基于光干涉技術(shù)的推力球軸承打滑率的測(cè)量

任志強(qiáng)，劉廣媛，郭峰，王靜

(青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266033)

滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，滾動(dòng)體相對(duì)套圈或座圈的運(yùn)動(dòng)不是純滾動(dòng)。由于越來(lái)越常見(jiàn)的高速輕載工況、滾動(dòng)體離心力、潤(rùn)滑油膜有限的牽曳力及陀螺效應(yīng)等，滾動(dòng)體均會(huì)在運(yùn)轉(zhuǎn)中打滑，表現(xiàn)為滾動(dòng)體或保持架的公轉(zhuǎn)線速度低于理論線速度，造成軸承的摩擦磨損和急劇溫升，最終導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑失效。針對(duì)軸承打滑已進(jìn)行了許多理論研究。文獻(xiàn)[1-2]基于擬靜力學(xué)/擬動(dòng)力學(xué)完成了高速軸承的理論分析，對(duì)軸承打滑率進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。文獻(xiàn)[3]建立了角接觸球軸承中鋼球的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)方程，完成了動(dòng)力學(xué)分析程序的計(jì)算，全面模擬了鋼球的運(yùn)動(dòng)。文獻(xiàn)[4]分析了影響軸承打滑的因素，提出增大軸承的軸向變形以防止承受聯(lián)合載荷的軸承打滑。文獻(xiàn)[5]基于等溫彈流潤(rùn)滑理論，分析了載荷和轉(zhuǎn)速等對(duì)軸承打滑的影響。文獻(xiàn)[6-8]基于擬靜力學(xué)/擬動(dòng)力學(xué)完成了一些有針對(duì)性的高速球軸承鋼球的受力分析，研究了抑制打滑的軸向臨界載荷。在試驗(yàn)方面提出采用不同的手段測(cè)量保持架或滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)線速度以確定打滑率，如電渦流傳感器技術(shù)、磁特性測(cè)量技術(shù)[9]及應(yīng)力測(cè)量技術(shù)等。打滑參數(shù)的確定對(duì)于高精密軸承的設(shè)計(jì)制造和安裝(如預(yù)緊載荷)等有重要的價(jià)值。

在軸承的動(dòng)力學(xué)/擬動(dòng)力學(xué)分析中，滾動(dòng)體與滾道間的彈流油膜參數(shù)十分重要，其影響軸承特性分析的準(zhǔn)確性。在彈流理論中，兩潤(rùn)滑表面的滑滾比(滑動(dòng)速度與滾動(dòng)速度之比)直接影響油膜厚度、摩擦力及溫升[10]，但目前對(duì)于軸承中油膜潤(rùn)滑的認(rèn)識(shí)還未達(dá)到多因素彈流潤(rùn)滑理論的層面，如油膜厚度的計(jì)算大都基于等溫理論公式[2]，因此研究軸承打滑率對(duì)于研究其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的潤(rùn)滑機(jī)理也十分重要。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室已有的球-盤(pán)接觸光干涉彈流油膜測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1a所示。將拆除軸圈后的推力球軸承取代傳統(tǒng)球-盤(pán)接觸光干涉彈流油膜測(cè)量系統(tǒng)中的鋼球，改造前、后對(duì)比如圖1b所示，并使鋼球組(保持架)的中心與玻璃盤(pán)的回轉(zhuǎn)中心重合，這樣比傳統(tǒng)的球-盤(pán)接觸能更好地模擬軸承的實(shí)際工況。圖像采集系統(tǒng)由顯微鏡、CCD、圖像采集卡及相關(guān)圖像處理軟件組成。顯微鏡為同軸照明連續(xù)變倍單筒視頻顯微鏡。CCD系統(tǒng)可進(jìn)行逐行掃描，局部模式的最高幀頻達(dá)每秒350幀。

圖1 球-盤(pán)接觸光干涉彈流油膜測(cè)量系統(tǒng)

推力球軸承組件的定位與調(diào)節(jié)通過(guò)平行并聯(lián)定位機(jī)構(gòu)(圖2)實(shí)現(xiàn)，其原理如圖3所示。圖中，1和2為微調(diào)螺桿；3為十字萬(wàn)向連接器；4和5為接觸球體，與微調(diào)螺桿固連。試驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)微調(diào)螺桿使接觸球體不與上平臺(tái)接觸。通過(guò)加載推力球軸承鋼球組，使之與玻璃盤(pán)下表面自由接觸，并通過(guò)萬(wàn)向連接器進(jìn)行自調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)鋼球均勻受載，然后通過(guò)微調(diào)螺桿鎖定上平臺(tái)的空間位置。平行并聯(lián)定位機(jī)構(gòu)實(shí)際有8個(gè)微調(diào)螺桿，下平臺(tái)與加載托板連接。

圖2 推力球軸承平行并聯(lián)定位機(jī)構(gòu)

圖3 推力球軸承平行并聯(lián)定位機(jī)構(gòu)原理

2 試驗(yàn)原理及條件

通過(guò)彈流接觸區(qū)光干涉圖像檢驗(yàn)與玻璃盤(pán)接觸的鋼球組是否均勻受力，選取對(duì)稱(chēng)的4個(gè)位置分別對(duì)球盤(pán)接觸區(qū)拍照，不同位置的彈流接觸區(qū)光干涉圖像如圖4所示。由圖4可知，在對(duì)稱(chēng)的2個(gè)位置(+X與-X，+Y與-Y)，Hertz接觸半徑相同(+X與-X位置半徑值為94.78 μm；+Y與-Y位置半徑值為84.25 μm)，鋼球?yàn)榫鶆蚴芰佑|。X和Y方向上受力不同，是由于軸承座圈表面波紋度的影響(后續(xù)將進(jìn)行研究)，由此可判斷鋼球組均勻受力。加載后通過(guò)微位移臺(tái)(圖1b右側(cè))調(diào)整鋼球組與回轉(zhuǎn)玻璃盤(pán)的同心。

圖4 不同位置的彈流接觸區(qū)光干涉圖像

所用潤(rùn)滑油為PAO100，其密度(15.6 ℃)為0.853 g/cm3，40 ℃時(shí)其運(yùn)動(dòng)黏度為1 258 mm2/s。推力球軸承NSK51207內(nèi)徑為35 mm，鋼球數(shù)為14，鋼球直徑為9.525 mm。使用加載托板實(shí)現(xiàn)加載，試驗(yàn)中分別使用25，30和50 N(鋼球接觸載荷分別為1.785 7，2.142 9和3.571 4 N)的加載力，工況為輕載。試驗(yàn)在低速(線速度為0～8 mm/s)下完成，包含薄膜潤(rùn)滑和彈流潤(rùn)滑狀態(tài)。

鋼球打滑率為

(1)

式中：ub為鋼球的理論公轉(zhuǎn)線速度，其為接觸點(diǎn)玻璃盤(pán)轉(zhuǎn)速的一半；ubs為鋼球的實(shí)際公轉(zhuǎn)線速度。鋼球與玻璃盤(pán)接觸處會(huì)產(chǎn)生干涉圖像，采用CCD在一定幀頻條件下拍攝鋼球運(yùn)動(dòng)圖像來(lái)計(jì)算鋼球公轉(zhuǎn)線速度，進(jìn)而求出打滑率。試驗(yàn)中設(shè)定以圖4中鋼球1為起點(diǎn)，沿逆時(shí)針?lè)较驅(qū)︿撉蚓幪?hào)(鋼球1、鋼球2、鋼球3、…)。

3 結(jié)果與討論

在載荷為40 N(鋼球接觸載荷為2.857 1 N)，ub分別為1.4 mm/s(2 r/min)和5.5 mm/s(7 r/min)的條件下，連續(xù)拍攝+Y位置處鋼球運(yùn)動(dòng)干涉圖片(幀頻為每秒60張)，如圖5所示，鋼球由第1幅圖片的右上角運(yùn)動(dòng)到最后1幅圖片的左下角。在2種線速度下，Hertz接觸區(qū)干涉圖像的顏色發(fā)生變化，油膜厚度也不同。在圖5a中，出口空化區(qū)較小，Hertz接觸區(qū)干涉圖形的馬蹄形不明顯，說(shuō)明潤(rùn)滑狀態(tài)為薄膜潤(rùn)滑；在圖5b中，出口空化區(qū)顯著拉長(zhǎng)，Hertz接觸區(qū)干涉圖形呈馬蹄形的油膜分布，說(shuō)明潤(rùn)滑狀態(tài)為彈流潤(rùn)滑。沿卷吸速度方向的油膜中截面膜厚曲線如圖6所示。在ub=5.5 mm/s(7 r/min)的條件下，膜厚呈明顯的出口徑縮特征；在ub=1.4 mm/s(2 r/min)的條件下，油膜為幾十納米數(shù)量級(jí)，呈薄膜潤(rùn)滑的特性。為確定ubs，在+Y位置附近選取時(shí)間間隔Δt=(n/60) s(n為該間隔內(nèi)間隔圖片張數(shù)；60為幀頻)的2張圖片。對(duì)軸承公轉(zhuǎn)線速度進(jìn)行分析，如圖7所示，使用圖像分析軟件測(cè)量圖片中接觸中心處的像素點(diǎn)坐標(biāo)(X1，Y1)和(X2，Y2)，通過(guò)分辨率換算接觸中心的實(shí)際坐標(biāo)，從而求出鋼球在這段時(shí)間的直線位移，由于位移非常微小，可近似使用直線位移代替曲線位移。通過(guò)圖片即可求出某位置的ubs。

圖5 +Y位置處鋼球運(yùn)動(dòng)干涉圖片

圖6 沿卷吸速度方向的油膜中截面膜厚曲線

圖7 軸承公轉(zhuǎn)線速度分析

測(cè)量同一鋼球在不同位置處的實(shí)際公轉(zhuǎn)線速度，每個(gè)位置測(cè)量7次，取平均值后再根據(jù) (1) 式確定打滑率。載荷為30 N(鋼球接觸載荷為2.142 9 N)時(shí)，油潤(rùn)滑與干接觸條件下鋼球1位于圖4中-X位置處打滑率隨線速度的變化曲線如圖8所示。由圖8可知，測(cè)量數(shù)據(jù)的波動(dòng)性較大，從油潤(rùn)滑與干接觸條件下的對(duì)比結(jié)果可確定測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定且測(cè)量方法正確。打滑率隨線速度的增加總體呈增加趨勢(shì)，這與一般的軸承動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果一致。線速度很低時(shí)，打滑率隨玻璃盤(pán)線速度的變化不明顯。隨著線速度進(jìn)一步增加，打滑率明顯增加。當(dāng)玻璃盤(pán)線速度超過(guò)2.5 mm/s時(shí)，打滑率不再明顯增加。忽略誤差等因素，打滑率平均為0.05～0.15左右。測(cè)量結(jié)果體現(xiàn)了鋼球運(yùn)動(dòng)的非穩(wěn)定特性。試驗(yàn)中鋼球滾動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自油膜的摩擦力，而該摩擦力與油膜承受的剪應(yīng)變率成正比。為簡(jiǎn)化分析，假定滑動(dòng)來(lái)自鋼球-玻璃盤(pán)界面，在鋼球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中油膜摩擦力大于鋼球運(yùn)動(dòng)阻力，驅(qū)動(dòng)鋼球加速滾動(dòng)，甚至測(cè)得瞬時(shí)速度大于理論公轉(zhuǎn)線速度，而鋼球加速則會(huì)降低鋼球打滑率，從而減小油膜的剪應(yīng)變率和鋼球的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)油膜摩擦力小于鋼球運(yùn)動(dòng)阻力時(shí)，鋼球減速，導(dǎo)致打滑率和鋼球的驅(qū)動(dòng)力增加。鋼球在溝道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于外部干擾無(wú)法達(dá)到驅(qū)動(dòng)力與阻力平衡的勻速運(yùn)動(dòng)，在低速下認(rèn)為鋼球的滾動(dòng)速度始終處于波動(dòng)中，而鋼球打滑引起的油膜變化的摩擦力會(huì)增加波動(dòng)。

圖8 鋼球1位于-X位置處打滑率隨線速度的變化曲線

不同載荷下同一鋼球位于-X與-Y位置的打滑率隨線速度的變化曲線如圖9所示。一般認(rèn)為載荷增加會(huì)減小鋼球打滑率，但在本試驗(yàn)條件下，打滑率對(duì)載荷的依賴(lài)性不明顯，這與輕載有關(guān)。

圖9 不同載荷下同一鋼球的打滑率隨線速度的變化曲線

載荷為30 N時(shí)同一鋼球的中心膜厚隨線速度的變化曲線如圖10所示。隨線速度增加，中心膜厚增加。當(dāng)ub<3 mm/s時(shí)，變化平緩；當(dāng)ub>3 mm/s時(shí)，中心膜厚迅速增加，證明油膜經(jīng)歷了薄膜潤(rùn)滑和彈流潤(rùn)滑2種狀態(tài)。

圖10 同一鋼球的中心膜厚隨線速度的變化曲線

4 結(jié)論

(1)輕載下推力球軸承明顯打滑，且鋼球打滑率隨線速度的增加而增加，隨著載荷的增加，變化則不明顯。

(2)在上文試驗(yàn)速度條件下，潤(rùn)滑狀態(tài)為薄膜潤(rùn)滑和彈流潤(rùn)滑，中心膜厚隨線速度的增加而增加，也可認(rèn)為彈流潤(rùn)滑狀態(tài)下鋼球打滑率比薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)下的高。