池京銀 栗心明 劉 耀 楊 萍 白清華 郭 峰 梁 鵬
(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 山東青島 266520)
潤(rùn)滑是減小滾動(dòng)軸承摩擦磨損的有效方式,因此研究滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑性能,在揭示潤(rùn)滑機(jī)制的基礎(chǔ)上對(duì)軸承結(jié)構(gòu)、供油結(jié)構(gòu)、表面特性和潤(rùn)滑介質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),對(duì)于提升軸承服役性能和延長(zhǎng)使用壽命尤為必要。現(xiàn)有的針對(duì)滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑性能的試驗(yàn)研究方法大體分為兩類:臺(tái)架測(cè)量方法和模型測(cè)量方法[1]。通過臺(tái)架測(cè)量方法提取的滾道軸承綜合潤(rùn)滑信息,與其真實(shí)服役特性具有較強(qiáng)相關(guān)性,但弊端是無法將各測(cè)量因素剝離[2],難以直接對(duì)潤(rùn)滑機(jī)制進(jìn)行有效分析。模型測(cè)量方法簡(jiǎn)化了軸承接觸形式,常采用球-盤等效接觸方式對(duì)單一因素的影響進(jìn)行定量考察,并與光干涉技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了接觸區(qū)內(nèi)部潤(rùn)滑特征的可視化,可對(duì)潤(rùn)滑機(jī)制進(jìn)行直接分析[3]。但模型測(cè)量方法忽略了滾動(dòng)軸承數(shù)個(gè)特征因素,如保持架效應(yīng)[4]、滾動(dòng)體數(shù)目[1]以及接觸幾何特征[5]等,其測(cè)量結(jié)果與軸承真實(shí)服役特征相關(guān)性較弱,且模型測(cè)試方法多數(shù)情況下與軸承真實(shí)服役工況不匹配[6]。因而,由模型測(cè)量所得到的機(jī)制和結(jié)論難以有效地向真實(shí)軸承轉(zhuǎn)化,甚至2種測(cè)量方法所得結(jié)果相互矛盾。
近期,本文作者所在課題組嘗試將軸承特征因素引入到模型測(cè)量方法中,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)考慮自旋效應(yīng)[4]、滑滾比[7]、接觸幾何特征和滾道不重合等因素時(shí)[8],潤(rùn)滑劑的回填特征和潤(rùn)滑狀態(tài)明顯發(fā)生改變。但上述研究?jī)H引入了軸承單一因素,仍無法模擬全軸承中多因素耦合作用下的潤(rùn)滑特性。顯然,既具有全軸承特征因素又能實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油膜的可視化測(cè)量,是對(duì)軸承潤(rùn)滑性能進(jìn)行評(píng)估的有效方法。本文作者所在課題組在該方面進(jìn)行了前期嘗試,開發(fā)了推力滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑油膜測(cè)量裝置[9],該裝置以玻璃盤代替軸承座圈,在保持全軸承特征因素的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了潤(rùn)滑油膜的光學(xué)可視化測(cè)量。但原有的測(cè)量裝置存在以下局限性:因采用杠桿加載方式難以實(shí)現(xiàn)較高載荷下的試驗(yàn);難以捕捉高轉(zhuǎn)速下滾動(dòng)體干涉圖像;無法對(duì)摩擦力進(jìn)行測(cè)量。因此有必要開發(fā)一種新的基于推力軸承結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑油膜與摩擦力測(cè)量裝置,以克服上述測(cè)量局限性。
此外,推力滾動(dòng)軸承本身作為一種摩擦學(xué)測(cè)量裝置的標(biāo)準(zhǔn)試樣,在摩擦學(xué)多個(gè)研究方向中得到應(yīng)用。例如,F(xiàn)AG FE8軸承試驗(yàn)機(jī)中[10],以推力軸承為試樣用來評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑性能[11]、表面磨損行為[12]、摩擦化學(xué)膜的形成機(jī)制[13]和軸承材料的白蝕裂紋[14]等。近期,國(guó)外學(xué)者采用改進(jìn)的推力軸承結(jié)構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑脂的摩擦學(xué)特性開展了研究。COUSSEAU等[15]通過改進(jìn)的四球機(jī)結(jié)構(gòu),開發(fā)了推力球軸承摩擦測(cè)量?jī)x,并對(duì)可生物降解潤(rùn)滑脂摩擦力矩進(jìn)行了測(cè)量,建立了潤(rùn)滑脂的特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的相關(guān)性。采用該測(cè)量?jī)x,COUSSEAU等[16]通過測(cè)量摩擦力矩和溫升,對(duì)不同類型潤(rùn)滑脂摩擦學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)估,分析了基礎(chǔ)油與稠化劑的相互作用對(duì)摩擦力矩的影響。IANU等[17]采用改進(jìn)的推力球軸承測(cè)量裝置對(duì)潤(rùn)滑劑的摩擦扭矩進(jìn)行測(cè)量和分析,考慮了接觸幾何特征、潤(rùn)滑劑黏度等對(duì)摩擦力矩的影響,并基于測(cè)量數(shù)據(jù)建立摩擦力矩模型。由此可見,基于推力軸承結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置可用來對(duì)潤(rùn)滑劑特性、表界面特性、材料疲勞特性等進(jìn)行測(cè)量評(píng)估。但此類測(cè)量裝置都集中于摩擦力矩或溫升測(cè)量,在潤(rùn)滑油膜厚度方面的測(cè)量研究明顯不足,對(duì)潤(rùn)滑油膜成膜機(jī)制缺少直接的評(píng)價(jià)手段。
因此,本文作者在克服原有基于推力球結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑油膜測(cè)量裝置局限性的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)開發(fā)了新的測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)集成了已有裝置潤(rùn)滑油膜測(cè)量和摩擦力矩測(cè)量的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)了油膜可視化測(cè)量、滾動(dòng)力矩測(cè)量、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力特征測(cè)量的兼容,可用于模擬不同參數(shù)影響下的真實(shí)推力軸承潤(rùn)滑特征。該測(cè)量系統(tǒng)的建立對(duì)于研究全軸承內(nèi)部潤(rùn)滑介質(zhì)分布演化、軸承潤(rùn)滑狀態(tài)、軸承力學(xué)特性提供一種新的評(píng)價(jià)手段,同時(shí)為測(cè)量裝置的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化積累數(shù)據(jù)。文中將對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行介紹,并通過初步試驗(yàn)來驗(yàn)證其可行性。
基于推力軸承結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑油膜與摩擦扭矩測(cè)量系統(tǒng),用來對(duì)推力全軸承或多個(gè)滾動(dòng)體接觸條件下的潤(rùn)滑油膜和摩擦力矩進(jìn)行測(cè)量,其機(jī)械主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該測(cè)量系統(tǒng)主要包括座圈驅(qū)動(dòng)單元、玻璃盤(軸圈)回轉(zhuǎn)單元、摩擦力矩測(cè)量單元、徑向加載單元、圖像采集單元和支撐單元等。其中,座圈驅(qū)動(dòng)單元用于驅(qū)動(dòng)推力軸承座圈的回轉(zhuǎn),其實(shí)現(xiàn)過程為伺服電機(jī)通過同步帶驅(qū)動(dòng)主軸回轉(zhuǎn),進(jìn)而帶動(dòng)固定于回轉(zhuǎn)主軸上的軸承座圈轉(zhuǎn)動(dòng),通過調(diào)節(jié)伺服電機(jī)脈沖參數(shù)可對(duì)座圈回轉(zhuǎn)速度進(jìn)行精確控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同速度工況下的膜厚與摩擦力矩測(cè)量。玻璃盤(軸圈)回轉(zhuǎn)單元用于實(shí)現(xiàn)玻璃盤(軸圈)的被動(dòng)回轉(zhuǎn),即軸承座圈回轉(zhuǎn)帶動(dòng)軸承滾動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng),在滾動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦力作用下驅(qū)動(dòng)玻璃盤(軸圈)回轉(zhuǎn)或產(chǎn)生回轉(zhuǎn)趨勢(shì)。需要說明的是,當(dāng)進(jìn)行膜厚測(cè)量時(shí)需用玻璃盤代替軸承的軸圈;當(dāng)進(jìn)行摩擦力矩測(cè)量時(shí),需用傳感器限制軸圈的回轉(zhuǎn),將軸圈回轉(zhuǎn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)化為摩擦力矩,其測(cè)量原理與方法將在后文詳細(xì)介紹。
圖1 測(cè)量裝置整體結(jié)構(gòu)
圖1所示的加載方式與原有測(cè)量裝置中的加載方式明顯不同,原有裝置采用杠桿原理對(duì)玻璃盤(軸圈)進(jìn)行加載,其弊端在于大載荷下加載臂易彎曲變形且加載砝碼數(shù)量有限。為了克服該局限性,采用了如圖2所示的整體平移式加載方式,即對(duì)軸承座圈及其驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行整體加載,其實(shí)現(xiàn)過程是保持玻璃盤(軸圈)軸向位置不動(dòng),通過加載器(可采用升降平移臺(tái)或螺紋式千斤頂)帶動(dòng)座圈驅(qū)動(dòng)單元整體上移,使?jié)L動(dòng)體加載到玻璃盤(軸圈)上。通過在加載桿上設(shè)置加載彈簧1和在加載器上方設(shè)置加載彈簧2來實(shí)現(xiàn)柔性加載,其中加載彈簧2上方裝有壓力傳感器,可實(shí)時(shí)顯示載荷數(shù)值。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)處于卸載狀態(tài)時(shí),加載單元整體置于支撐板上,此時(shí)加載器不承受載荷,避免加載器長(zhǎng)時(shí)間承載影響測(cè)量精度。為了標(biāo)定加載單元的自重,需觀察滾動(dòng)體與玻璃盤的接觸狀態(tài),當(dāng)滾動(dòng)體與玻璃盤處于似接觸非接觸狀態(tài)時(shí),可視為滾動(dòng)體剛剛與玻璃盤接觸,此時(shí)傳感器顯示的數(shù)值為加載單元自重,傳感器置零后可以得到凈加載數(shù)值。
圖2 加載單元結(jié)構(gòu)
圖像采集單元用于實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中光干涉圖的采集和存儲(chǔ),主要包括顯微鏡及其支撐與調(diào)節(jié)單元、CCD、光源等。
1.2.1 潤(rùn)滑油膜測(cè)量方法與原理
在原測(cè)量裝置中[9]采用了高速攝像機(jī)對(duì)滾動(dòng)體與玻璃盤接觸區(qū)內(nèi)的油膜干涉圖像進(jìn)行采集,由于滾動(dòng)體時(shí)刻運(yùn)動(dòng)且不斷經(jīng)過攝像機(jī)視場(chǎng),當(dāng)運(yùn)行速度較高時(shí)高速攝像機(jī)的采集幀率不足,無法獲取清晰的油膜干涉圖像。為了解決高速條件下油膜干涉圖像采集局限性,采用了如圖3所示的改進(jìn)措施。具體地,采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理,在高速測(cè)量過程中限制保持架的回轉(zhuǎn),則滾動(dòng)體的位置和公轉(zhuǎn)速度被限制住,僅能進(jìn)行自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),此時(shí)玻璃盤需在滾動(dòng)體的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。因滾動(dòng)體被限制在固定位置,極大地提高了接觸副的運(yùn)動(dòng)速度,且僅采用常規(guī)的CCD便可實(shí)現(xiàn)高速工況下油膜干涉圖像的穩(wěn)定采集。但因保持架被固定,僅能對(duì)單個(gè)滾動(dòng)體的潤(rùn)滑油膜進(jìn)行測(cè)量。
圖3 潤(rùn)滑油膜與摩擦力測(cè)量方法
潤(rùn)滑油膜的測(cè)量采用多光束干涉原理,以紅綠雙色激光為入射光源,通過顯微鏡入射到接觸區(qū)形成干涉圖像,經(jīng)CCD相機(jī)采集到采集卡并儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)上。采用自主開發(fā)的DIIM軟件[18]對(duì)光干涉圖進(jìn)行離線數(shù)據(jù)處理,得到油膜厚度和油膜形狀。
1.2.2 摩擦力測(cè)量方法與原理
摩擦力的測(cè)量方法如圖3所示,在保持架處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,采用2個(gè)拉壓傳感器限制玻璃盤驅(qū)動(dòng)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),則軸承座圈運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鋼球運(yùn)動(dòng)后,各接觸點(diǎn)所產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦力將使玻璃盤產(chǎn)生回轉(zhuǎn)趨勢(shì),該回轉(zhuǎn)趨勢(shì)作用到拉壓傳感器上,轉(zhuǎn)化為軸承運(yùn)動(dòng)的摩擦力。傳感器獲得的摩擦力通過USB5935數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上,所得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示到測(cè)量界面中。在測(cè)量之前,對(duì)其中一個(gè)傳感器施加預(yù)載荷,使玻璃盤產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)角度,以消除由玻璃盤驅(qū)動(dòng)軸承產(chǎn)生的摩擦力系統(tǒng)誤差。
圖4 摩擦力采集原理
(1)
則各滾動(dòng)體接觸點(diǎn)處的摩擦力為
(2)
通過式(1)和式(2)可分別得到軸承總摩擦力矩和單個(gè)滾動(dòng)體與玻璃盤接觸點(diǎn)處的摩擦力。
如上所述,該測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油膜厚度和摩擦力矩的測(cè)量,其測(cè)量流程如圖5所示。
圖5 測(cè)量流程
具體的測(cè)量流程由測(cè)量工況決定。(1)當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低(一般低于300 mm/s)時(shí),滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)速度較低,可進(jìn)行膜厚與摩擦力同步測(cè)量,該模式下需用傳感器限制玻璃盤的轉(zhuǎn)動(dòng),且需采用高速攝像機(jī)采集油膜干涉圖。(2)當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速較高時(shí),需將膜厚與摩擦力單獨(dú)進(jìn)行測(cè)量,膜厚測(cè)量時(shí)限制保持架運(yùn)動(dòng)而使玻璃盤自由旋轉(zhuǎn),采用常規(guī)CCD即可采集干涉圖像;摩擦力(矩)測(cè)量時(shí)采用拉壓傳感器限制玻璃盤運(yùn)動(dòng),而使保持架自由旋轉(zhuǎn)。圖5中綠色框所示為膜厚測(cè)量模塊,藍(lán)色框所示為摩擦力矩測(cè)量模塊。
為了驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)量方法的可行性,在該測(cè)量系統(tǒng)上對(duì)潤(rùn)滑油膜和摩擦力矩進(jìn)行了測(cè)量。試驗(yàn)采用型號(hào)為TRB52320推力球軸承座圈,采用了3個(gè)滾動(dòng)體,軸圈由玻璃盤替代。試驗(yàn)所用玻璃盤材質(zhì)為K9玻璃,盤表面粗糙度Ra約為10.0 nm,直徑為150.0 mm,接觸盤面鍍有Cr膜和SiO2膜,泊松比為0.208,彈性模量為81.0 GPa。滾動(dòng)體材質(zhì)為GCr15鋼,G5精度,表面粗糙度Ra為14.0 nm,直徑為25.4 mm,泊松比為0.3,彈性模量為210.0 GPa。試驗(yàn)工況如表1所示。
試驗(yàn)采用黏度等級(jí)為ISO VG 100的礦物油FVA3為潤(rùn)滑劑。該油品為德國(guó)傳動(dòng)技術(shù)協(xié)會(huì)(Forschungsvereinigung Antriebstechnik eV,F(xiàn)VA)標(biāo)準(zhǔn)參考油,也是流變基礎(chǔ)研究普遍采用的潤(rùn)滑油,其特性如表2所示。
每次試驗(yàn)前用石油醚和無水乙醇將玻璃盤與鋼球清洗干凈。玻璃盤安裝調(diào)平后,給玻璃盤施加較小載荷,將潤(rùn)滑劑補(bǔ)充到滾動(dòng)體與玻璃盤接觸點(diǎn)處,并讓玻璃盤進(jìn)行低速工況下的預(yù)跑合,確保潤(rùn)滑劑能夠均勻分布在球和盤表面,隨后施加載荷至試驗(yàn)所需載荷。需要說明的是,試驗(yàn)中載荷傳感器顯示的數(shù)值為總載荷wtotal,則每個(gè)滾動(dòng)體所承受的載荷為wtotal/n,n為滾動(dòng)體數(shù)量。表1中所示載荷為單個(gè)滾動(dòng)體所承受的載荷。
圖6 單點(diǎn)、多點(diǎn)和理論接觸膜厚值對(duì)比(30 N)
圖7給出了滾動(dòng)體在載荷為10、20和30 N下的潤(rùn)滑油膜隨速度的變化??梢?,新的測(cè)量系統(tǒng)可使卷吸速度達(dá)到1 024 mm/s,且仍可得到穩(wěn)定的油膜干涉圖像,遠(yuǎn)超出原測(cè)試系統(tǒng)的卷吸速度范圍。從圖7(a)所示的油膜干涉圖可以看出,在3種載荷條件下潤(rùn)滑油膜隨速度的增加逐漸呈現(xiàn)出經(jīng)典的彈流油膜特征。其中,載荷為10 N的條件下,油膜潤(rùn)滑狀態(tài)有向動(dòng)壓油膜轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。為了定量分析3種載荷下油膜隨卷吸速度的變化規(guī)律,圖7(b)給出了油膜厚度隨卷吸速度的變化曲線??梢钥闯觯陔p對(duì)數(shù)坐標(biāo)下潤(rùn)滑油膜厚度隨卷吸速度基本呈現(xiàn)出線性增加趨勢(shì)。在載荷為10 N的條件下,潤(rùn)滑油膜厚度在低速階段高于20和30 N的工況,而在速度較高時(shí)低于20和30 N的工況。這主要由兩方面原因引起,一是接觸副彈性變形對(duì)潤(rùn)滑油膜的成膜機(jī)制影響較大,在速度較高時(shí)10 N載荷下向動(dòng)壓潤(rùn)滑轉(zhuǎn)化,呈現(xiàn)出的彈性變形恢復(fù)較明顯,入口油膜壓力和接觸區(qū)面積減小,導(dǎo)致入口潤(rùn)滑油膜黏度隨壓力的變化減弱,同時(shí)接觸區(qū)面積的減小使?jié)櫥瑒┐鎯?chǔ)的空間減小,對(duì)潤(rùn)滑油膜的建立起到了削弱作用。二是因玻璃盤是在滾動(dòng)體的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)速度較高時(shí)膜厚的增加,使剪應(yīng)變率和油膜拖拽力減弱,滾動(dòng)體和玻璃盤之間出現(xiàn)打滑[20-21],導(dǎo)致實(shí)際的卷吸速度減小。上述兩方面原因使得載荷為10 N下的油膜厚度在速度較高時(shí)反而較小。
圖7 不同載荷下膜厚隨卷吸速度變化
為了觀察不同工況下的接觸區(qū)摩擦因數(shù)變化趨勢(shì),圖8給出了3種載荷下摩擦因數(shù)隨速度的變化曲線??梢钥闯?,當(dāng)卷吸速度低于512 mm/s時(shí),摩擦因數(shù)隨卷吸速度變化趨勢(shì)整體與Stribeck曲線一致,呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)。而當(dāng)卷吸速度高于512 mm/s時(shí),3種載荷下曲線均呈現(xiàn)出一定的下降,并有趨向于定值的趨勢(shì)。這主要是由于在速度較高時(shí),隨著油膜厚度的增加油膜的剪應(yīng)變率減小,油膜的拖拽力減弱,出現(xiàn)滾動(dòng)體打滑現(xiàn)象,使得實(shí)際的卷吸速度減小(滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)速度減小)。而圖8中橫坐標(biāo)為名義卷吸速度,其數(shù)值大于接觸點(diǎn)實(shí)際卷吸速度。另一方面,滾動(dòng)體打滑將使?jié)櫥湍さ募羟泻蜔嵯⌒?yīng)增加,也將導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低。推力軸承在較高速下的打滑現(xiàn)象不可避免,該方面的定量研究將在后期展開。圖8中還顯示隨著載荷的增加,摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出整體下降的趨勢(shì)。這是由于在文中的載荷范圍內(nèi),摩擦因數(shù)與載荷服從反比例關(guān)系(摩擦因數(shù)為摩擦力與載荷的比值)。在實(shí)際工程中,接觸區(qū)壓力將達(dá)到GPa數(shù)量級(jí),其摩擦力數(shù)值將顯著增加,不同載荷下的摩擦因數(shù)曲線將呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。
圖8 摩擦因數(shù)隨卷吸速度變化
(1)介紹了基于推力軸承結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑油膜與摩擦力測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與功能。相對(duì)于原有測(cè)量裝置,提高了速度和載荷測(cè)量范圍,并增加了摩擦力測(cè)量功能。
(2)測(cè)量系統(tǒng)采用保持固定與自由回轉(zhuǎn)2種模式,配合玻璃盤固定和自由回轉(zhuǎn),可實(shí)現(xiàn)低速條件下的潤(rùn)滑油膜厚度與摩擦力同步測(cè)量,高速條件下的潤(rùn)滑油膜厚度和摩擦力的獨(dú)立測(cè)量。
(3)通過初步的潤(rùn)滑油膜厚度測(cè)量以及與單點(diǎn)接觸測(cè)量結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了該測(cè)量系統(tǒng)可在較大的速度范圍內(nèi)對(duì)潤(rùn)滑油膜進(jìn)行可靠測(cè)量。
(4)摩擦因數(shù)測(cè)量結(jié)果顯示在一定速度范圍內(nèi),摩擦因數(shù)曲線與Stribeck曲線一致,在速度較高的條件下出現(xiàn)滾動(dòng)體打滑現(xiàn)象,但仍可得到較穩(wěn)定的測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)該現(xiàn)象的定量研究將在后續(xù)工作中深入展開。