姜紹娜，陶德華，陳曉陽，顧家銘

(1.上海大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院，上海 200072;2.上海天安軸承有限公司，上海 200233)

對于航天航空等設(shè)備用的微型軸承，低溫啟動摩擦力矩是一項十分重要的性能指標(biāo)，其大小及波動性不僅影響系統(tǒng)能量的傳遞，還影響著系統(tǒng)信號傳遞的準(zhǔn)確性[1]。微型軸承的啟動摩擦力矩測試儀種類繁多，通常配有各種控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造成本高，在各種苛刻的環(huán)境溫度條件下進(jìn)行試驗時，溫度不易控制，測試低溫下的啟動力矩重復(fù)性差，且容易損壞測試儀器。在此開發(fā)出一種測試裝置，可保證相同的軸向載荷均勻地作用在被測軸承上，并能在各種苛刻的低溫環(huán)境下測試各種潤滑劑的摩擦扭矩。

1 測試裝置

1.1 結(jié)構(gòu)

圖1所示為低溫啟動摩擦力矩測試裝置。將被測軸承安裝在軸兩端的套筒內(nèi)，兩端分別用左、右端蓋定位固定在支座上，靠近被測軸承處鉆孔放入溫度傳感器用于測溫。為了保證每次測量施加的軸向載荷相同，在左端蓋內(nèi)安裝彈簧，彈簧的長度及剛度根據(jù)預(yù)緊力大小設(shè)定，彈簧座與內(nèi)擋圈導(dǎo)向槽發(fā)生點(diǎn)接觸，軸向力通過內(nèi)擋圈可均勻地施加在被測軸承上。軸的伸出端用2個緊定螺釘固定直徑為80 mm的平衡輪，該緊定螺釘兩端配有2個平衡螺母微調(diào)平衡輪的偏心，當(dāng)砝碼放入托盤，平衡輪一旦轉(zhuǎn)動，便可測得被測軸承的啟動摩擦力矩。將該裝置放入一個環(huán)境溫度低于測試溫度并能夠迅速降溫的冷控箱內(nèi)(冷控箱可達(dá)-70 ℃)，當(dāng)溫度傳感器達(dá)到測試溫度即可打開冷控箱蓋子進(jìn)行測試。

1—冷控箱；2—支座；3—溫度傳感器；4—內(nèi)擋圈；5—彈簧座；6—彈簧；7—左端蓋；8—固定螺釘；9—套筒；10—軸；11—定位螺釘；12—被測軸承；13—右端蓋；14—平衡輪；15—緊定螺釘；16—平衡螺母；17—托盤；18—砝碼圖1 低溫摩擦力矩測試裝置

1.2 測試原理及過程

由圖1可知，測得的啟動摩擦力矩為2組被測軸承的啟動摩擦力矩之和M，盡管平衡螺母可消除一定的偏心，但因系統(tǒng)誤差導(dǎo)致的偏心力矩ΔM仍不可避免。假設(shè)正轉(zhuǎn)時測得啟動摩擦力矩值為

M正=M+ΔM，

(1)

則反轉(zhuǎn)時測得啟動摩擦力矩值為

M反=M-ΔM，

(2)

故兩組被測軸承的啟動摩擦力矩之和為

(3)

軸承在啟動過程中摩擦力矩值并不恒定，有時會存在大點(diǎn)或死點(diǎn)。常溫下測試相對簡單，往往多次測量取平均值，而對于本試驗裝置，冷控箱在降溫及測試過程中起著關(guān)鍵的作用，由于測試過程溫度極低，達(dá)到待測溫度需打開冷控箱蓋子，此時降溫系統(tǒng)需要保持工作狀態(tài)，保證其降溫要求并能及時吸收空氣中的水蒸氣，防止混入軸承影響潤滑劑的性能。為此應(yīng)盡量減少測量次數(shù)，故測試數(shù)據(jù)一般以最小啟動摩擦力矩為準(zhǔn)。

由于被測軸承的清潔度對摩擦力矩影響明顯，故要求軸承從存儲到測試都要規(guī)范，防銹油、汽油均要按要求嚴(yán)格過濾。為清除軸承內(nèi)雜質(zhì)，測試軸承需先去磁，用無水酒精清洗2～3遍，再用過濾汽油清洗3遍。然后烘干，除凈軸承內(nèi)殘存的汽油，以防降溫時其凝固影響測試精度。最后用試針加3滴潤滑劑于被測軸承中，預(yù)熱至50 ℃并保持30 min,以消除潤滑劑內(nèi)應(yīng)力。

先在常溫下測試軸承的啟動摩擦力矩，記錄數(shù)據(jù)后放入冷控箱內(nèi)，然后在不同的低溫下測試啟動摩擦力矩。更換不同潤滑劑的測試均須重復(fù)上述操作步驟。測試過程中使用的砝碼均由高精度天平測試儀標(biāo)定，砝碼最小精度為0.01 g，放置砝碼時產(chǎn)生的沖擊力會影響測試結(jié)果，故砝碼要輕拿輕放。

2 測試樣品

被測軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

潤滑劑對軸承摩擦力矩的影響非常大，潤滑應(yīng)能在各種工況條件下使軸承工作表面保持適當(dāng)?shù)挠湍?，從而保持小而穩(wěn)定的摩擦力矩，提高軸承的工作壽命[2]。試驗的油品為：(1)特4，特5精密儀表油(簡稱特4#，特5#油)是由有機(jī)硅油復(fù)合而成的合成油，是高精密儀表軸承原用的油品，黏度低，具有很好的黏溫性能[3]；(2)低黏度聚醚潤滑油及68#聚醚型合成油，具有優(yōu)良的黏度指數(shù)，68#聚醚的黏度指數(shù)>180。通過四球機(jī)試驗已證明特5#油耐磨性較差，而68#聚醚型合成油有較好的耐磨性[4]，有利于提高軸承的工作壽命。各種潤滑劑具有各自不同的優(yōu)勢，流變性能對比見表2。

表2 各種合成油品的流變性能對比

3 試驗分析

3.1 與YZC-II的比較試驗

由于試驗機(jī)為純機(jī)械裝置，結(jié)構(gòu)相對簡單，而被測軸承精度高、摩擦力矩值很小，故對裝置零部件的加工精度要求高，為檢測其可靠性，在室溫下(8 ℃)與常用的YZC-II摩擦力矩測試儀進(jìn)行結(jié)果比對。隨機(jī)抽取5套軸承，潤滑劑為特4#油，對軸承施加5 N的軸向載荷，用YZC-II測試儀測得的啟動摩擦力矩值見表3。采用該試驗裝置，在室溫下采用相同的條件 (軸向載荷5 N，潤滑劑為特4#油)多次測量每組軸承最小啟動摩擦力矩值約為50～60 μN(yùn)·m，即平均每套軸承的最小啟動摩擦力矩值約為25～30 μN(yùn)·m，與表3對應(yīng)的最小值29.14～36.74 μN(yùn)·m相比，兩種儀器測試結(jié)果有一定的吻合性。

表3 YZC-II啟動摩擦力矩測試結(jié)果 μN(yùn)·m

3.2 潤滑油的低溫性能試驗

為了測試低溫下潤滑劑的性能，隨機(jī)抽取3組(每組2套)軸承，分別對表2中的4種潤滑劑進(jìn)行測試。表4為軸向載荷為1 N時3組軸承在不同溫度下的啟動摩擦力矩測試結(jié)果，表5為第1組軸承在軸向載荷為5 N時的測試結(jié)果。

表4 不同溫度下3組軸承啟動摩擦力矩值 μN(yùn)·m

表5 第1組軸承啟動摩擦力矩測試結(jié)果 μN(yùn)·m

值得注意的是，在低溫測試過程中，因軸承降溫過程時間長，潤滑劑無流動性，啟動摩擦力矩值偏大，一旦啟動后再次測量，摩擦力矩就會稍微下降(呈現(xiàn)非Newton流體特性)。

由表4、表5可知，當(dāng)軸向載荷增大時，啟動摩擦力矩也相對增加，但潤滑劑的低溫特性規(guī)律保持一致，4種潤滑劑在室溫下的啟動摩擦力矩值相差不大。特4#，特5#潤滑劑的低溫性能較好，在-50～- 60 ℃下啟動過程中稍微滯后且數(shù)值變化不大，同時，力矩數(shù)值的重復(fù)性說明該裝置低溫下測試效果的可靠性。盡管文獻(xiàn)[4]中的四球機(jī)試驗表明低黏度聚醚和68#聚醚常溫下有較好的耐磨性，但由于傾點(diǎn)低于-55 ℃，在-40 ℃時啟動過程變得相對緩慢，降至-50 ℃時啟動摩擦力矩值波動較大，故其低溫性能相對較差。

4 結(jié)論

(1) 設(shè)計的低溫啟動摩擦力矩測試裝置可根據(jù)不同工況要求改變軸向載荷，其加載裝置能夠保證載荷均勻地施加在被測軸承上。整個裝置結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，在苛刻的低溫下有較好的重復(fù)性。

(2) 4種潤滑劑在室溫下的啟動摩擦力矩值相差不大，啟動摩擦力矩值隨著載荷增加而增加。特4#，特5#潤滑劑的低溫性能較好，-50～-60℃時啟動稍微滯后，力矩數(shù)值能重復(fù)；而低黏度聚醚和68#聚醚常溫下有較好的耐磨性，但對于啟動摩擦力矩要求靈敏的超低溫環(huán)境不能更好地發(fā)揮其優(yōu)勢。