童偉杰, 黃 鷺, 賈 鑫, 孫 淼, 蔡晉輝

(1.中國計量大學(xué) 測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

滾動軸承廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、大型工程裝備、軍工裝備領(lǐng)域中,對支撐和傳動動力起著至關(guān)重要的作用[1]。為了保證軸承可靠性、運行穩(wěn)定性和延長使用壽命,必須保證摩擦副處于最佳的潤滑狀態(tài)。研究潤滑狀態(tài)的關(guān)鍵問題之一就是實現(xiàn)對潤滑狀態(tài)的實時測量。

通常對軸承的潤滑狀態(tài)評價主要通過對軸承參數(shù)進行系統(tǒng)仿真,從理論角度對軸承潤滑進行分析。胡志宏等[2]通過分析實際工況,聯(lián)立多種數(shù)學(xué)模型,采用多重網(wǎng)格法對軸承內(nèi)部球與內(nèi)外套圈滾道之間的點接觸潤滑狀態(tài)進行系統(tǒng)仿真,分析了轉(zhuǎn)速、球徑、軸向預(yù)載荷等基本參數(shù)對軸承內(nèi)部潤滑狀態(tài)的影響。王亞彪等[3]基于Hertz接觸理論、彈流潤滑理論,對滾子-滾道進行接觸分析,采用切片分析法建立了軸承潤滑狀態(tài)理論分析模型,從理論角度對軸承潤滑進行分析,定量分析軸承各參數(shù)對潤滑狀態(tài)的影響。

采用實驗評價軸承的潤滑狀態(tài)通常有兩種方式:1)根據(jù)Stribeck曲線[4,5]結(jié)合實際應(yīng)用工況來進行評價;2)根據(jù)油膜厚度與綜合表面粗糙度的比值[6]進行評價,即膜厚比λ=h/σ。第一種方式較為抽象,無法與實際應(yīng)用中具體工況下的膜厚數(shù)值進行對應(yīng);第二種方式在算式中,油膜厚度h的準確測量是該評價方法的前提。

目前,針對潤滑膜厚測量方法主要有光干涉法、超聲波法、電容法、接觸電阻法等。光干涉法測量方法的理論基礎(chǔ)是雙光束或多光束干涉原理,油膜厚度的變化會引起干涉條紋的移動,通過接觸區(qū)內(nèi)部光強的變化計算得到潤滑膜厚。Gustafsson L等[7]和Johnston K等[8]采用光干涉法實現(xiàn)了納米級分辨率油膜測量,但由于光干涉法中一側(cè)摩擦副需為透光材質(zhì),原理上的限制使得該方法多用于實驗室研究。楊曉等[9]和Quinn A M等[10]的研究表明,超聲波法具有無損檢測的優(yōu)點,有良好的工業(yè)適應(yīng)性,但是在信號較弱時,很難準確捕捉信號,噪聲對測量信號的干擾很也難區(qū)分,抗干擾能力差。電容法是通過測量摩擦副之間的電容值判斷其間隙(油膜厚度),Jablonka K等[11,12]等的研究表明潤滑油脂處于全膜彈流潤滑狀態(tài)時,該方法測量油膜膜厚的精度與光干涉法相當,但是局限于對混合潤滑、邊界潤滑狀態(tài)時效果不佳,當油膜厚度h<0.5 μm 時易被擊穿[13]。接觸電阻法是基于金屬與潤滑油懸殊的導(dǎo)電率原理而開發(fā)的潤滑膜厚測量方法。在過去幾十年中,為了使用接觸電阻法評估潤滑狀態(tài),相關(guān)學(xué)者進行了一些研究。Lane T等[14]測量了齒輪間的電阻并研究了薄膜的形成;Furey M[15]開發(fā)了一臺裝置并首次提出金屬接觸百分比的概念,用于研究潤滑表面之間的接觸電阻在極低與無窮大之間迅速變化; Tallian T等[16]對Furey的裝置進行了改進,驗證了這一概念能準確反應(yīng)摩擦副之間的潤滑狀態(tài); 張有枕等[17]對蝸輪蝸桿進行了面接觸潤滑狀態(tài)的研究,測量了嚙合齒面間的平均接觸電阻,并推導(dǎo)出了特定條件下接觸電阻與膜厚比之間的經(jīng)驗公式; 張世峰等[18]在自制摩擦試驗機模擬實際缸套-活塞環(huán)工況進行了線接觸下潤滑狀態(tài)的探究,結(jié)果表明接觸電阻可作為表征摩擦副所處潤滑狀態(tài)的特征參數(shù); 劉德良等[19]對球盤單點接觸潤滑狀態(tài)進行了研究,通過理論推導(dǎo)建立了一個數(shù)學(xué)模型可用于直接關(guān)聯(lián)接觸電阻與潤滑膜厚,能有效地反應(yīng)潤滑狀態(tài)的變化。

上述研究表明:使用接觸電阻法能較好地分析潤滑狀態(tài),但依然缺乏較好的定量數(shù)據(jù),對于接觸電阻測量法的深入分析,相關(guān)報道甚少。針對上述研究存在的一些問題,本文研制了一臺基于接觸電阻測量值評價潤滑膜厚的旋轉(zhuǎn)式摩擦試驗機,采用高精度傳動設(shè)計、接觸電阻測量電路設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計,實現(xiàn)了點接觸滑動工況的高穩(wěn)定性控制和接觸電阻的準確測量,并結(jié)合光干涉法測量結(jié)果建立接觸電阻與潤滑膜厚的相關(guān)性。

2 機械設(shè)計與實驗

2.1 實驗裝置與控制

研制的輕載旋轉(zhuǎn)式點接觸摩擦試驗機,主要包括加載系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制與采集系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖和系統(tǒng)控制方案

圖1(a)為裝置示意圖。加載系統(tǒng)由S型傳感器、電缸、彈簧以及調(diào)整摩擦副偏心距的直線導(dǎo)軌組成;驅(qū)動系統(tǒng)由下摩擦副夾具,旋轉(zhuǎn)主軸、伺服電機和扭矩傳感器組成;采集系統(tǒng)由上位機、伺服驅(qū)動器等控制模塊和用于測量接觸電阻的電阻測試板、采集驅(qū)動系統(tǒng)的扭矩和加載系統(tǒng)的載荷的傳感器模塊組成。實現(xiàn)了載荷、位移、轉(zhuǎn)速的精準控制和接觸電阻的精準測量。

實驗裝置示意圖和系統(tǒng)控制方案如圖1(b)所示。其中載荷控制為全閉環(huán)系統(tǒng),上位機根據(jù)試驗設(shè)置載荷以及力傳感器反饋值輸出控制指令,通過伺服驅(qū)動器控制伺服電機的動作,從而達到精準控制摩擦副載荷的目的。摩擦副的運動速度控制采用半閉環(huán)系統(tǒng),主控制器根據(jù)實驗設(shè)置,通過伺服驅(qū)動器內(nèi)部閉環(huán)控制伺服電機動作實現(xiàn)速度的控制。電阻測試板通過采集卡將測得上下夾具間的電阻信號發(fā)送至上位機實現(xiàn)接觸電阻采集。

2.2 實驗參數(shù)

為定量建立接觸電阻法測量潤滑膜厚的方法,需要借助納米膜厚測量儀[20],采用相同實驗參數(shù)進行實驗,以獲得同等條件下的準確潤滑油膜厚度。采用的實驗參數(shù)和實驗材料的關(guān)鍵性能參數(shù)分別如表1和表2所示。實驗前,光干涉法及接觸電阻法采用的摩擦副均用石油醚和無水酒精依次進行超聲清洗并烘干。

表1 光干涉法及接觸電阻法的實驗參數(shù)

表2 實驗材料關(guān)鍵性能參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗機參數(shù)精度控制與分析

3.1.1 載荷精準控制

載荷控制原理如圖2所示,實驗借助S型力傳感器,對載荷進行閉環(huán)反饋控制,電缸根據(jù)指令控制壓頭運動通過壓縮彈簧對夾具的上摩擦副施加壓力,根據(jù)S型力傳感器的反饋信號對電缸壓頭位置進行調(diào)整。

圖2 載荷控制原理

載荷加載及載荷測量值的相對誤差是分布如圖3所示。

圖3 載荷加載圖和載荷測量值相對誤差分布

在實際實驗中,載荷的加載圖見圖3(a)。由于存在S型力傳感器的反饋,因此可將載荷的加載分為2個部分:

1)粗加載,通過設(shè)定載荷值預(yù)估電缸所需移動距離,此階段大約持續(xù)時間2～3 s;

2)精加載,將S型力傳感器反饋值與載荷設(shè)定值進行比較重新移動距離,實現(xiàn)對載荷的精準施加。

同時,精加載過程中,彈簧勁度系數(shù)在壓縮長度變化瞬間會出現(xiàn)微小波動,導(dǎo)致加載力震蕩變化,通過程序進行微調(diào)所達到目標精度載荷大約需要經(jīng)歷15～20 s。其中,加載力是采用經(jīng)過校準的S型力傳感器進行實時校準,通過采集標準傳感器力值與對應(yīng)設(shè)定載荷并計算其相對誤差,對電缸加載進行精確控制,并獲得加載系統(tǒng)的加載準確度與精度[21]。圖3(b)為全量程下載荷測量值相對誤差分布,其相對誤差保持在0.5%內(nèi),符合設(shè)計要求。

3.1.2 轉(zhuǎn)速控制及檢驗

轉(zhuǎn)速控制采用半閉環(huán)系統(tǒng),上位機將實驗設(shè)定轉(zhuǎn)速發(fā)送指令至PLC,PLC經(jīng)過編譯發(fā)至伺服驅(qū)動器使伺服電機做出相應(yīng)動作。伺服驅(qū)動器內(nèi)部閉環(huán)控制伺服電機轉(zhuǎn)動。

為驗證轉(zhuǎn)速準確性,使用頻閃儀對空載時的下摩擦副進行觀測,在轉(zhuǎn)速60～900 r/min時,相對誤差曲線平穩(wěn),驅(qū)動系統(tǒng)能實現(xiàn)設(shè)定的轉(zhuǎn)速。

3.1.3 電阻測試板設(shè)計及檢驗

電阻的測量原理本質(zhì)是將標準電阻和待測電阻(研究中采用接觸電阻)進行比較[22],并將其轉(zhuǎn)換成電壓值。圖4為接觸電阻板原理圖,其中Rm為橋式電阻,Rt為保護電阻,Rx為待測電阻,Ra為運放放大電阻,Vi為輸入電壓,Vo為輸出電壓?？赏ㄟ^該圖推導(dǎo)出:待測電阻值Rx與輸出電壓Vo的關(guān)系式和待測電阻值Rx的靈敏度與輸出電壓Vo的關(guān)系式:

(1)

圖4 電阻測試板原理圖

(2)

電路板中若干標準電阻值的匹配,決定了不同潤滑條件下接觸電阻測量的靈敏度。為了確保接觸電阻的測量均具有較高靈敏度,設(shè)計了2塊電阻測試板,通過更換圖4中Rt和Rm電阻值,得到0～150 Ω、150～1 000 Ω雙量程,分別覆蓋高阻值和低阻值的測量范圍。

圖5(a)為根據(jù)式(1)得出的輸出電壓Vo與待測電阻Rx關(guān)系曲線,圖5(b)為根據(jù)式(2)得出的電阻靈敏度與輸出電壓的關(guān)系曲線。

圖5 電阻測試板電壓-電阻曲線和電阻測試板靈敏度曲線

由圖5(a)可知,電阻測試板(1)隨電壓的變化指數(shù)上升,由于實際測量中存在噪聲干擾,結(jié)合圖5(b)電阻靈敏度曲線可知電壓噪聲將上百倍轉(zhuǎn)換為電阻誤差,為降低因噪聲帶來的誤差,可根據(jù)實際工況預(yù)估接觸電阻值,采用合適的電阻測試板進行測量。

為驗證電阻測試板的準確性,使用標準電阻箱對電阻測試板1和板2進行檢測,比較標準電阻箱設(shè)定值與電阻測試板測量值并計算相對誤差,測試結(jié)果如圖6所示。當標準電阻值Rs為1 Ω時,相對誤差僅為3%;當Rs增大時,相對誤差進一步減小并穩(wěn)定在0.2%之內(nèi);當Rs超過200 Ω后,隨著Rs增大相對誤差反向逐漸增大,但穩(wěn)定在-1%之內(nèi)。

圖6 電阻測試板相對誤差分布

3.2 潤滑膜厚和接觸電阻隨速度變化規(guī)律

圖7為2種不同實驗的測量結(jié)果。圖7(a)為使用光干涉法測得最大赫茲接觸應(yīng)力0.5 GPa下的潤滑膜厚隨滑動速度變化的情況;圖7(b)為與光干涉法相同工況下接觸電阻法測得接觸電阻隨速度變化的曲線,4條曲線分別為1#～4#的4組實驗。圖7(b)中,實驗值已減去夾具與摩擦副的固有電阻值0.6 Ω。

由圖7(a)可見潤滑膜厚隨著速度的增大而逐漸增大。圖7(b)中,接觸電阻一開始增大;當速度達到200 mm/s的時候,接觸電阻隨速度的變化的斜率明顯變緩,表明阻值變化不再顯著,即在此時潤滑狀態(tài)由混合潤滑進入到了全膜潤滑,根據(jù)理論,膜厚比應(yīng)>4,潤滑油膜已經(jīng)將接觸副表面完全分開,由于潤滑油的弱導(dǎo)電性,使得接觸電阻不再發(fā)生明顯變化。從光干涉法測量結(jié)果中可以對應(yīng)看出,在200 mm/s速度下,PAO-6可形成的膜厚約為70 nm,進一步結(jié)合表2中摩擦副的參數(shù)可計算出,接觸電阻測量實驗中同樣條件下膜厚比λ=2.8,實驗與理論高度相符。

圖7(c)為膜厚比對應(yīng)接觸電阻圖,當膜厚比在0～4區(qū)間時,接觸電阻值變化較大,當膜厚比大于4時,隨著膜厚比的增加,接觸電阻變化緩慢,與圖7(a)和圖7(b)所得規(guī)律相同。

3.3 接觸電阻與潤滑狀態(tài)相關(guān)性研究

經(jīng)上述分析可得接觸電阻能準確地反應(yīng)潤滑膜厚隨速度變化的情況,且2組實驗參數(shù)相近,因此可認為該工況下測得的接觸電阻值可等價為潤滑膜厚。由接觸電阻法測試原理可知,該方法在邊界潤滑及混合潤滑下較為適用,因此只對膜厚比在0～4區(qū)間內(nèi)的接觸電阻值及膜厚值進行擬合。圖8為接觸電阻-潤滑膜厚擬合曲線;由圖可見接觸電阻對應(yīng)的潤滑膜厚分布在擬合曲線兩側(cè)。圖8中的擬合直線的數(shù)學(xué)模型如下:

h=0.154*Rt+9.07

(3)

式中:Rt為接觸電阻,Ω;h為潤滑膜厚,nm。

其中該擬合曲線相關(guān)系數(shù)為0.98,剩余標準差為4.56 nm。

由于該擬合直線是在特定測試條件(聚α烯烴PAO-6、摩擦副粗糙度:15～20 nm、最大赫茲接觸應(yīng)力:0.5 GPa)下得到的,且當實驗材料改變(不同的潤滑油牌號、摩擦副粗糙度)時,潤滑油的粘度、極性、電導(dǎo)率以及成膜能力會發(fā)生變化,導(dǎo)致潤滑膜厚相對應(yīng)的接觸電阻值、膜厚比不同,且擬合曲線的斜率、擬合范圍等參數(shù)也會隨之改變。因此本研究下一步工作計劃為選用不同種類潤滑油和不同粗糙度的摩擦副進行摩擦潤滑實驗,建立各種潤滑油膜-接觸電阻數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)可穩(wěn)定快速地通過接觸電阻判斷摩擦副的潤滑狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文基于接觸電阻法及光干涉法實驗需求研制了旋轉(zhuǎn)式摩擦試驗機,實現(xiàn)了試驗機的載荷、轉(zhuǎn)速的精度控制和點接觸滑動工況下接觸電阻的準確測量,驗證了裝置的可靠性,能實現(xiàn)潤滑油的摩擦模擬實驗。結(jié)合光干涉法測量膜厚,嚴格控制光干涉法和試驗機的運行參數(shù),在本文特定條件下,實現(xiàn)了接觸電阻對潤滑膜厚的檢測,結(jié)果表明:在點接觸滑動工況下,隨著速度增加,接觸電阻也隨之增加與潤滑膜厚隨速度變化規(guī)律相同,獲得了接觸電阻與潤滑膜厚之間的關(guān)系,擬合曲線相關(guān)系數(shù)為0.98,剩余標準差為4.56 nm。從而建立了一套直接在線監(jiān)測潤滑狀態(tài)的實驗方法。該方法為接觸電阻測量潤滑膜厚提供了一種新思路,,有效提升了相關(guān)傳動領(lǐng)域的潤滑評價與分析能力。