低。這說(shuō)明該潤(rùn)滑脂雖然對(duì)溫度也較敏感，但具有穩(wěn)定的高溫性能[6]。

圖7十分清楚地顯示出，雖然在不同的溫度下軸套副的拖動(dòng)系數(shù)值表現(xiàn)出較大的差異，但在任一許用溫度下，只要速度與載荷的變化不超出許用范圍，其拖動(dòng)系數(shù)具有良好的穩(wěn)定性。而且在135～235 ℃高溫下拖動(dòng)系數(shù)的穩(wěn)定性更加突出。因此，該潤(rùn)滑脂具有在常溫時(shí)拖動(dòng)系數(shù)較低，較高溫度時(shí)能保持穩(wěn)定拖動(dòng)系數(shù)的性能，是一種適用于很寬溫度范圍的性能優(yōu)良的潤(rùn)滑劑。

4 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)完全滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)要求，具有很好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，能夠正確地反映出脂潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承在不同工況條件下的拖動(dòng)特性；同時(shí)可得到潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑性能，在工程應(yīng)用中具有十分重要的指導(dǎo)意義。