白 丹 范志勇 岑 輝

(1.許昌學(xué)院電氣與機械工程學(xué)院 河南許昌 461000；2.許昌市電化教育館 河南許昌 461000)

據(jù)粗略統(tǒng)計，世界上80%～90%的滾動軸承都使用潤滑脂作為潤滑劑，且大約有超過一半的軸承失效源自于潤滑問題[1]。脂潤滑軸承的主要潤滑問題是由于潤滑薄膜被破壞，無法將滾動體和軸承內(nèi)外圈完全分開，導(dǎo)致劇烈的金屬和金屬之間的刮擦，進而導(dǎo)致材料的劇烈磨損，最終導(dǎo)致軸承失效。由此可見，研究脂潤滑軸承的膜厚影響機制對提升軸承壽命具有重要意義。但由于潤滑脂本身為半固體狀態(tài)且具有非牛頓流體特性，造成其彈流理論計算復(fù)雜，且滾動軸承運行過程中的實時潤滑膜厚極難準(zhǔn)確測量，根據(jù)經(jīng)驗公式所建立的彈流膜厚預(yù)測模型極難在工業(yè)中直接應(yīng)用。學(xué)界已發(fā)展了多種技術(shù)對彈流潤滑膜厚進行有效測量，如光干涉法[2-3]、超聲波法[4]、光誘導(dǎo)熒光法[5]、電壓放電法[6]、電阻法[7]、電容法[8]，阻容振蕩技術(shù)[9]。雖然人們普遍認(rèn)為光干涉法是測量彈流潤滑油膜厚度最精確的方法，但該技術(shù)要求透明材料(如玻璃或藍(lán)寶石)作為接觸面之一，不適用于實際運行的軸承。除了光干涉法外，電容法由于其方法簡單和測量范圍廣而被認(rèn)為是最可靠的方法之一[10]。WIKSTR?M和JACOBSON[11]利用電容法首先對脂潤滑球面滾子軸承的膜厚進行了有效測量，近年來許多研究人員在電容法測試滾動軸承彈流潤滑膜厚方面進行了更加深入的研究[12-18]。由于脂潤滑滾動軸承的影響因素較多，各影響因素之間互相有聯(lián)系，其中的影響路徑尚不明了，且尚未有完整數(shù)學(xué)模型用以預(yù)測脂潤滑滾動軸承運行時的彈流潤滑膜厚值。因此，本文作者以處于彈流潤滑狀態(tài)下的脂潤滑滾動軸承的油膜厚度為研究對象，利用電容測試法對其影響機制進行分析，為脂潤滑滾動軸承彈流模型的建立奠定理論與實踐基礎(chǔ)。

1 實驗部分

文中利用軸承試驗臺架(如圖1所示)對脂潤滑深溝球軸承的動態(tài)彈流潤滑膜厚進行測量。該臺架使用HEEMSKERK等[19]研發(fā)的Lubcheck測量儀器對軸承內(nèi)外圈之間的電容進行了測量。受試軸承外圈安裝在軸承箱(絕緣材料制成)內(nèi)，其內(nèi)圈與主軸進行配合。主軸通過磁力聯(lián)軸器與電機主軸連接，并通過一個支撐軸承進行自對準(zhǔn)，支撐軸承與試驗臺架的外部框架進行連接。

圖1 軸承測試臺架示意Fig 1 Bearing test rig

軸承在運轉(zhuǎn)過程中，其外圈固定不動且與Lubcheck儀器直接連接，而內(nèi)圈通過水銀觸點與Lubcheck相連。一旦軸承滾動體與內(nèi)外圈之間形成一層完整的潤滑膜，軸承滾動體和內(nèi)外圈將形成電絕緣狀態(tài)，從而使Lubcheck能夠測量軸承的電容(Cbearing)。該電容可以被視為并聯(lián)的“Z”個滾動體與軸承內(nèi)外圈形成的單獨電容器的總電容，而每個單獨的電容量是由一個滾動體與內(nèi)圈之間所形成的電容(Cinner)以及與外圈之間形成的電容(Couter)所決定。軸承內(nèi)外圈與Lubcheck之間連接有一個補償箱，用以消除連接導(dǎo)線電感產(chǎn)生的影響。通過Lubcheck可將測量到的軸承電容轉(zhuǎn)換成輸出電壓Ucap，并在計算機上進行記錄。記錄的Ucap信號經(jīng)過校準(zhǔn)換算后可以用來表征軸承內(nèi)外圈之間的平均薄膜厚度。校準(zhǔn)測試過程與WILSON[20]所做的研究類似：首先使用受試潤滑脂析出油進行全浸入潤滑條件下的校準(zhǔn)測試，在不同軸承轉(zhuǎn)速與負(fù)載的條件下，可得到輸出電壓Ucap與潤滑膜厚度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，其中的潤滑膜厚可使用析出油的黏度和Hamrock-Dowson公式[21]進行計算，典型校準(zhǔn)測試結(jié)果如圖2所示。根據(jù)校準(zhǔn)測試結(jié)果的擬合曲線，可得到不同測試條件下潤滑膜厚度與輸出電壓之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。由此，進行潤滑脂測試時的輸出電壓可以轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的潤滑膜厚度。

圖2 校準(zhǔn)測試結(jié)果示例Fig 2 An example of calibration test results

文中所測試軸承為6209-2Z/C3型號深溝球軸承，其具體參數(shù)如表1所示。為了消除制造誤差對測量結(jié)果的影響，每種受試潤滑脂使用一個相同型號的軸承進行測試。文中所測試的3種潤滑脂的具體參數(shù)如表2所示。受試軸承在測試過程中僅加載軸向載荷，使每個滾珠與軸承內(nèi)外圈之間的載荷和油膜厚度均勻分布。軸承油膜厚度測試在室溫下進行，軸承外圈接有熱電偶，可測量軸承運行時的實時溫度。該實時溫度會隨軸承運行過程中的摩擦變化而變化，尤其在軸承啟動過程中，潤滑脂的攪拌過程會導(dǎo)致大量的摩擦熱。隨后由于潤滑脂的竄流現(xiàn)象，軸承接觸區(qū)域的潤滑脂大量流失，軸承溫度大幅下降。因此，軸承運行溫度與轉(zhuǎn)速有關(guān)。

表1 受試軸承參數(shù)

表2 受試潤滑脂參數(shù)

圖3(a)展示了受試軸承在加注PU/E脂和513 N載荷的情況下，軸承外圈溫度與運轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系。圖3(b)展示了受試軸承在加注PU/E脂及513 N載荷和1 000 r/min轉(zhuǎn)速情況下的2次測量結(jié)果，結(jié)果證實試驗裝置的實驗結(jié)果具有很好的重復(fù)性。為消除溫度的影響，文中擬將測量所得潤滑膜厚度進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即使用測量所得潤滑膜厚度hg與全浸入潤滑膜厚hff的比值hg/hff來表征標(biāo)準(zhǔn)潤滑膜厚。其中全浸入潤滑膜厚值hff使用Hamrock-Dowson公式[21]進行計算，實時溫度下的黏度可結(jié)合表2中所示的40 ℃下的給定黏度及Walther方程[22]進行計算，計算過程中所需幾何參數(shù)見表1。

圖3 PU/E脂潤滑下軸承運行溫度及膜厚測量結(jié)果Fig 3 Measurement results of bearing operating temperature and film thickness under PU/E grease lubrication(a)real-time temperature of bearing outer ring at 513 N;(b) repeatability test results of oil filmthickness and real-time temperature of bearing outer ring at 1 000 r/min and 513 N

2 結(jié)果與討論

2.1 速度對彈流膜厚的影響

對3種受試潤滑脂(見表1)分別在4種不同轉(zhuǎn)速和固定軸向載荷513 N的條件下進行實時潤滑膜厚度測試，其絕對膜厚值如圖4所示，標(biāo)準(zhǔn)化膜厚結(jié)果如圖5所示。

圖5 受試潤滑脂在載荷513 N及不同轉(zhuǎn)速下的標(biāo)準(zhǔn)化膜厚測試結(jié)果Fig 5 The relative film thickness measurement reults of the tested greases at different speedsand a fixed axial load of 513 N (a) PU/E;(b)Li/M;(c) LiC/PAO

實驗開始階段(實驗開始10 s內(nèi))，測得的潤滑膜厚度hg大于根據(jù)基礎(chǔ)油黏度所計算的全浸入潤滑(fully flooded)膜厚hff(hg/hff>1)。這表明全浸入潤滑條件下，潤滑脂中的增稠劑對潤滑膜厚起到了較為重要的作用[23-24]。隨之，潤滑膜厚值急劇降低，這是由于軸承運行最初階段溫度急劇升高(如圖4所示)而導(dǎo)致黏度降低，從而出現(xiàn)了貧油(starved lubrication)現(xiàn)象。較低轉(zhuǎn)速下hg/hff值較高，表明在較高轉(zhuǎn)速下的貧油現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

圖4 受試潤滑脂在載荷513 N及不同轉(zhuǎn)速下的絕對膜厚測試結(jié)果Fig 4 The absolute film thickness measurement reults of the tested greases at different speedsand a fixed axial load of 513 N (a) PU/E;(b)Li/M;(c) LiC/PAO

圖5表明標(biāo)準(zhǔn)化膜厚值(hg/hff)在初期急劇下降后隨之有一個快速上升的過程，從而形成一個‘V’形變化趨勢。形成這種現(xiàn)象主要應(yīng)歸因于溫度的急劇上升，導(dǎo)致黏度急劇下降，全浸入潤滑膜厚hff計算值劇烈下降，而此時的潤滑膜厚度hg值變化并不大，最后導(dǎo)致hg/hff值出現(xiàn)較大的變化。此外，文中所測試的實時溫度為受試軸承外圈的溫度，在軸承實際發(fā)熱和溫度測量之間會有一個時間差。因此，此階段計算全浸入潤滑膜厚hff值所使用的溫度會比實際溫度低，計算所得hff值比實際值高。所以，此階段的‘V’形變化趨勢在考慮測量溫度的時間差后應(yīng)該更加明顯。

圖5表明速度越快，這種‘V’形變化趨勢會更加明顯，原因就在于溫度的上升速度會更快，因而溫度測量時間差所導(dǎo)致的影響會更大。但隨著測試時間的延長，溫度一旦穩(wěn)定后，這種因溫度測量時間差所導(dǎo)致的現(xiàn)象會消除。速度越快，這種溫度變化越明顯(如圖4(a)所示PU/E脂在4 000 r/min速度下的溫度變化)。

總的來說，當(dāng)溫度穩(wěn)定后，所有潤滑脂的油膜厚度都變得相當(dāng)穩(wěn)定。正如WIKSTR?M和JACOBSON[11]所解釋的那樣，潤滑膜在大約2.5 h后達(dá)到了“供給和損失”的平衡。另外，所有受試潤滑脂在經(jīng)過20 h的測試后，潤滑膜厚值差別并不大。應(yīng)注意，文中的20 h測試時間與潤滑脂預(yù)期壽命(即L10=5 000 h)相比非常短，因此，潤滑膜厚會進一步減小，但這種減小的過程將會相當(dāng)漫長，文中對這一點暫不進行討論。

如圖5所示，溫度穩(wěn)定后，標(biāo)準(zhǔn)化潤滑膜厚隨著速度的增加而減小。這表明乏油程度(標(biāo)準(zhǔn)化膜厚值hg/hff)隨著速度的增加而更加嚴(yán)重。然而，圖5(c)所示的LiC/PAO脂在2 000和2 500 r/min轉(zhuǎn)速下所展示的乏油程度非常相似。這是由于該潤滑脂具有較高的剪切穩(wěn)定性[25]，即使在較高的速度下，也限制了其析油速率。

2.2 載荷對彈流膜厚的影響

對受試潤滑脂在2 500 r/min的固定轉(zhuǎn)速以及700和900 N的載荷下進行了20 h的測試，以探討載荷對油膜厚度的影響。其絕對膜厚值如圖6所示，標(biāo)準(zhǔn)化膜厚結(jié)果如圖7所示。

圖6 受試潤滑脂在轉(zhuǎn)速2 500 r/min和不同軸向載荷條件下的絕對膜厚測試結(jié)果Fig 6 The absolute film thickness measurement reults of the tested greases at different loadsand a fixed speed of 2 500 r/min (a) PU/E;(b)Li/M;(c) LiC/PAO

圖7 受試潤滑脂在轉(zhuǎn)速2 500 r/min和不同軸向載荷條件下的標(biāo)準(zhǔn)化膜厚測試結(jié)果Fig 7 The relative film thickness measurement reults of the tested greases at different loadsand a fixed speed of 2 500 r/min (a) PU/E;(b)Li/M;(c) LiC/PAO

從圖6可知，隨著載荷的增加，絕對潤滑膜厚值明顯減小。從圖7可知，載荷對Li/M和LiC/PAO 2種脂的標(biāo)準(zhǔn)化膜厚值影響較小，但對PU/E脂的標(biāo)準(zhǔn)化膜厚值影響較大，這與PU/E脂較低的剪切穩(wěn)定性有關(guān)[25]。載荷越大，剪切力越大，PU/E脂較低的剪切穩(wěn)定性會導(dǎo)致潤滑脂的流失量增加，從而導(dǎo)致膜厚值的降低。另外，PU/E脂的增稠劑纖維在剪切力作用下會形成更小的碎片，而這些碎片可以進入摩擦副接觸區(qū)域中[26]。此外，加大載荷會導(dǎo)致更少的增稠劑纖維碎片進入接觸區(qū)域，從而降低潤滑膜厚值。

從圖6、7可看出，潤滑膜厚值的恢復(fù)時間(從最初階段的急劇下降到穩(wěn)定時所需時間)隨著載荷的增加而縮短。這是因為載荷的增加會使受試潤滑脂承受更大的剪切力以及機械功，這不僅會使?jié)櫥浕?，而且會增加潤滑脂的析油量[25]，使更多的潤滑劑進入接觸區(qū)域并形成潤滑膜，最終縮短潤滑膜厚值的恢復(fù)時間。

2.3 滾動軸承滾珠數(shù)量減半測試結(jié)果

為研究滾動體數(shù)量對彈流膜厚的影響，將原測試軸承(6209-2Z/C3)滾珠數(shù)量減半，使其保持架中每隔一兜孔有一滾珠的狀態(tài)。由于滾珠數(shù)量減半，每個滾珠所承受的載荷將是原軸承中每個滾珠的2倍。為消除載荷對彈流膜厚值的影響，滾珠數(shù)量減半后的軸承在257 N的載荷下運行，并與原軸承在513 N載荷下運行時的彈流膜厚進行比較。圖8展示了滾珠數(shù)量減半軸承在257 N載荷以及不同速度條件下的標(biāo)準(zhǔn)化膜厚變化趨勢。標(biāo)準(zhǔn)化膜厚發(fā)展趨勢與原軸承基本一致，不同之處在于各潤滑脂在不同速度條件下的標(biāo)準(zhǔn)化膜厚值差異變小。

圖8 滾珠數(shù)減半軸承在257 N載荷及不同轉(zhuǎn)速下的標(biāo)準(zhǔn)化膜厚測試結(jié)果Fig 8 The relative film thickness measurement reults of the bearing with half number of balls at differentspeeds and a fixed load of 257 N (a) PU/E;(b)Li/M;(c) LiC/PAO

圖9展示了原軸承與滾珠數(shù)量減半軸承的標(biāo)準(zhǔn)膜厚穩(wěn)定值(20 h測試中最后5 h的標(biāo)準(zhǔn)膜厚值的平均值)的對比結(jié)果?？梢钥闯?，滾珠數(shù)量減半后的乏油程度更嚴(yán)重(標(biāo)準(zhǔn)化膜厚值hg/hff更小)。其中例外的是PU/E脂，在轉(zhuǎn)速1 000 r/min時，不同滾珠數(shù)量情況下的標(biāo)準(zhǔn)化膜厚值基本處于同一水平。這是因為PU/E脂在2種不同滾珠數(shù)量的軸承中以1 000 r/min轉(zhuǎn)速進行測試時，軸承外圈溫度比較接近，其在其他轉(zhuǎn)速以及另外2種潤滑脂在所有測試速度條件下的溫度會由于滾珠數(shù)量的不同產(chǎn)生較大差異，如表3所示。

表3 受試潤滑脂在不同轉(zhuǎn)速條件下的軸承外圈溫度比值(滾珠數(shù)量減半溫度/原軸承溫度)

圖9 不同速度條件下滾珠數(shù)量對彈流膜厚值的影響Fig 9 Impact of ball numbers on the film thickness at different speeds (a) PU/E;(b)Li/M;(c) LiC/PAO

滾珠數(shù)量減半后，在同一載荷條件下(每個滾珠所受載荷與原軸承一致)，彈流膜厚值比原軸承小。這表明潤滑膜的形成與滾珠數(shù)量存在一定關(guān)系，滾珠數(shù)量越多，潤滑脂受到的剪切作用會越多，從而提高潤滑脂的析油率，進而使?jié)櫥ず穸仍黾印?/p>

3 結(jié)論

對脂潤滑球軸承的彈流膜厚值影響機制進行了研究，并使用電容法對軸承在不同速度、載荷、潤滑脂類型以及滾珠數(shù)量情況下的彈流膜厚值進行了有效測量，具體結(jié)論如下：

(1)軸承轉(zhuǎn)速越快，其標(biāo)準(zhǔn)化潤滑膜厚值(去除溫度影響)越小，即乏油程度隨著速度的增加而更加嚴(yán)重，這與潤滑脂的剪切穩(wěn)定性以及軸承整體溫度有關(guān)。

(2)載荷對Li/M和LiC/PAO 2種油脂的標(biāo)準(zhǔn)化潤滑膜厚值的影響有限,但載荷的增加會導(dǎo)致PU/E脂的標(biāo)準(zhǔn)化潤滑膜厚值下降，即導(dǎo)致更嚴(yán)重的乏油程度，這與PU/E脂較低的剪切穩(wěn)定性有關(guān)。

(3)滾珠數(shù)量減半后，其標(biāo)準(zhǔn)化膜厚值小于原軸承。這是由于數(shù)量越多的滾珠會使?jié)櫥?jīng)受更多的剪切作用，從而提高潤滑脂的析油率，最終形成更厚的潤滑膜。