李桂枝 白清華 荊兆剛 郭 峰 楊 萍 栗心明

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 山東青島 266520)

滾動(dòng)軸承是機(jī)械裝備常用零件之一，廣泛應(yīng)用于普通旋轉(zhuǎn)機(jī)械、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、精密機(jī)床等[1]。滾動(dòng)體與滾道之間的接觸是一種典型的高副點(diǎn)接觸，常因潤(rùn) 滑不良而導(dǎo)致軸承損傷甚至失效。因此，探索不同工況下滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑性能尤為重要。摩擦因數(shù)作為評(píng)價(jià)滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑性能的一個(gè)重要指標(biāo)，受到了研究者的廣泛重視并做了大量的研究。MERRITT[2]最先設(shè)計(jì)了圓盤試驗(yàn)機(jī)研究線接觸潤(rùn)滑中兩表面之間的摩擦因數(shù)。SMITH[3]設(shè)計(jì)了斜交圓盤試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)改變上下圓盤軸線之間的角度，實(shí)現(xiàn)不同滑滾比條件下的試驗(yàn)測(cè)量，揭示了在不同的環(huán)境溫度、載荷和卷吸速度下，摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)速度的變化規(guī)律。CROOK[4]設(shè)計(jì)了四盤試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)量滾動(dòng)點(diǎn)附近的摩擦因數(shù)，得出試驗(yàn)確定的摩擦因數(shù)與理論計(jì)算值之間存在許多定性相似性。錢林茂等[5]研制了自適應(yīng)微摩擦綜合測(cè)試儀，可精確測(cè)量毫牛量級(jí)的摩擦力。MARTINI等[6]在WAM4試驗(yàn)機(jī)上測(cè)得了彈流摩擦因數(shù)，并對(duì)減小摩擦因數(shù)的3種方法進(jìn)行了研究。目前為止，國(guó)內(nèi)外測(cè)量摩擦因數(shù)比較普遍的儀器主要有德國(guó)的SRV系列多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、美國(guó)UMT多功能摩擦磨損測(cè)試儀器[7]以及不同形式的球盤接觸試驗(yàn)機(jī)。

滾動(dòng)軸承在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于滾動(dòng)體的打滑以及微觀滑動(dòng)的存在，所以并不是做純滾運(yùn)動(dòng)。尹昌磊等[8]對(duì)Newton流體和Ree-Eyring流體線接觸問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明在等溫條件下摩擦因數(shù)隨著滑滾比的增大而增大；在考慮熱效應(yīng)條件下，摩擦因數(shù)隨著滑滾比增大出現(xiàn)了先增大后減小的現(xiàn)象。劉焜等人[9]針對(duì)大滑滾比工況下的摩擦因數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，得到了一系列摩擦曲線，結(jié)果表明在大滑滾比下摩擦因數(shù)受滑滾比的影響很小。段俊杰和張德坤[10]使用NGY-6納米潤(rùn)滑膜測(cè)量?jī)x研究了點(diǎn)接觸低速輕載時(shí)的滑滾特性，結(jié)果表明摩擦因數(shù)隨著滑滾比的增大逐漸增大后趨于平緩。ZHANG等[11]提出了一種研究線接觸滑滾條件下摩擦力的數(shù)值方法，研究了載荷、卷吸速度、表面粗糙度和滑滾比對(duì)摩擦因數(shù)的影響。楊萍[12]使用球-盤點(diǎn)接觸光干涉潤(rùn)滑油膜與摩擦力測(cè)量裝置研究了不同潤(rùn)滑劑結(jié)構(gòu)的彈流油膜摩擦特性，探索油膜摩擦特性與分子結(jié)構(gòu)的依賴關(guān)系。ZHAO等[13]建立了考慮邊界滑移和傳熱耦合影響的數(shù)值模型，研究了大滑滾比條件下彈流潤(rùn)滑問(wèn)題。以上的試驗(yàn)研究多集中于球-盤接觸或盤-盤接觸，而實(shí)際軸承中滾動(dòng)體與內(nèi)外滾道之間為球-環(huán)接觸，并且球-盤接觸時(shí)其離心力為水平方向,與實(shí)際軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)離心力方向是不一致的。ZHANG等[14]設(shè)計(jì)了球-環(huán)接觸潤(rùn)滑膜厚試驗(yàn)裝置，但是無(wú)法測(cè)量摩擦力。因此，本文作者設(shè)計(jì)了球-環(huán)接觸潤(rùn)滑油摩擦力測(cè)量系統(tǒng)，更加真實(shí)地模擬了滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)方式。文中對(duì)其結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了介紹，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證測(cè)量裝置的準(zhǔn)確性。

1 測(cè)量結(jié)構(gòu)

1.1 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)

球-環(huán)接觸潤(rùn)滑油摩擦力測(cè)量系統(tǒng)可以模擬滾動(dòng)軸承中滾動(dòng)體與軸承外圈之間的接觸，通過(guò)調(diào)節(jié)球和環(huán)的轉(zhuǎn)速可以測(cè)得不同滑滾比下的摩擦力。測(cè)量裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括支承臺(tái)架、平移裝置、環(huán)驅(qū)支承裝置、球驅(qū)支承裝置、摩擦力測(cè)量裝置5部分。

支承臺(tái)架起到支承和固定試驗(yàn)臺(tái)各個(gè)零部件的作用，由上下底板和4根立柱組成。平移裝置主要由平移板以及鋪在上底板的導(dǎo)軌組成，平移裝置可以帶動(dòng)球驅(qū)支承裝置和摩擦力測(cè)量裝置左右平移。試驗(yàn)過(guò)程中，鋼環(huán)滾道內(nèi)側(cè)會(huì)被劃傷，出現(xiàn)劃痕，這時(shí)可以通過(guò)手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)改變鋼球與鋼環(huán)的接觸位置。環(huán)驅(qū)支承裝置起到支承和驅(qū)動(dòng)鋼環(huán)回轉(zhuǎn)的作用，伺服電機(jī)通過(guò)帶輪帶動(dòng)鋼環(huán)卡盤轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)鋼環(huán)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)PC上位機(jī)調(diào)節(jié)脈沖參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼環(huán)速度的精確控制。球驅(qū)支承裝置起到支承和驅(qū)動(dòng)鋼球回轉(zhuǎn)的作用，主要由伺服電機(jī)、鋼球、支承座、加載板等組成，伺服電機(jī)通過(guò)球軸帶動(dòng)鋼球旋轉(zhuǎn)。對(duì)加載板末端施加載荷，載荷通過(guò)加載板傳遞到鋼環(huán)與鋼球接觸位置，實(shí)現(xiàn)加載過(guò)程。摩擦力測(cè)量裝置起到對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的摩擦力采集的作用，主要由一對(duì)傳感器和一對(duì)位移臺(tái)組成。

圖1 試驗(yàn)儀器整體結(jié)構(gòu)

環(huán)驅(qū)支承裝置還涉及到環(huán)的裝夾和調(diào)平問(wèn)題，如圖2所示，主要零件有支承座、鋼環(huán)卡盤、內(nèi)六角螺釘、鋼環(huán)和柔性元件。鋼環(huán)裝夾過(guò)程就是將鋼環(huán)放入鋼環(huán)卡盤內(nèi)，然后通過(guò)擰緊均勻分布在鋼環(huán)卡盤上的兩列內(nèi)六角螺釘實(shí)現(xiàn)其裝夾固定。當(dāng)鋼環(huán)固定微緊以后，再通過(guò)千分表完成對(duì)鋼環(huán)同軸度和跳動(dòng)度調(diào)整。具體步驟為：將千分表側(cè)頭定位于鋼環(huán)內(nèi)表面，然后給鋼環(huán)一初速度使其做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；通過(guò)觀察千分表指針的擺動(dòng)，來(lái)調(diào)節(jié)分布在鋼環(huán)卡盤上的內(nèi)六角螺釘，從而保證鋼環(huán)與鋼環(huán)卡盤的同軸。

圖2 環(huán)驅(qū)支承裝置

1.2 測(cè)量原理

摩擦力是通過(guò)摩擦力測(cè)量單元獲得的，如圖3所示。該測(cè)量單元主要零件包括傳感器、位移臺(tái)、十字桿。采用2個(gè)傳感器對(duì)稱分布的方式，2個(gè)傳感器分別固定在2個(gè)位移臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)水平方向的移動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)，摩擦力會(huì)使球驅(qū)支承裝置產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，此時(shí)位于球驅(qū)支承裝置下方的十字桿會(huì)與力傳感器接觸，進(jìn)而產(chǎn)生壓力數(shù)據(jù)。傳感器獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)USB5935數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)絇C上，通過(guò)程序?qū)@得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成摩擦力的大小并實(shí)時(shí)顯示在測(cè)量界面中。

被測(cè)摩擦力F1與傳感器測(cè)量值F2之間的關(guān)系如式(1)所示。

F1l1=F2l2

(1)

式中：l1為鋼球中心到十字桿中心的距離；l2為十字桿中心到十字桿端部的距離。

圖3 摩擦力測(cè)量單元

1.3 傳感器標(biāo)定

傳感器在使用之前，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，減小由傳感器引起的試驗(yàn)誤差。標(biāo)定時(shí)，取10～800 g的砝碼，依次放在傳感器1上，記錄對(duì)應(yīng)電壓值，然后根據(jù)數(shù)據(jù)擬合出標(biāo)定線。圖4所示為1號(hào)傳感器的標(biāo)定曲線。

圖4 1號(hào)傳感器的標(biāo)定擬合曲線

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)條件

在球-環(huán)接觸潤(rùn)滑油摩擦力測(cè)量系統(tǒng)中，環(huán)與球構(gòu)成了高副點(diǎn)接觸。試驗(yàn)所用鋼環(huán)材料為45鋼，內(nèi)徑110 mm，表面粗糙度Ra=0.8 μm，彈性模量210 GPa，泊松比0.31。試驗(yàn)所用鋼球材料為GCr15鋼，直徑25.4 mm，表面粗糙度Ra=0.005 μm。試驗(yàn)工況：試驗(yàn)環(huán)境溫度(22±1) ℃；試驗(yàn)固定載荷為45 N，對(duì)應(yīng)的赫茲接觸應(yīng)力為0.75 GPa；卷吸速度Ue為64～512 mm/s，Ue=(Ub+Ur)/2，Ub和Ur分別為鋼球和鋼環(huán)接觸點(diǎn)的表面速度；試驗(yàn)中的滑滾比為0～1.8，滑滾比S=ΔU/Ue,其中ΔU=Ur-Ub,為兩表面速度差即滑差，文中默認(rèn)環(huán)速大于球速時(shí)，滑滾比為正。

PAO系列油是最常用的合成潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油，具有良好的流動(dòng)性、氧化穩(wěn)定性和摩擦性能。因此，試驗(yàn)選用2種PAO系列油：PAO20和PAO40。表1給出了試驗(yàn)所用潤(rùn)滑油的性能參數(shù)。

表1 試驗(yàn)用潤(rùn)滑油性能參數(shù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖5所示的是PAO20潤(rùn)滑油在不同卷吸速度下摩擦因數(shù)隨滑滾比的變化曲線。

圖5 PAO20潤(rùn)滑油的摩擦因數(shù)隨滑滾比變化曲線

可以看出，摩擦因數(shù)隨著滑滾比增加經(jīng)歷了2個(gè)階段：第一階段緩慢增大直至出現(xiàn)平緩；第二階段由平緩變?yōu)橄陆怠Ｔ撛囼?yàn)結(jié)果與楊萍[12]使用球-盤點(diǎn)接觸光干涉測(cè)量裝置測(cè)得的結(jié)果趨勢(shì)類似。摩擦因數(shù)出現(xiàn)2個(gè)階段的原因是隨著滑滾比的增加，潤(rùn)滑油受到剪切作用會(huì)從牛頓流體特性轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟凶兿?、極限剪應(yīng)力等非牛頓效應(yīng)，黏度發(fā)生變化從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)增加緩慢甚至出現(xiàn)平緩；當(dāng)滑滾比再增大時(shí)，熱效應(yīng)占主導(dǎo)作用，也就是第二階段，此時(shí)摩擦因數(shù)開(kāi)始下降。

同時(shí)，從圖中5可以看出卷吸速度對(duì)摩擦因數(shù)經(jīng)歷的變化階段是有影響的，只有卷吸速度為512 mm/s時(shí)摩擦因數(shù)才出現(xiàn)了第二階段。

圖6所示的是PAO40潤(rùn)滑油在不同卷吸速度下摩擦因數(shù)隨滑滾比的變化曲線。摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)與圖5中類似，唯一不同的是當(dāng)滑滾比增加到1.8，卷吸速度增加到512 mm/s時(shí)，摩擦因數(shù)的變化均未出現(xiàn)第二階段，還是一直緩慢增加的。

圖6 PAO40潤(rùn)滑油的摩擦因數(shù)隨滑滾比變化曲線

圖7(a)、(b)分別表示PAO20和PAO40潤(rùn)滑油在不同滑滾比下摩擦因數(shù)隨卷吸速度的變化曲線?？梢钥闯?，在同一滑滾比條件下，隨著卷吸速度的增大，PAO20和PAO40潤(rùn)滑油的摩擦因數(shù)均會(huì)明顯地減小，與經(jīng)典的潤(rùn)滑理論的結(jié)果一致，這也驗(yàn)證了測(cè)量裝置的準(zhǔn)確性。同時(shí)，在相同的卷吸速度下，摩擦因數(shù)隨著滑滾比的增大而逐漸增大。分析原因是相同卷吸速度條件下，滑滾比增大意味著球環(huán)之間的滑差增大，從而使?jié)櫥褪艿降募魬?yīng)力增大，導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大。

圖8所示為不同滑滾比下得到的PAO潤(rùn)滑油的摩擦因數(shù)隨Hersey數(shù)(ηU/p)變化曲線即Stribeck曲線，圖中虛線和實(shí)線分別是由滑滾比為0.6和滑滾比為1.2的數(shù)據(jù)點(diǎn)光滑得到的。可以看出，不同滑滾比下的摩擦因數(shù)與Hersey數(shù)有很好的相關(guān)性，同時(shí)，不同滑滾比下的Stribeck曲線是不同的。

圖7 摩擦因數(shù)隨卷吸速度變化曲線

圖8 摩擦因數(shù)隨Hersey數(shù)(ηU/p)的變化曲線

3 結(jié)論

(1)研制了球-環(huán)接觸潤(rùn)滑油摩擦力測(cè)量系統(tǒng)，并利用此測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量試驗(yàn)，表明該測(cè)量系統(tǒng)可以用于潤(rùn)滑油摩擦力的試驗(yàn)研究。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明摩擦因數(shù)受滑滾比、卷吸速度、黏度等因素的影響，摩擦因數(shù)隨著滑滾比的增大而緩慢增大直至平緩；隨著卷吸速度的增大而減小。該結(jié)果與經(jīng)典的潤(rùn)滑理論的結(jié)果一致，驗(yàn)證了測(cè)量裝置的準(zhǔn)確性。