低速脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承膜厚影響機(jī)理

白 丹

(許昌學(xué)院 電氣(機(jī)電)工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

滾動(dòng)軸承是裝備與制造業(yè)中關(guān)鍵的基礎(chǔ)零部件，已成為制約我國(guó)在高速鐵路、高精密機(jī)床、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域中進(jìn)行自主制造的攻堅(jiān)堡壘.摩擦學(xué)界對(duì)脂潤(rùn)滑摩擦副間的膜厚研究，主要集中在充分供脂和乏脂兩種潤(rùn)滑條件下的計(jì)算和測(cè)試.Cann(1999)[1]研究對(duì)比了充分供脂和乏脂兩種情況下滾動(dòng)接觸的潤(rùn)滑膜的變化情況[2]，在高速狀態(tài)下，可用經(jīng)典的油膜厚度計(jì)算公式(Hamrock-Dowson公式)來(lái)計(jì)算出膜厚[3].在乏脂情況下，基礎(chǔ)油黏度、稠化劑含量和滾動(dòng)速度的增加會(huì)引起潤(rùn)滑脂析油率的下降，當(dāng)溫度上升時(shí)，乏脂現(xiàn)象會(huì)有所緩解.由此可見(jiàn)，對(duì)于充分供脂和乏脂情況下的油膜厚度的計(jì)算需要區(qū)別對(duì)待，而潤(rùn)滑脂流變參數(shù)(稠化劑、基礎(chǔ)油黏度、速度、溫度等)的變化對(duì)油膜厚度的影響并不一致，這與潤(rùn)滑脂在彈流潤(rùn)滑接觸過(guò)程中的結(jié)構(gòu)有關(guān).

速度主要會(huì)影響到潤(rùn)滑脂的流動(dòng)特性，從而改變脂潤(rùn)滑膜的厚度.在高速狀態(tài)下(它的牽引速度大于1 m/s)，Caan(1996)[4]發(fā)現(xiàn)稠化劑會(huì)被推壓至摩擦副接觸的軌道兩側(cè).對(duì)此，Lugt[5]認(rèn)為，在高速情況下，油脂和基礎(chǔ)油的黏度在高剪切速率的條件下差異很小，因此油膜厚度可利用基礎(chǔ)油黏度直接計(jì)算(套用Hamrock-Dowson公式).在中等速度(牽引速度介于0.02～1 m/s之間)狀態(tài)下，Cyriac等人(2016)[6]發(fā)現(xiàn)彈流潤(rùn)滑狀態(tài)下的脂膜厚度與油脂稠化劑顆粒大小有關(guān)，并且脂膜厚度大于使用基礎(chǔ)油黏度直接計(jì)算而得的油膜厚度.在低速(牽引速度小于0.02 m/s)狀態(tài)下，Hurley等[7]和Dong等[8]和Kimura等[9]進(jìn)行了低速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的研究，得到與[7]類似的結(jié)論，認(rèn)為在低速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，稠化劑的局部結(jié)塊是油膜的主要成因.Kimura等[9]還利用Ertel-Grubin理論建立了一個(gè)預(yù)判低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的油脂油膜厚度變化的數(shù)學(xué)模型.

這些研究都只是建立在摩擦副單點(diǎn)接觸的基礎(chǔ)上，而實(shí)際軸承摩擦副接觸的情況非常復(fù)雜，因?yàn)樵谕暾S承運(yùn)行時(shí)測(cè)量摩擦副之間的油脂油膜厚度非常困難，在單點(diǎn)接觸時(shí)的光學(xué)干涉法已不能滿足測(cè)量要求.本文利用帶有電容測(cè)量裝置的軸承膜厚測(cè)試機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)低速脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承膜厚影響機(jī)理進(jìn)行研究.

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)采用的軸承膜厚測(cè)試機(jī)帶有電容測(cè)試裝置如圖1、圖2所示.包括一個(gè)密封的滾動(dòng)軸承，一對(duì)電極與滾動(dòng)軸承內(nèi)外圈相連接，與這對(duì)電極相連的是一臺(tái)電壓測(cè)試器，與電壓測(cè)試器相連的示波器會(huì)將電壓測(cè)試器測(cè)量值顯示出來(lái)；在滾動(dòng)軸承軸向兩側(cè)附有兩塊密封板，該密封板可以保證在滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中軸承內(nèi)外圈與滾動(dòng)體之間有充足的油脂；與軸承內(nèi)外圈相連接的一對(duì)電極會(huì)將軸承內(nèi)部因潤(rùn)滑情況的改變而形成的電壓變化傳導(dǎo)至電壓測(cè)試器；電壓測(cè)試器將這種電壓變化經(jīng)過(guò)分析后傳導(dǎo)至示波器；示波器在經(jīng)過(guò)分析后將電壓變化轉(zhuǎn)化為電容變化，并最終將電容變化轉(zhuǎn)化為膜厚值顯示出來(lái).采用的軸承膜厚測(cè)試機(jī)的具體測(cè)試條件如表1所示，測(cè)試用油脂特征參數(shù)如表2所示.具體測(cè)試步驟如下.

圖1 軸承膜厚測(cè)試機(jī)示意圖

圖2 軸承膜厚測(cè)試實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比圖

徑向載荷/N最大接觸載荷/N最大壓強(qiáng)/GPa溫度/℃速度/RPM速度/(m/s)1 0006061.3460,1001～5 RPM &160～1 280 RPM1.231 0-3～6.151 0-3& 1.91×10-1～1.57×10-1

表2 測(cè)試用油脂特征參數(shù)

1.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)調(diào)試

將電容測(cè)試裝置與樣品電容(電容值Cs=400 nF)連接，開(kāi)啟補(bǔ)償箱、參照電容控制器和濾波器電源，將參照電容值(Cr)設(shè)定為10 nF，并將濾波器調(diào)至3 KHz；受試電容器連接系統(tǒng)后的輸出電壓Vt可根據(jù)公式Vt=Vmax×Cr÷(Cr+Ct)計(jì)算，式中，受試電容值Ct為樣品電容值，Cs=400 nF，Vmax是系統(tǒng)最大輸出電壓為10 V，參照電容Cr=10 nF.根據(jù)需要，逐個(gè)連接補(bǔ)償箱中的電容，直到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)顯示的輸出電壓等于計(jì)算出的輸出電壓Vt.因?yàn)檫@幾個(gè)電容為并聯(lián)，補(bǔ)償總電容即為所連接電容的和值.至此，校準(zhǔn)調(diào)試步驟完成.校準(zhǔn)完成后，受試摩擦副輸出電壓等于計(jì)算出的輸出電壓Vt.

1.2 摩擦副電容測(cè)試

用電纜將受試摩擦副表面測(cè)點(diǎn)位置與補(bǔ)償箱連接起來(lái)，并將摩擦副表面測(cè)點(diǎn)與電纜連接處用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，避免信號(hào)受外部干擾.調(diào)試參照電容控制器中參照電容值,從可選的三個(gè)參照電容值中的10 nF開(kāi)始選擇，如輸出電壓值Vt大于5 V，則選用1 nF，如輸出電壓值Vt還是大于5 V，則選用100 pF；依次選擇通濾波器的5個(gè)截止頻率對(duì)輸出信號(hào)消噪，選擇輸出信號(hào)噪聲信號(hào)最小的截止頻率；上述步驟正確完成后，PCT控制器輸出值Vp即受試摩擦副在某一段單位測(cè)試時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)干摩擦(油膜厚度為0)的比例；經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出的電壓值Vt即為受試摩擦副電容形成的電壓.

1.3 獲取測(cè)點(diǎn)膜厚數(shù)值

2 結(jié)果與討論

圖3、圖4為兩種測(cè)試油脂在60 ℃和100 ℃的膜厚測(cè)試結(jié)果.可以看到：隨著速度的增加，脂膜厚度的變化情況形成了“V”型曲線.脂膜厚度先下降后上升，將此速度命名為“轉(zhuǎn)變速度”.在速度低于轉(zhuǎn)變速度時(shí)，油脂的脂膜厚度遠(yuǎn)大于計(jì)算得出的基礎(chǔ)油的油膜厚度.同時(shí)，速度超過(guò)轉(zhuǎn)變速度后的脂膜厚度與相應(yīng)的基礎(chǔ)油油膜厚度差別逐漸縮小并最終將會(huì)重合.由于測(cè)試溫度是依靠軸承外圈實(shí)時(shí)溫度來(lái)確定的，因此，基礎(chǔ)油計(jì)算油膜厚度值實(shí)際上應(yīng)該會(huì)比圖上結(jié)果更小一些.這就解釋了圖中油脂測(cè)試結(jié)果在高速狀態(tài)下與基礎(chǔ)油計(jì)算結(jié)果的細(xì)微差別.因此，在速度大于轉(zhuǎn)變速度時(shí)，可以認(rèn)為膜厚度與相應(yīng)的基礎(chǔ)油油膜厚度相等.

3 結(jié)語(yǔ)

利用帶有電容測(cè)試裝置的軸承膜厚測(cè)試機(jī)進(jìn)行了測(cè)試.結(jié)果表明：在低速狀態(tài)(低于轉(zhuǎn)變速度)下，脂膜厚度高于基礎(chǔ)油油膜厚度并且隨著速度的提高而下降；當(dāng)速度高于轉(zhuǎn)變速度時(shí)，脂膜厚度隨著速度的提高而變大，并且逐漸與基礎(chǔ)油油膜厚度達(dá)成一致.

圖3 油脂A測(cè)試結(jié)果注：線條代表相應(yīng)溫度下基礎(chǔ)油油膜厚度，實(shí)心符號(hào)為60 ℃的測(cè)試結(jié)果，空心符號(hào)為100 ℃的測(cè)試結(jié)果.

圖4 油脂B測(cè)試結(jié)果注：線條代表相應(yīng)溫度下基礎(chǔ)油油膜厚度，實(shí)心符號(hào)為60 ℃的測(cè)試結(jié)果，空心符號(hào)為100 ℃的測(cè)試結(jié)果.