液氮環(huán)境下固體潤滑軸承摩擦力矩試驗

張廣濤,蘇冰,劉鵬,王健,張文虎,3

(1.河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院,河南 洛陽 471003;2.洛陽軸承研究所有限公司,河南 洛陽 471039;3.國創(chuàng)(洛陽)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司,河南 洛陽 471039)

由于介質(zhì)和溫度的限制,應(yīng)用于超低溫液氮、液氧、液氫環(huán)境下的輸液泵軸承只能采用固體潤滑劑進行潤滑,應(yīng)用最多的固體潤滑劑主要有聚四氟乙烯(PTFE)和二硫化鉬(MoS2)[1]。PTFE易在與之對摩的物體表面形成轉(zhuǎn)移膜,對極端環(huán)境的適應(yīng)能力、摩擦因數(shù)重復(fù)性較好,可提高接觸副的耐磨性[2]。MoS2為層狀結(jié)構(gòu),低溫下抗磨和潤滑性能良好,純MoS2在潮濕空氣中易潮解而失去潤滑作用,但對環(huán)境溫度不敏感,有較寬的溫度適應(yīng)范圍[3-4]。

固體潤滑劑在軸承中的有效應(yīng)用已得到廣泛驗證:文獻[5-6]在渦輪泵用軸承套圈表面濺射65%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同) MoS2和35%三氧化二銻 (Sb2O3)組成潤滑薄膜及制備厚度約1 μm的高頻濺射PTFE薄膜,以提高軸承在干摩擦狀態(tài)下的潤滑特性;文獻[7]使用類金剛石(DLC)薄膜和C-MoS2薄膜對軸承滾道表面改性,摩擦力矩和溫升測試結(jié)果表明軸承套圈上預(yù)鍍固體潤滑薄膜可以有效降低軸承摩擦力矩;文獻[8]通過試驗考察潤滑狀態(tài)、沖擊頻率、沖擊力和滑動速度等因素對9Cr18軸承鋼表面MoS2固體潤滑膜失效形式的影響,結(jié)果表明潤滑條件對摩擦力矩影響較大,且油潤滑相較干摩擦能夠顯著降低固體潤滑膜的表面摩擦力矩;文獻[9]開發(fā)了一種低溫渦輪泵用角接觸球軸承(采用純PTFE保持架與軸承套圈溝道上沉積Ag基潤滑涂層),研究了軸承內(nèi)、外圈表面PTFE轉(zhuǎn)移膜的形成、變化以及磨損狀態(tài),結(jié)果表明自潤滑軸承能在高速、重載、低溫環(huán)境下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。以上研究對低溫環(huán)境下固體潤滑軸承的可靠性進行了評估,并研究了固體潤滑膜的傳遞機理。

摩擦力矩作為軸承的一項重要性能指標(biāo),直接決定了軸承的摩擦功耗、溫度、噪聲和振動,并最終影響運動系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)精度和壽命[10],而在低溫環(huán)境下,軸承的摩擦力矩會急劇增加,從而導(dǎo)致軸承的摩擦功耗、溫度增加,影響軸承的壽命。文獻[11]測試了軸承在低溫環(huán)境下的摩擦力矩,發(fā)現(xiàn)低溫處理后軸承運轉(zhuǎn)摩擦力矩比常溫跑合后的有所升高;文獻[12]采用有限元軟件分析了角接觸球軸承的低溫摩擦特性,指出潤滑介質(zhì)黏度系數(shù)對軸承的低溫摩擦特性影響較大;文獻[13]構(gòu)建了低溫滾動軸承全液膜潤滑和啟動摩擦力矩的求解模型,并開展液氮環(huán)境下的低溫滾動軸承試驗,得到了啟動過程不同轉(zhuǎn)速下特定低溫軸承的啟動摩擦力矩,并基于此提出保證軸承瞬態(tài)安全啟動的最小徑向預(yù)載設(shè)計指標(biāo)。上述研究主要針對低溫環(huán)境下潤滑劑對軸承摩擦力矩的影響,但對超低溫環(huán)境,特別是浸泡在液氮中的不同固體潤滑劑涂層軸承的摩擦力矩變化研究較少。

液氮環(huán)境下固體潤滑軸承摩擦力矩測試受環(huán)境,固體潤滑膜的制備方式及磨損壽命的影響,目前開展的研究較少。本文采用M9908B摩擦力矩試驗機,模擬軸承浸泡在液氮環(huán)境下的應(yīng)用場合,研究低速下由MoS2和PTFE固體潤滑劑制備的固體潤滑軸承的動態(tài)摩擦力矩變化規(guī)律。

1 試驗

1.1 試驗軸承制備

試驗軸承為7204AC角接觸球軸承(P4級),基本參數(shù)見表1。軸承套圈表面清洗擦拭后噴涂MoS2和PTFE固體潤滑劑,如圖1所示:噴涂后套圈溝道表面固體潤滑膜分布均勻,MoS2膜呈烏黑色、無光澤、質(zhì)軟,涂層厚度約為8 μm;PTFE膜呈乳白色、無光澤、質(zhì)軟,涂層厚度約為10 μm。最后,對制備好固體潤滑膜的軸承采用外圈加熱的方式進行合套,每種涂層軸承各3套,分別編號(MoS2涂層軸承記為1#,2#,3#;PTFE涂層軸承記為11#,12#,13#)并作為待測軸承進行精度和摩擦力矩測試。

1.2 涂層噴涂前后軸承精度測試

溝道噴涂涂層會影響溝形,因此需要檢測噴涂后軸承內(nèi)、外圈溝道的圓度。軸承旋轉(zhuǎn)精度反映軸承的動態(tài)特性,通過測量軸承噴涂后的徑向跳動和端面跳動評估軸承旋轉(zhuǎn)精度。本文采用Y9000G圓度測量儀測量套圈溝道圓度,B613旋轉(zhuǎn)精度測量儀測量軸承的徑向跳動量和端面跳動量,涂層噴涂前后軸承套圈溝道圓度測量結(jié)果見表2,取噴涂MoS2和PTFE的軸承各一套,分別測量5次旋轉(zhuǎn)精度,結(jié)果見表3。

表2 涂層噴涂前后軸承套圈溝道圓度變化

表3 涂層噴涂后軸承旋轉(zhuǎn)精度

1#軸承溝道噴涂MoS2后,內(nèi)、外圈圓度值由0.24,0.58 μm分別變化為1.61,4.02 μm,其余軸承圓度值也均有較大變化。與P4級角接觸球軸承的旋轉(zhuǎn)精度(端面跳動量為5 μm,徑向跳動量為4 μm)相比,3#,12#軸承噴涂涂層后的端面跳動和徑向跳動均有明顯變化。由以上結(jié)果可知噴涂工藝對軸承圓度和旋轉(zhuǎn)精度影響較大。因此,在固體潤滑軸承正式使用前應(yīng)進行充分跑合,分析跑合階段的摩擦力矩,使軸承在使用前達到穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3 試驗設(shè)備

使用M9908B摩擦力矩試驗機(圖2)測量試驗軸承的摩擦力矩。試驗機采用平衡測量法,將試驗軸承的內(nèi)圈安裝在空氣主軸上,空氣主軸與力矩傳感器連接,外圈與驅(qū)動軸上的外端蓋連接;當(dāng)驅(qū)動機構(gòu)帶動外圈旋轉(zhuǎn)時,由于摩擦力矩的存在,內(nèi)圈會隨外圈一起轉(zhuǎn)動,力矩傳感器阻礙內(nèi)圈旋轉(zhuǎn),此時力矩傳感器與試驗軸承的摩擦力矩保持動態(tài)平衡,力矩傳感器的力矩即為試驗軸承的摩擦力矩。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32562—2016《滾動軸承 摩擦力矩測量方法》,確定軸承摩擦力矩測試工況為軸向施加載荷10 N、軸承轉(zhuǎn)速5 r/min。

1—空氣主軸;2—液氮;3—試驗軸承;4—外更換件;5—鎖緊螺母;6—升降手輪;7—升降銷軸;8—升降卡套;9—驅(qū)動主軸;10—載荷塊;11—液氮導(dǎo)管;12—自增壓液氮泵;13—液氮儲蓄罐。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同潤滑劑涂層下的軸承摩擦力矩

常溫和液氮環(huán)境下,在無涂層、MoS2涂層、PTFE涂層潤滑下測得的軸承摩擦力矩變化曲線如圖3—圖5所示,試驗時軸承先順時針旋轉(zhuǎn)2圈,再逆時針旋轉(zhuǎn)2圈。

圖3 無涂層軸承摩擦力矩隨旋轉(zhuǎn)角度的變化

由圖3可知:常溫與液氮環(huán)境下無涂層軸承的摩擦力矩相差較大,這是因為液氮環(huán)境下軸承低溫收縮引起游隙變化, 導(dǎo)致軸承接觸角、 載荷變化[13],進而使摩擦力矩增大,且軸承零件與液氮間的攪拌力矩也會引起摩擦力矩改變。此外,文獻[14]研究角接觸球軸承摩擦力矩隨結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律表明,保持架的兜孔間隙減小也會增大保持架與鋼球之間的摩擦,從而引起軸承摩擦力矩的增大,與試驗結(jié)果具有一致性。

由圖4可知:液氮環(huán)境下MoS2涂層固體潤滑軸承摩擦力矩波動較常溫環(huán)境下的大,且順時針下的摩擦力矩較逆時針下的大。這是因為試驗啟動時軸承順時針旋轉(zhuǎn),MoS2涂層在鋼球與溝道的滾動碰撞下逐漸形成轉(zhuǎn)移膜,逆時針旋轉(zhuǎn)時MoS2轉(zhuǎn)移膜分布均勻,對軸承起到減摩作用,從而使固體潤滑軸承摩擦力矩降低且波動減小。由此可以看出,轉(zhuǎn)移膜的分布會影響軸承摩擦力矩變化。相關(guān)研究表明,在航天軸承應(yīng)用中,用于擺動工況下的固體潤滑軸承在極限位置會產(chǎn)生轉(zhuǎn)移膜的堆積,導(dǎo)致摩擦力矩變大且不穩(wěn)定[15],與本文研究結(jié)果具有一致性。

圖4 MoS2涂層固體潤滑軸承摩擦力矩隨旋轉(zhuǎn)角度的變化

由圖5可知:PTFE涂層固體潤滑軸承摩擦力矩隨旋轉(zhuǎn)角度變化基本在平均值附近波動,且逆時針旋轉(zhuǎn)下的摩擦力矩明顯低于順時針下的摩擦力矩。這是由于鋼球在溝道上的旋轉(zhuǎn)輾壓作用使鋼球表面形成轉(zhuǎn)移膜并在溝道表面產(chǎn)生分布均勻的明顯環(huán)狀痕跡,從而可知潤滑涂層在軸承轉(zhuǎn)動過程中形成轉(zhuǎn)移膜并分布在鋼球上起到潤滑效果,降低了軸承的摩擦力矩。

圖5 PTFE涂層固體潤滑軸承摩擦力矩隨旋轉(zhuǎn)角度的變化

2.2 不同跑合時間下的軸承摩擦力矩

對軸承進行跑合以使涂層過渡層均勻致密化,從而降低摩擦因數(shù),獲得具有小而穩(wěn)定摩擦力矩的固體潤滑軸承[16]。分別在液氮環(huán)境下與常溫環(huán)境下測量每種軸承(各3套)跑合過程中的摩擦力矩,得到軸承摩擦力矩平均值隨跑合時間的變化曲線,如圖6所示。

圖6 固體潤滑軸承摩擦力矩平均值隨跑合時間的變化

由圖6可知:隨著軸承跑合時間的增加,無涂層軸承的摩擦力矩基本穩(wěn)定,有涂層軸承的摩擦力矩均逐漸降低直至平穩(wěn);液氮環(huán)境下,無涂層軸承的摩擦力矩始終高于常溫下,而有涂層軸承的摩擦力矩先高于常溫下后低于常溫下;PTFE涂層軸承、MoS2涂層軸承和無涂層軸承的摩擦力矩依次降低,這主要與噴涂固體潤滑劑前后軸承精度變化有關(guān),由表2和表3可知,套圈溝道圓度和軸承旋轉(zhuǎn)精度均有變化,從而影響了軸承的動態(tài)性能;順時針旋轉(zhuǎn)時,液氮環(huán)境下MoS2涂層軸承摩擦力矩在跑合360 s時逐漸低于常溫下的摩擦力矩,液氮環(huán)境下PTFE涂層軸承摩擦力矩在跑合480 s時才開始低于常溫下的摩擦力矩,逆時針測量得到的試驗數(shù)據(jù)與順時針趨勢一致,因此液氮環(huán)境下MoS2摩擦因數(shù)較低,PTFE次之。

3 討論

3.1 超低溫對結(jié)構(gòu)變形的影響

軸承的工作性能與軸承“間隙”的存在有著重要關(guān)系。首先,軸承作為旋轉(zhuǎn)支承件,通常與軸和軸承座配合使用,內(nèi)部間隙會受裝配公差量的變化而變化;其次,熱脹冷縮是材料的固有特性,內(nèi)部間隙會受工作溫度的影響而變化。固體潤滑軸承浸泡在液氮環(huán)境中,整體溫度可達-190 ℃,導(dǎo)致軸承結(jié)構(gòu)變形,從而改變軸承“間隙”,本節(jié)主要分析軸承游隙和兜孔間隙在液氮環(huán)境中由于結(jié)構(gòu)變形而引起的變化,從而定性分析結(jié)構(gòu)變形對摩擦力矩的影響。

軸承浸泡在液氮中時采用測量工具直接測量軸承游隙和兜孔間隙的方法不可行。因此,本文采用有限元方法模擬軸承在超低溫環(huán)境下的變形,進而計算軸承游隙和兜孔間隙的變化量,即

Δp=Δpe-Δpi-2Δpw,

(1)

Gr=Gr0+Δp,

(2)

Δε=Δpε-Δpw,

(3)

ε=ε0+Δε,

(4)

式中:Δp為軸承游隙變化量;Δpi為內(nèi)圈變形量;Δpe為外圈變形量;Δpw為鋼球變形量;Gr為軸承徑向游隙;Gr0為軸承原始徑向游隙;Δε為兜孔間隙變化量;Δpε為兜孔變形量;ε為兜孔間隙;ε0為原始兜孔間隙。

設(shè)置環(huán)境溫度、初始溫度和軸承內(nèi)外圈、鋼球、保持架材料的膨脹系數(shù)等參數(shù),采用ANSYS Workbench對軸承進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,模擬軸承零件在超低溫環(huán)境下的變形。對軸承模型施加溫度載荷,并限制軸承端面軸向自由度,提取由溫度引起的軸承零件的變形量,進而計算軸承工作過程中的游隙變化量。已知軸承原始徑向游隙為0.091 mm,軸承外圈、內(nèi)圈、鋼球和保持架的整體變形如圖7所示,沿軸承套圈壁厚方向提取變形可得溝底位置的變形量,負值為尺寸減小,正值為尺寸增加,外圈溝底尺寸變形量為-30.22 μm,內(nèi)圈溝底尺寸變形量為-13.50 μm,鋼球徑向變形量為16.50 μm,所以由軸承溫度變化引起的軸承游隙變化量為-49.72 μm;保持架兜孔軸向總變形量為-19.90 μm,鋼球軸向變形量為-15.30 μm,可得兜孔間隙變形量為-4.60 μm。

(a) 外圈變形量

3.2 流體引起的攪拌力矩

軸承浸泡在超低溫液氮中時處于完全液體潤滑,鋼球公轉(zhuǎn)時受到流體的繞流阻力,自轉(zhuǎn)時受到流體的攪拌摩擦力矩,則每個鋼球受到的繞流阻力Fd和攪拌摩擦力矩M分別為

(5)

M=vFd,

(6)

式中:Cd為繞流阻力系數(shù),根據(jù)雷諾數(shù)進行選取,見文獻[17];ρ為液氮的質(zhì)量密度,取808.32 kg/m3;Dw為鋼球直徑;Dpw為球組節(jié)圓直徑;Ωm為鋼球公轉(zhuǎn)角速度;v為鋼球線速度。

3.3 小結(jié)

綜上所述,影響試驗軸承動態(tài)摩擦力矩變化的因素有以下幾種:低溫引起軸承結(jié)構(gòu)變形,導(dǎo)致軸承游隙、兜孔間隙減小;軸承浸泡在液氮中,流體與軸承零件相互作用產(chǎn)生攪拌力矩;溝道表面涂層改變了溝道基本形狀(精度)且固體潤滑劑膜厚進一步減小了游隙,從而引起軸承摩擦力矩的增加。

4 結(jié)論

制備MoS2和PTFE涂層固體潤滑軸承,對涂層噴涂前后軸承的旋轉(zhuǎn)精度、圓度、游隙值進行檢測評估,并在液氮環(huán)境下開展摩擦力矩試驗,得到主要結(jié)論如下:

1)試驗先順時針旋轉(zhuǎn)再逆時針旋轉(zhuǎn)時,逆時針旋轉(zhuǎn)測得的MoS2,PTFE涂層固體潤滑軸承摩擦力矩較順時針旋轉(zhuǎn)時小。

2)無涂層軸承摩擦力矩在液氮環(huán)境下明顯高于常溫下,有涂層軸承摩擦力矩隨著測試時間的增加先升高后降低。

3)液氮環(huán)境下,MoS2涂層固體潤滑軸承比PTFE涂層固體潤滑軸承的動態(tài)摩擦力矩低,摩擦性能好,而PTFE涂層固體潤滑軸承摩擦力矩波動性較小。