白 丹

(許昌學院 電氣(機電)工程學院，河南 許昌 461000)

滾動軸承是裝備與制造業(yè)中關鍵的基礎零部件，已成為制約我國在高速鐵路、高精密機床、風力發(fā)電機、飛機發(fā)動機等領域中進行自主制造的攻堅堡壘.摩擦學界對脂潤滑摩擦副間的膜厚研究，主要集中在充分供脂和乏脂兩種潤滑條件下的計算和測試.Cann(1999)[1]研究對比了充分供脂和乏脂兩種情況下滾動接觸的潤滑膜的變化情況[2]，在高速狀態(tài)下，可用經(jīng)典的油膜厚度計算公式(Hamrock-Dowson公式)來計算出膜厚[3].在乏脂情況下，基礎油黏度、稠化劑含量和滾動速度的增加會引起潤滑脂析油率的下降，當溫度上升時，乏脂現(xiàn)象會有所緩解.由此可見，對于充分供脂和乏脂情況下的油膜厚度的計算需要區(qū)別對待，而潤滑脂流變參數(shù)(稠化劑、基礎油黏度、速度、溫度等)的變化對油膜厚度的影響并不一致，這與潤滑脂在彈流潤滑接觸過程中的結構有關.

速度主要會影響到潤滑脂的流動特性，從而改變脂潤滑膜的厚度.在高速狀態(tài)下(它的牽引速度大于1 m/s)，Caan(1996)[4]發(fā)現(xiàn)稠化劑會被推壓至摩擦副接觸的軌道兩側.對此，Lugt[5]認為，在高速情況下，油脂和基礎油的黏度在高剪切速率的條件下差異很小，因此油膜厚度可利用基礎油黏度直接計算(套用Hamrock-Dowson公式).在中等速度(牽引速度介于0.02～1 m/s之間)狀態(tài)下，Cyriac等人(2016)[6]發(fā)現(xiàn)彈流潤滑狀態(tài)下的脂膜厚度與油脂稠化劑顆粒大小有關，并且脂膜厚度大于使用基礎油黏度直接計算而得的油膜厚度.在低速(牽引速度小于0.02 m/s)狀態(tài)下，Hurley等[7]和Dong等[8]和Kimura等[9]進行了低速運轉條件下的研究，得到與[7]類似的結論，認為在低速運轉情況下，稠化劑的局部結塊是油膜的主要成因.Kimura等[9]還利用Ertel-Grubin理論建立了一個預判低速運轉狀態(tài)下的油脂油膜厚度變化的數(shù)學模型.

這些研究都只是建立在摩擦副單點接觸的基礎上，而實際軸承摩擦副接觸的情況非常復雜，因為在完整軸承運行時測量摩擦副之間的油脂油膜厚度非常困難，在單點接觸時的光學干涉法已不能滿足測量要求.本文利用帶有電容測量裝置的軸承膜厚測試機進行模擬實驗，對低速脂潤滑滾動軸承膜厚影響機理進行研究.

1 實驗部分

實驗采用的軸承膜厚測試機帶有電容測試裝置如圖1、圖2所示.包括一個密封的滾動軸承，一對電極與滾動軸承內外圈相連接，與這對電極相連的是一臺電壓測試器，與電壓測試器相連的示波器會將電壓測試器測量值顯示出來；在滾動軸承軸向兩側附有兩塊密封板，該密封板可以保證在滾動軸承轉動過程中軸承內外圈與滾動體之間有充足的油脂；與軸承內外圈相連接的一對電極會將軸承內部因潤滑情況的改變而形成的電壓變化傳導至電壓測試器；電壓測試器將這種電壓變化經(jīng)過分析后傳導至示波器；示波器在經(jīng)過分析后將電壓變化轉化為電容變化，并最終將電容變化轉化為膜厚值顯示出來.采用的軸承膜厚測試機的具體測試條件如表1所示，測試用油脂特征參數(shù)如表2所示.具體測試步驟如下.

圖1 軸承膜厚測試機示意圖

圖2 軸承膜厚測試實驗前后對比圖

徑向載荷/N最大接觸載荷/N最大壓強/GPa溫度/℃速度/RPM速度/(m/s)1 0006061.3460,1001～5 RPM &160～1 280 RPM1.231 0-3～6.151 0-3& 1.91×10-1～1.57×10-1

表2 測試用油脂特征參數(shù)

1.1 系統(tǒng)校準調試

將電容測試裝置與樣品電容(電容值Cs=400 nF)連接，開啟補償箱、參照電容控制器和濾波器電源，將參照電容值(Cr)設定為10 nF，并將濾波器調至3 KHz；受試電容器連接系統(tǒng)后的輸出電壓Vt可根據(jù)公式Vt=Vmax×Cr÷(Cr+Ct)計算，式中，受試電容值Ct為樣品電容值，Cs=400 nF，Vmax是系統(tǒng)最大輸出電壓為10 V，參照電容Cr=10 nF.根據(jù)需要，逐個連接補償箱中的電容，直到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)顯示的輸出電壓等于計算出的輸出電壓Vt.因為這幾個電容為并聯(lián)，補償總電容即為所連接電容的和值.至此，校準調試步驟完成.校準完成后，受試摩擦副輸出電壓等于計算出的輸出電壓Vt.

1.2 摩擦副電容測試

用電纜將受試摩擦副表面測點位置與補償箱連接起來，并將摩擦副表面測點與電纜連接處用環(huán)氧樹脂封裝，避免信號受外部干擾.調試參照電容控制器中參照電容值,從可選的三個參照電容值中的10 nF開始選擇，如輸出電壓值Vt大于5 V，則選用1 nF，如輸出電壓值Vt還是大于5 V，則選用100 pF；依次選擇通濾波器的5個截止頻率對輸出信號消噪，選擇輸出信號噪聲信號最小的截止頻率；上述步驟正確完成后，PCT控制器輸出值Vp即受試摩擦副在某一段單位測試時間內出現(xiàn)干摩擦(油膜厚度為0)的比例；經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出的電壓值Vt即為受試摩擦副電容形成的電壓.

1.3 獲取測點膜厚數(shù)值

2 結果與討論

圖3、圖4為兩種測試油脂在60 ℃和100 ℃的膜厚測試結果.可以看到：隨著速度的增加，脂膜厚度的變化情況形成了“V”型曲線.脂膜厚度先下降后上升，將此速度命名為“轉變速度”.在速度低于轉變速度時，油脂的脂膜厚度遠大于計算得出的基礎油的油膜厚度.同時，速度超過轉變速度后的脂膜厚度與相應的基礎油油膜厚度差別逐漸縮小并最終將會重合.由于測試溫度是依靠軸承外圈實時溫度來確定的，因此，基礎油計算油膜厚度值實際上應該會比圖上結果更小一些.這就解釋了圖中油脂測試結果在高速狀態(tài)下與基礎油計算結果的細微差別.因此，在速度大于轉變速度時，可以認為膜厚度與相應的基礎油油膜厚度相等.

3 結語

利用帶有電容測試裝置的軸承膜厚測試機進行了測試.結果表明：在低速狀態(tài)(低于轉變速度)下，脂膜厚度高于基礎油油膜厚度并且隨著速度的提高而下降；當速度高于轉變速度時，脂膜厚度隨著速度的提高而變大，并且逐漸與基礎油油膜厚度達成一致.

圖3 油脂A測試結果注：線條代表相應溫度下基礎油油膜厚度，實心符號為60 ℃的測試結果，空心符號為100 ℃的測試結果.

圖4 油脂B測試結果注：線條代表相應溫度下基礎油油膜厚度，實心符號為60 ℃的測試結果，空心符號為100 ℃的測試結果.