球-環(huán)接觸摩擦力測量系統(tǒng)的研制*

李桂枝 白清華 荊兆剛 郭 峰 楊 萍 栗心明

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 山東青島 266520)

滾動軸承是機(jī)械裝備常用零件之一，廣泛應(yīng)用于普通旋轉(zhuǎn)機(jī)械、航空發(fā)動機(jī)、精密機(jī)床等[1]。滾動體與滾道之間的接觸是一種典型的高副點接觸，常因潤 滑不良而導(dǎo)致軸承損傷甚至失效。因此，探索不同工況下滾動軸承的潤滑性能尤為重要。摩擦因數(shù)作為評價滾動軸承潤滑性能的一個重要指標(biāo)，受到了研究者的廣泛重視并做了大量的研究。MERRITT[2]最先設(shè)計了圓盤試驗機(jī)研究線接觸潤滑中兩表面之間的摩擦因數(shù)。SMITH[3]設(shè)計了斜交圓盤試驗機(jī)，通過改變上下圓盤軸線之間的角度，實現(xiàn)不同滑滾比條件下的試驗測量，揭示了在不同的環(huán)境溫度、載荷和卷吸速度下，摩擦因數(shù)隨滑動速度的變化規(guī)律。CROOK[4]設(shè)計了四盤試驗機(jī)來測量滾動點附近的摩擦因數(shù)，得出試驗確定的摩擦因數(shù)與理論計算值之間存在許多定性相似性。錢林茂等[5]研制了自適應(yīng)微摩擦綜合測試儀，可精確測量毫牛量級的摩擦力。MARTINI等[6]在WAM4試驗機(jī)上測得了彈流摩擦因數(shù)，并對減小摩擦因數(shù)的3種方法進(jìn)行了研究。目前為止，國內(nèi)外測量摩擦因數(shù)比較普遍的儀器主要有德國的SRV系列多功能摩擦磨損試驗機(jī)、美國UMT多功能摩擦磨損測試儀器[7]以及不同形式的球盤接觸試驗機(jī)。

滾動軸承在實際運(yùn)行過程中，由于滾動體的打滑以及微觀滑動的存在，所以并不是做純滾運(yùn)動。尹昌磊等[8]對Newton流體和Ree-Eyring流體線接觸問題進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明在等溫條件下摩擦因數(shù)隨著滑滾比的增大而增大；在考慮熱效應(yīng)條件下，摩擦因數(shù)隨著滑滾比增大出現(xiàn)了先增大后減小的現(xiàn)象。劉焜等人[9]針對大滑滾比工況下的摩擦因數(shù)進(jìn)行了試驗，得到了一系列摩擦曲線，結(jié)果表明在大滑滾比下摩擦因數(shù)受滑滾比的影響很小。段俊杰和張德坤[10]使用NGY-6納米潤滑膜測量儀研究了點接觸低速輕載時的滑滾特性，結(jié)果表明摩擦因數(shù)隨著滑滾比的增大逐漸增大后趨于平緩。ZHANG等[11]提出了一種研究線接觸滑滾條件下摩擦力的數(shù)值方法，研究了載荷、卷吸速度、表面粗糙度和滑滾比對摩擦因數(shù)的影響。楊萍[12]使用球-盤點接觸光干涉潤滑油膜與摩擦力測量裝置研究了不同潤滑劑結(jié)構(gòu)的彈流油膜摩擦特性，探索油膜摩擦特性與分子結(jié)構(gòu)的依賴關(guān)系。ZHAO等[13]建立了考慮邊界滑移和傳熱耦合影響的數(shù)值模型，研究了大滑滾比條件下彈流潤滑問題。以上的試驗研究多集中于球-盤接觸或盤-盤接觸，而實際軸承中滾動體與內(nèi)外滾道之間為球-環(huán)接觸，并且球-盤接觸時其離心力為水平方向,與實際軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時離心力方向是不一致的。ZHANG等[14]設(shè)計了球-環(huán)接觸潤滑膜厚試驗裝置，但是無法測量摩擦力。因此，本文作者設(shè)計了球-環(huán)接觸潤滑油摩擦力測量系統(tǒng)，更加真實地模擬了滾動軸承運(yùn)轉(zhuǎn)方式。文中對其結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了介紹，并通過試驗來驗證測量裝置的準(zhǔn)確性。

1 測量結(jié)構(gòu)

1.1 測量裝置結(jié)構(gòu)

球-環(huán)接觸潤滑油摩擦力測量系統(tǒng)可以模擬滾動軸承中滾動體與軸承外圈之間的接觸，通過調(diào)節(jié)球和環(huán)的轉(zhuǎn)速可以測得不同滑滾比下的摩擦力。測量裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括支承臺架、平移裝置、環(huán)驅(qū)支承裝置、球驅(qū)支承裝置、摩擦力測量裝置5部分。

支承臺架起到支承和固定試驗臺各個零部件的作用，由上下底板和4根立柱組成。平移裝置主要由平移板以及鋪在上底板的導(dǎo)軌組成，平移裝置可以帶動球驅(qū)支承裝置和摩擦力測量裝置左右平移。試驗過程中，鋼環(huán)滾道內(nèi)側(cè)會被劃傷，出現(xiàn)劃痕，這時可以通過手輪的轉(zhuǎn)動改變鋼球與鋼環(huán)的接觸位置。環(huán)驅(qū)支承裝置起到支承和驅(qū)動鋼環(huán)回轉(zhuǎn)的作用，伺服電機(jī)通過帶輪帶動鋼環(huán)卡盤轉(zhuǎn)動進(jìn)而驅(qū)動鋼環(huán)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過PC上位機(jī)調(diào)節(jié)脈沖參數(shù)可以實現(xiàn)對鋼環(huán)速度的精確控制。球驅(qū)支承裝置起到支承和驅(qū)動鋼球回轉(zhuǎn)的作用，主要由伺服電機(jī)、鋼球、支承座、加載板等組成，伺服電機(jī)通過球軸帶動鋼球旋轉(zhuǎn)。對加載板末端施加載荷，載荷通過加載板傳遞到鋼環(huán)與鋼球接觸位置，實現(xiàn)加載過程。摩擦力測量裝置起到對試驗過程的摩擦力采集的作用，主要由一對傳感器和一對位移臺組成。

圖1 試驗儀器整體結(jié)構(gòu)

環(huán)驅(qū)支承裝置還涉及到環(huán)的裝夾和調(diào)平問題，如圖2所示，主要零件有支承座、鋼環(huán)卡盤、內(nèi)六角螺釘、鋼環(huán)和柔性元件。鋼環(huán)裝夾過程就是將鋼環(huán)放入鋼環(huán)卡盤內(nèi)，然后通過擰緊均勻分布在鋼環(huán)卡盤上的兩列內(nèi)六角螺釘實現(xiàn)其裝夾固定。當(dāng)鋼環(huán)固定微緊以后，再通過千分表完成對鋼環(huán)同軸度和跳動度調(diào)整。具體步驟為：將千分表側(cè)頭定位于鋼環(huán)內(nèi)表面，然后給鋼環(huán)一初速度使其做回轉(zhuǎn)運(yùn)動；通過觀察千分表指針的擺動，來調(diào)節(jié)分布在鋼環(huán)卡盤上的內(nèi)六角螺釘，從而保證鋼環(huán)與鋼環(huán)卡盤的同軸。

圖2 環(huán)驅(qū)支承裝置

1.2 測量原理

摩擦力是通過摩擦力測量單元獲得的，如圖3所示。該測量單元主要零件包括傳感器、位移臺、十字桿。采用2個傳感器對稱分布的方式，2個傳感器分別固定在2個位移臺上，實現(xiàn)水平方向的移動。試驗時，摩擦力會使球驅(qū)支承裝置產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，此時位于球驅(qū)支承裝置下方的十字桿會與力傳感器接觸，進(jìn)而產(chǎn)生壓力數(shù)據(jù)。傳感器獲得的數(shù)據(jù)通過USB5935數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)絇C上，通過程序?qū)@得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成摩擦力的大小并實時顯示在測量界面中。

被測摩擦力F1與傳感器測量值F2之間的關(guān)系如式(1)所示。

F1l1=F2l2

(1)

式中：l1為鋼球中心到十字桿中心的距離；l2為十字桿中心到十字桿端部的距離。

圖3 摩擦力測量單元

1.3 傳感器標(biāo)定

傳感器在使用之前，需要對其進(jìn)行標(biāo)定，減小由傳感器引起的試驗誤差。標(biāo)定時，取10～800 g的砝碼，依次放在傳感器1上，記錄對應(yīng)電壓值，然后根據(jù)數(shù)據(jù)擬合出標(biāo)定線。圖4所示為1號傳感器的標(biāo)定曲線。

圖4 1號傳感器的標(biāo)定擬合曲線

2 試驗部分

2.1 試驗條件

在球-環(huán)接觸潤滑油摩擦力測量系統(tǒng)中，環(huán)與球構(gòu)成了高副點接觸。試驗所用鋼環(huán)材料為45鋼，內(nèi)徑110 mm，表面粗糙度Ra=0.8 μm，彈性模量210 GPa，泊松比0.31。試驗所用鋼球材料為GCr15鋼，直徑25.4 mm，表面粗糙度Ra=0.005 μm。試驗工況：試驗環(huán)境溫度(22±1) ℃；試驗固定載荷為45 N，對應(yīng)的赫茲接觸應(yīng)力為0.75 GPa；卷吸速度Ue為64～512 mm/s，Ue=(Ub+Ur)/2，Ub和Ur分別為鋼球和鋼環(huán)接觸點的表面速度；試驗中的滑滾比為0～1.8，滑滾比S=ΔU/Ue,其中ΔU=Ur-Ub,為兩表面速度差即滑差，文中默認(rèn)環(huán)速大于球速時，滑滾比為正。

PAO系列油是最常用的合成潤滑油基礎(chǔ)油，具有良好的流動性、氧化穩(wěn)定性和摩擦性能。因此，試驗選用2種PAO系列油：PAO20和PAO40。表1給出了試驗所用潤滑油的性能參數(shù)。

表1 試驗用潤滑油性能參數(shù)

2.2 試驗結(jié)果

圖5所示的是PAO20潤滑油在不同卷吸速度下摩擦因數(shù)隨滑滾比的變化曲線。

圖5 PAO20潤滑油的摩擦因數(shù)隨滑滾比變化曲線

可以看出，摩擦因數(shù)隨著滑滾比增加經(jīng)歷了2個階段：第一階段緩慢增大直至出現(xiàn)平緩；第二階段由平緩變?yōu)橄陆怠Ｔ撛囼灲Y(jié)果與楊萍[12]使用球-盤點接觸光干涉測量裝置測得的結(jié)果趨勢類似。摩擦因數(shù)出現(xiàn)2個階段的原因是隨著滑滾比的增加，潤滑油受到剪切作用會從牛頓流體特性轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟凶兿?、極限剪應(yīng)力等非牛頓效應(yīng)，黏度發(fā)生變化從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)增加緩慢甚至出現(xiàn)平緩；當(dāng)滑滾比再增大時，熱效應(yīng)占主導(dǎo)作用，也就是第二階段，此時摩擦因數(shù)開始下降。

同時，從圖中5可以看出卷吸速度對摩擦因數(shù)經(jīng)歷的變化階段是有影響的，只有卷吸速度為512 mm/s時摩擦因數(shù)才出現(xiàn)了第二階段。

圖6所示的是PAO40潤滑油在不同卷吸速度下摩擦因數(shù)隨滑滾比的變化曲線。摩擦因數(shù)變化趨勢與圖5中類似，唯一不同的是當(dāng)滑滾比增加到1.8，卷吸速度增加到512 mm/s時，摩擦因數(shù)的變化均未出現(xiàn)第二階段，還是一直緩慢增加的。

圖6 PAO40潤滑油的摩擦因數(shù)隨滑滾比變化曲線

圖7(a)、(b)分別表示PAO20和PAO40潤滑油在不同滑滾比下摩擦因數(shù)隨卷吸速度的變化曲線?？梢钥闯?，在同一滑滾比條件下，隨著卷吸速度的增大，PAO20和PAO40潤滑油的摩擦因數(shù)均會明顯地減小，與經(jīng)典的潤滑理論的結(jié)果一致，這也驗證了測量裝置的準(zhǔn)確性。同時，在相同的卷吸速度下，摩擦因數(shù)隨著滑滾比的增大而逐漸增大。分析原因是相同卷吸速度條件下，滑滾比增大意味著球環(huán)之間的滑差增大，從而使?jié)櫥褪艿降募魬?yīng)力增大，導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大。

圖8所示為不同滑滾比下得到的PAO潤滑油的摩擦因數(shù)隨Hersey數(shù)(ηU/p)變化曲線即Stribeck曲線，圖中虛線和實線分別是由滑滾比為0.6和滑滾比為1.2的數(shù)據(jù)點光滑得到的。可以看出，不同滑滾比下的摩擦因數(shù)與Hersey數(shù)有很好的相關(guān)性，同時，不同滑滾比下的Stribeck曲線是不同的。

圖7 摩擦因數(shù)隨卷吸速度變化曲線

圖8 摩擦因數(shù)隨Hersey數(shù)(ηU/p)的變化曲線

3 結(jié)論

(1)研制了球-環(huán)接觸潤滑油摩擦力測量系統(tǒng)，并利用此測量系統(tǒng)進(jìn)行了測量試驗，表明該測量系統(tǒng)可以用于潤滑油摩擦力的試驗研究。

(2)試驗結(jié)果表明摩擦因數(shù)受滑滾比、卷吸速度、黏度等因素的影響，摩擦因數(shù)隨著滑滾比的增大而緩慢增大直至平緩；隨著卷吸速度的增大而減小。該結(jié)果與經(jīng)典的潤滑理論的結(jié)果一致，驗證了測量裝置的準(zhǔn)確性。