基于EHL理論的脂潤滑軸承溝道表面缺陷研究

彭朝林，謝小鵬，陳禎

(1.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，西安 710064；2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510064；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢 430074)

隨著計算機(jī)技術(shù)和試驗科學(xué)的不斷發(fā)展，彈性流體動力潤滑(EHL)理論在數(shù)值計算和油膜厚度測量等方面與實際工況更為接近，為軸承、齒輪和發(fā)動機(jī)潤滑設(shè)計等領(lǐng)域提供了有效理論支持[1]。作為機(jī)械關(guān)鍵零部件，滾動軸承性能直接關(guān)系到整個機(jī)械裝備工作的穩(wěn)定性、安全性和效率等，而其滾動體-滾道所形成的摩擦副潤滑為典型彈流潤滑問題，且其表面在工作過程中因各種因素形成表面缺陷[2-4]。因此，有必要對軸承滾動體或滾道表面缺陷條件下的潤滑油膜情況進(jìn)行分析。

目前，EHL理論的研究主要集中在潤滑油方面，而在潤滑脂方面研究較少。文獻(xiàn)[5]采用數(shù)值計算方法考察了基于Herschel-Bulkley流變模型的脂潤滑熱彈流油膜壓力和油膜厚度分布情況。文獻(xiàn)[6]運用多重網(wǎng)格法分析了載荷、速度、流變指數(shù)對脂潤滑輪轂軸承滾動體-滾道油膜壓力、形狀分布的影響，并計算了最小油膜厚度。此外，考慮表面缺陷對潤滑劑潤滑性能影響的研究主要是采用試驗方法考察表面缺陷對摩擦副表面摩擦磨損性能、油膜特性和滾動軸承疲勞壽命的影響[7-8]。

下文通過數(shù)值計算方法，研究了表面缺陷對脂潤滑雙列角接觸球軸承球-溝道表面的油膜壓力和油膜厚度分布的影響，并以此為基礎(chǔ)分析了表面缺陷在軸承運轉(zhuǎn)過程中的演變規(guī)律及其潤滑脂潤滑性能的影響。

1 溝道表面缺陷的產(chǎn)生

引起軸承失效的原因有潤滑不當(dāng)、不恰當(dāng)安裝、密封缺陷、次表面疲勞等[9]，其中由于潤滑不當(dāng)和密封缺陷引起軸承失效的比例分別為43%和29%，而密封缺陷直接導(dǎo)致軸承潤滑脂流失或外界的灰塵、泥沙和水分進(jìn)入軸承潤滑劑中，從而使軸承失效。因此，可將密封缺陷導(dǎo)致軸承失效的原因歸于潤滑因素。失效軸承溝道表面的SEM形貌如圖1所示。由圖可知，軸承失效的最終結(jié)果是球和溝道表面形成的位置、尺寸和形狀隨機(jī)分布的凸起和凹坑，將二者統(tǒng)稱為溝道表面缺陷。

圖1 失效軸承溝道表面形貌(200×)

軸承工作過程中，球和溝道表面會在酸性物質(zhì)腐蝕、交變接觸應(yīng)力和摩擦磨損作用下出現(xiàn)麻點、腐蝕和擦傷等，進(jìn)而產(chǎn)生表面材料轉(zhuǎn)移和彈塑性變形，導(dǎo)致其表面出現(xiàn)凹坑。同時，疲勞破壞會使溝道表面材料轉(zhuǎn)移，進(jìn)而出現(xiàn)凹坑，且該作用下的表面凹坑一般尺寸較大。此外，凹坑出現(xiàn)后，由球和溝道表面材料轉(zhuǎn)移所形成的顆粒，在隨后的軸承運轉(zhuǎn)中發(fā)生冷焊,粘結(jié)在球和溝道表面。另外，由于密封缺陷導(dǎo)致外界環(huán)境中的泥沙和灰塵所攜帶的雜質(zhì)顆粒進(jìn)入軸承潤滑劑中，使?jié)櫥赡つ芰ο陆?，潤滑區(qū)域出現(xiàn)油膜壓力峰，導(dǎo)致雜質(zhì)顆粒在應(yīng)力作用下嵌入球-溝道表面，或者使摩擦副表面由于擠壓作用而產(chǎn)生塑性變形形成壓痕。這些因素均會使球-溝道表面形成凸起。而加工精度低和不恰當(dāng)?shù)陌惭b也會使球-溝道表面形成凹坑或凸起。球-溝道表面缺陷的簡化圖如圖2所示，圖中U表示軸承球-溝道表面相對滑動速度。

圖2 軸承球-溝道表面缺陷

2 理論計算

2.1 計算參數(shù)

在研究滾動軸承脂潤滑問題時，可將球-溝道表面之間形成的相對運動摩擦副近似為線接觸脂潤滑彈流問題進(jìn)行分析[6]。因此，研究溝道表面缺陷對脂潤滑的影響時，采用文獻(xiàn)[6]中的脂潤滑控制方程、黏-壓關(guān)系式、密-壓關(guān)系式及油膜載荷平衡方程，數(shù)值計算過程中的工況參數(shù)見表1。對于油膜厚度方程，考慮到表面缺陷的存在，需要根據(jù)缺陷類型和尺寸具體分析。

表1 數(shù)值計算工況參數(shù)

2.2 油膜厚度方程

分析溝道表面凹坑對脂潤滑滾動軸承油膜壓力和油膜厚度分布的影響時，需要對理想條件下(光滑表面)油膜厚度方程進(jìn)行修正，即在油膜厚度方程中對表面缺陷引起的油膜厚度變化進(jìn)行描述，修正后的油膜厚度方程為

S(x)+C，

(1)

式中：hc為無彈性變形時中心間隙厚度；p(s)為油膜壓力函數(shù)；s為x軸上的附加坐標(biāo),s1和s2分別為p(s)的起點和終點坐標(biāo)；S(x)為表面缺陷形狀函數(shù)；C為待定常量。

存在表面缺陷的脂潤滑彈流計算模型如圖3所示。圖中，坐標(biāo)系xOz原點取球和溝道的接觸點,x軸方向為球轉(zhuǎn)動的切線方向,z軸方向指向球中心方向,u1，u2分別為球和溝道表面滑動速度；假定在潤滑區(qū)域中心處存在表面缺陷，其形狀為半圓形，z0為半徑,則表面缺陷形狀函數(shù)為

圖3 存在表面缺陷的脂潤滑彈流計算模型

(2)

式中：x0為表面缺陷中心沿x方向坐標(biāo)；表面缺陷類型為凹坑時取“+”號，為凸起時取“-”號。

3 結(jié)果與分析

在彈流潤滑區(qū)域內(nèi)，溝道表面存在半徑z0為0.1b，0.2b(b為Hertz接觸橢圓的短半徑)的凹坑或凸起以及光滑表面條件下的線接觸脂潤滑彈流油膜壓力和油膜厚度分布分別如圖4和圖5所示。圖4中,當(dāng)橫坐標(biāo)大于1.0時,油膜壓力為0,因此省略其曲線。

圖4 表面缺陷對線接觸脂潤滑油膜壓力分布的影響

圖5 表面缺陷對線接觸脂潤滑油膜厚度分布的影響

由圖4可知，相比于光滑表面，表面缺陷引起油膜壓力分布發(fā)生顯著變化，不同表面缺陷的油膜壓力分布的差異較大。當(dāng)表面缺陷為凹坑時，在其邊緣出現(xiàn)油膜壓力峰，凹坑中心周圍區(qū)域油膜壓力急劇減??；當(dāng)表面缺陷為凸起時，其邊緣的油膜壓力急劇減小，凸起中心區(qū)域的油膜壓力值明顯大于其他區(qū)域的油膜壓力值。隨著凹坑尺寸的增大，其邊緣的油膜壓力峰值也增大，凹坑中心周圍區(qū)域油膜壓力值下降得更為顯著，且油膜壓力下降的區(qū)域也增大；隨著凸起尺寸的增大，凸起中心周圍區(qū)域的油膜壓力值和作用范圍也增大，凸起邊緣的油膜壓力減小更為明顯。

由圖5可以看出，表面缺陷也會引起油膜厚度分布發(fā)生明顯變化，其主要集中在缺陷位置及附近區(qū)域，而在其他彈流潤滑區(qū)域，油膜厚度的分布規(guī)律大致相同。當(dāng)表面缺陷為凹坑時，靠近入口區(qū)一側(cè)的凹坑邊緣油膜厚度急劇“頸縮”，潤滑油流經(jīng)凹坑區(qū)域時油膜厚度出現(xiàn)“躍升”現(xiàn)象，這2種現(xiàn)象隨著凹坑尺寸的增大而愈加顯著。另外，當(dāng)凹坑尺寸較小時，油膜整體厚度與光滑表面條件下油膜厚度大致相同，而當(dāng)凹坑尺寸較大時，油膜整體厚度變?。划?dāng)表面缺陷為凸起時，凸起中心及周圍區(qū)域潤滑油膜厚度變大，隨著凸起尺寸的增大，油膜厚度增大現(xiàn)象更為明顯。

由上述溝道表面缺陷對脂潤滑軸承油膜壓力和油膜厚度分布影響的分析可知：

(1)凹坑會引起其邊緣出現(xiàn)油膜壓力峰，而凸起也會引起其中心周圍區(qū)域的油膜壓力急劇增大，因此，表面缺陷均會引起摩擦副在表面缺陷位置出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域，造成對溝道或球的沖擊，從而增大軸承運轉(zhuǎn)過程中的振動和噪聲。當(dāng)溝道表面出現(xiàn)凹坑時，隨著凹坑尺寸的增大，其邊緣油膜壓力峰值增大，因此，軸承運轉(zhuǎn)過程中，凹坑尺寸會在油膜壓力的作用下不斷增大。當(dāng)溝道表面出現(xiàn)凸起時，由于其中心區(qū)域油膜壓力的作用，使得凸起在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生彈塑性變形，其沿軸承徑向尺寸逐漸變小，凸起引起的油膜壓力和油膜厚度變化的顯著程度也隨之減小。該理論分析結(jié)果也符合失效軸承球-溝道表面的試驗觀測結(jié)果，即通常情況下，球或溝道表面凸起沿徑向方向尺寸較小。

(2)球-溝道表面存在凹坑時，其邊緣油膜厚度出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象的主要原因是：當(dāng)潤滑油流動至靠近入口處一側(cè)凹坑邊緣時，摩擦副表面間隙形狀急劇發(fā)散，導(dǎo)致油膜壓力急劇下降、油膜形狀壓縮，油膜厚度出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象，導(dǎo)致潤滑脂流動困難而出現(xiàn)“乏油”。同時，該處油膜壓力急劇升高，即靠近入口處一側(cè)凹坑邊緣出現(xiàn)油膜壓力峰，而當(dāng)潤滑脂流動至靠近出口處一側(cè)凹坑邊緣時，由于摩擦副表面間隙形狀的急劇收斂，也會造成潤滑脂流動受阻，從而使該邊緣位置也出現(xiàn)油膜壓力峰。凹坑中心區(qū)域油膜厚度的“躍升”現(xiàn)象可以通過油膜厚度方程進(jìn)行解釋，聯(lián)立(1)式和(2)式計算凹坑處油膜厚度時取“+”，其實際意義即為油膜厚度的增加。此外，凹坑尺寸較大時油膜厚度整體變薄，同時，凹坑尺寸會隨著軸承運轉(zhuǎn)而不斷增大，油膜厚度變薄的現(xiàn)象也會更加顯著。

(3)球-溝道表面出現(xiàn)凸起時，二者之間形成了局部壓力更大、潤滑脂剪應(yīng)變率更高的脂潤滑彈流區(qū)域，因此，在該區(qū)域的潤滑脂油膜壓力和摩擦副表面彈塑性變形急劇增大，明顯大于其他區(qū)域。雖然凸起會使該處的油膜厚度變大，但是油膜的承載能力是一定的，同時該處油膜壓力的急劇增大也造成對球和溝道的沖擊，因此，凸起會促使油膜破裂、摩擦副產(chǎn)生干磨以及軸承運轉(zhuǎn)噪聲和振動增大。另外，凸起處油膜承受載荷的增大也會引起該位置油膜溫升[10]，使?jié)櫥诟邷刈饔孟卵趸瑵櫥芰眲∠陆怠?/p>

4 結(jié)論

(1)滾動軸承在工作過程中，由于摩擦副表面摩擦磨損、腐蝕和雜質(zhì)顆粒等多種因素綜合作用下形成尺寸、形狀和位置隨機(jī)分布的球和溝道表面缺陷。

(2)凹坑會引起其邊緣出現(xiàn)油膜壓力峰，靠近入口處一側(cè)凹坑邊緣油膜厚度急劇減小，潤滑脂流經(jīng)凹坑時油膜厚度逐漸增大，凹坑尺寸越大，凹坑邊緣油膜壓力峰值越大，油膜整體厚度越??；凸起會引起凸起位置油膜壓力和厚度增大，隨著凸起尺寸的增大，該處油膜壓力和油膜厚度增大更加顯著。

(3)表面缺陷位置出現(xiàn)油膜壓力峰或局部高油膜壓力區(qū)域會對鋼球和溝道產(chǎn)生沖擊，表面缺陷也會促使油膜破裂形成干磨、潤滑脂高溫氧化，使?jié)櫥瑵櫥阅芟陆?、磨損加劇、軸承運轉(zhuǎn)噪聲和振動增大。