白 丹 范志勇 岑 輝

(1.許昌學(xué)院電氣與機(jī)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(jì)，世界上80%～90%的滾動(dòng)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(dòng)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(jìn)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(jī)制對(duì)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(jì)算復(fù)雜，且滾動(dòng)軸承運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)潤滑膜厚極難準(zhǔn)確測量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(duì)彈流潤滑膜厚進(jìn)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(shí)際運(yùn)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(duì)脂潤滑球面滾子軸承的膜厚進(jìn)行了有效測量，近年來許多研究人員在電容法測試滾動(dòng)軸承彈流潤滑膜厚方面進(jìn)行了更加深入的研究[12-18]。由于脂潤滑滾動(dòng)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(dòng)軸承運(yùn)行時(shí)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(dòng)軸承的油膜厚度為研究對(duì)象，利用電容測試法對(duì)其影響機(jī)制進(jìn)行分析，為脂潤滑滾動(dòng)軸承彈流模型的建立奠定理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

文中利用軸承試驗(yàn)臺(tái)架(如圖1所示)對(duì)脂潤滑深溝球軸承的動(dòng)態(tài)彈流潤滑膜厚進(jìn)行測量。該臺(tái)架使用HEEMSKERK等[19]研發(fā)的Lubcheck測量儀器對(duì)軸承內(nèi)外圈之間的電容進(jìn)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(jìn)行配合。主軸通過磁力聯(lián)軸器與電機(jī)主軸連接，并通過一個(gè)支撐軸承進(jìn)行自對(duì)準(zhǔn)，支撐軸承與試驗(yàn)臺(tái)架的外部框架進(jìn)行連接。

圖1 軸承測試臺(tái)架示意Fig 1 Bearing test rig

軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，其外圈固定不動(dòng)且與Lubcheck儀器直接連接，而內(nèi)圈通過水銀觸點(diǎn)與Lubcheck相連。一旦軸承滾動(dòng)體與內(nèi)外圈之間形成一層完整的潤滑膜，軸承滾動(dòng)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(gè)滾動(dòng)體與軸承內(nèi)外圈形成的單獨(dú)電容器的總電容，而每個(gè)單獨(dú)的電容量是由一個(gè)滾動(dòng)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(gè)補(bǔ)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(jì)算機(jī)上進(jìn)行記錄。記錄的Ucap信號(hào)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(jìn)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(jìn)行計(jì)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(jìn)行潤滑脂測試時(shí)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(hào)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(duì)測量結(jié)果的影響，每種受試潤滑脂使用一個(gè)相同型號(hào)的軸承進(jìn)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(gè)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(jìn)行，軸承外圈接有熱電偶，可測量軸承運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)溫度。該實(shí)時(shí)溫度會(huì)隨軸承運(yùn)行過程中的摩擦變化而變化，尤其在軸承啟動(dòng)過程中，潤滑脂的攪拌過程會(huì)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(yùn)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(yùn)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(shí)試驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行計(jì)算，實(shí)時(shí)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(jìn)行計(jì)算，計(jì)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(yùn)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(duì)彈流膜厚的影響

對(duì)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(jìn)行實(shí)時(shí)潤滑膜厚度測試，其絕對(duì)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(shí)驗(yàn)開始階段(實(shí)驗(yàn)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(jì)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(duì)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(yùn)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(duì)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(gè)快速上升的過程，從而形成一個(gè)‘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(jì)算值劇烈下降，而此時(shí)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(shí)時(shí)溫度為受試軸承外圈的溫度，在軸承實(shí)際發(fā)熱和溫度測量之間會(huì)有一個(gè)時(shí)間差。因此，此階段計(jì)算全浸入潤滑膜厚hff值所使用的溫度會(huì)比實(shí)際溫度低，計(jì)算所得hff值比實(shí)際值高。所以，此階段的‘V’形變化趨勢在考慮測量溫度的時(shí)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(huì)更加明顯，原因就在于溫度的上升速度會(huì)更快，因而溫度測量時(shí)間差所導(dǎo)致的影響會(huì)更大。但隨著測試時(shí)間的延長，溫度一旦穩(wěn)定后，這種因溫度測量時(shí)間差所導(dǎo)致的現(xiàn)象會(huì)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(shí)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(huì)進(jìn)一步減小，但這種減小的過程將會(huì)相當(dāng)漫長，文中對(duì)這一點(diǎn)暫不進(jìn)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(duì)彈流膜厚的影響

對(duì)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(jìn)行了20 h的測試，以探討載荷對(duì)油膜厚度的影響。其絕對(duì)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(duì)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(duì)潤滑膜厚值明顯減小。從圖7可知，載荷對(duì)Li/M和LiC/PAO 2種脂的標(biāo)準(zhǔn)化膜厚值影響較小，但對(duì)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(huì)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(huì)形成更小的碎片，而這些碎片可以進(jìn)入摩擦副接觸區(qū)域中[26]。此外，加大載荷會(huì)導(dǎo)致更少的增稠劑纖維碎片進(jìn)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(shí)間(從最初階段的急劇下降到穩(wěn)定時(shí)所需時(shí)間)隨著載荷的增加而縮短。這是因?yàn)檩d荷的增加會(huì)使受試潤滑脂承受更大的剪切力以及機(jī)械功，這不僅會(huì)使?jié)櫥浕?，而且?huì)增加潤滑脂的析油量[25]，使更多的潤滑劑進(jìn)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(shí)間。

2.3 滾動(dòng)軸承滾珠數(shù)量減半測試結(jié)果

為研究滾動(dòng)體數(shù)量對(duì)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(gè)滾珠所承受的載荷將是原軸承中每個(gè)滾珠的2倍。為消除載荷對(duì)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(yùn)行，并與原軸承在513 N載荷下運(yùn)行時(shí)的彈流膜厚進(jìn)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(duì)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(shí)，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?yàn)镻U/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(jìn)行測試時(shí)，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(huì)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(duì)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(gè)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(huì)越多，從而提高潤滑脂的析油率，進(jìn)而使?jié)櫥ず穸仍黾印?/p>

3 結(jié)論

對(duì)脂潤滑球軸承的彈流膜厚值影響機(jī)制進(jìn)行了研究，并使用電容法對(duì)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(jìn)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(duì)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(huì)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(huì)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。