間歇運動條件下潤滑脂膜厚分布的實驗研究*

杜 洋 韓一鳴 王 靜 梁 森

(1.青島理工大學機械與汽車工程學院 山東青島 266520；2.東華大學機械工程學院 上海 201620)

在現(xiàn)代機械中，間歇運動是一種常見的運動形式，如棘輪機構、槽輪機構、擒縱機構等均可實現(xiàn)間歇運動。這些機構主要應用于低速和輕載的工況下[1],例如應用在高速模切機上的一種固定凸輪連桿間歇機構[2]，或者應用在農(nóng)業(yè)機械中的一種凸輪擺桿式的間歇移動煙苗移栽機成穴機構[3]。不管間歇運動的具體形式如何，其運動過程都是包含停歇時間段和非停歇時間段。做間歇運動的機器中的滾動軸承，其潤滑狀況是值得關注的。和彈流潤滑的其他時變問題不同，迄今為止，對間歇運動進行的理論分析和實驗研究還比較少。1998年，張翠鳳和龔光寅[4]對圓柱凸輪間歇運動機構進行了摩擦學分析，提出了理論上2個接觸表面間的潤滑狀態(tài)是同時要考慮油膜動壓效應和擠壓效應的非穩(wěn)態(tài)彈流潤滑，但在實際工況中，也會存在邊界潤滑或部分流體潤滑狀態(tài)。SPERKA等[5]從理論和實驗的角度分析點接觸彈性流體動力潤滑在啟停過程中的瞬態(tài)膜厚和壓力分布。王飛等人[6-7]采用潤滑油作為潤滑介質(zhì)實驗研究了間歇運動條件下的彈流潤滑油膜，并在理論上完成了數(shù)值模擬。吳多煥[8]對單向和雙向2種間歇運動條件下不同工況中的彈流問題進行了數(shù)值模擬，分析了運動過程中油膜特性的變化。

往復運動可以視為間歇時間為零的間歇運動，因此其油膜變化規(guī)律對于間歇運動是存在借鑒意義的。WANG等[9-10]利用多重網(wǎng)格技術對往復運動下鋼-鋼線接觸問題的熱彈性動力流體潤滑進行了完整的數(shù)值分析；同時還利用光干涉技術和理論分析，對點接觸彈性流體動力潤滑膜在純滾動短行程往復運動下的變化進行了研究。WANG等[11]研究了純滑動往復運動中的潤滑脂膜變化，通過光干涉實驗，討論較長周期內(nèi)的油膜分布，指出由于初始運動周期內(nèi)潤滑脂的增稠劑纖維團存在，影響了瞬態(tài)的膜厚分布。

潤滑脂是一種常用的潤滑介質(zhì)，90%以上的滾動軸承都是采用脂潤滑。KANAZAWA等[12]的研究表明，兩接觸表面在低速工況下，增稠劑的類型對潤滑脂的膜厚起著決定性的作用。當卷吸速度低于臨界速度時，纖維團在成膜過程中有著重要的影響，實際膜厚大于理論膜厚(僅考慮基礎油做潤滑劑時)。在臨界速度以上時，潤滑脂膜的厚度與基礎油潤滑的厚度相同，潤滑脂膜隨卷吸速度的變化而成經(jīng)典的膜厚形狀。DE LAURENTIS等[13]研究發(fā)現(xiàn)當卷吸速度低于某一臨界速度時可形成相當厚的潤滑脂膜厚，潤滑脂膜厚度隨卷吸速度的變化呈現(xiàn)一個V形。HAN等[14]對純滾動往復運動時低速潤滑脂膜的瞬態(tài)響應做了研究，驗證了DE LAURENTIS等[13]的發(fā)現(xiàn);并指出由于時變效應的影響，增稠劑纖維團的存在時間比穩(wěn)態(tài)低速條件下存在的時間短得多。目前關于間歇運動工況下的脂潤滑油膜厚度的變化，尚未見研究報道。

本文作者采用雙光束干涉技術，使用Centoplex3潤滑脂對間歇運動條件下潤滑脂膜分布以及接觸區(qū)內(nèi)纖維團的變化情況進行了實驗研究，考慮了卷吸速度和停歇時間變化對油膜形狀和厚度的影響。

1 實驗部分

實驗是在光干涉試驗臺上進行的。整個實驗裝置由球-盤回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、圖像采集以及處理系統(tǒng)等組成。實驗裝置如圖1所示，鋼球和玻璃盤的直徑分別為25.4和150 mm，在玻璃盤表面有厚度約為10 nm的鍍鉻層。

圖1 實驗臺照片F(xiàn)ig 1 Photo of the test rig

實驗載荷為30 N，實驗溫度為(24±1) ℃，實驗后油膜厚度由DIIM軟件[15]測量獲得。實驗使用的潤滑脂是Centoplex3，其性能如表1所示。實驗前用乙醇溶液徹底清洗圓盤、鋼球和相關部件。

表1 Centoplex3潤滑脂的性能參數(shù)Table 1 Properties of Centoplex3 grease

實驗的運動條件是做梯形波的純滾動間歇運動，滑滾比等于0。鋼球和玻璃盤的速度變化如圖2所示。假定兩表面速度從一個恒定的初始速度運行0.5 s(=t2-t1)后開始經(jīng)歷1 s(=t3-t2)的勻減速，停歇ts(=t4-t3)，后再勻加速1 s(=t5-t4)，最后回到恒定速度并保持0.5 s(=t6-t5)。在充分供脂的條件下，共設置了4個停歇時間，分別為ts=0.1、0.3、0.5、1.0 s。為考慮卷吸速度對油膜厚度的影響，設定了3種恒定卷吸速度，分別為umax=0.1、0.2、0.4 m/s。

圖2 表面速度的變化Fig 2 Variation of surface velocities

2 結(jié)果與討論

為了便于理解，圖3和圖4分別給出了HAN等[14]在穩(wěn)態(tài)純滾動條件下潤滑脂膜厚與卷吸速度的關系以及穩(wěn)態(tài)低速輕載條件下獲得的光干涉潤滑脂膜分布圖像及中截面膜厚曲線。接觸區(qū)充滿增稠劑纖維團，盡管速度很低，接觸區(qū)內(nèi)的膜厚大體上保持在0.18 μm左右。由于增稠劑纖維團分布不均，中截面曲線存在一定的波動。在穩(wěn)態(tài)條件下，此種較厚的潤滑脂膜可以維持相當長時間而不發(fā)生變化，因此對處于穩(wěn)態(tài)工作條件下的滾動軸承是極為有利的。盡管HAN等[14]所用的載荷與文中實驗不同，但實驗發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)條件下，如果速度相同或相似，載荷的增加對接觸區(qū)纖維團的分布影響很小。

圖3 穩(wěn)態(tài)條件下潤滑脂膜厚與卷吸速度的關系[14]Fig 3 Grease film thickness versus entrainingspeed under steady state[14]

圖4 穩(wěn)態(tài)條件下接觸區(qū)內(nèi)纖維團分布(umax=0.01 m/s，w=15 N)[14]Fig 4 Distribution of thicker fiber in contact under steady-state(umax=0.01 m/s,w=15 N)[14]

2.1 間歇時間ts=0.5 s時膜厚分布影響

圖5(a)—(h)給出了ts=0.5 s的一個間歇運動周期內(nèi)幾個典型瞬時的光干涉油膜分布及中截面膜厚曲線對比。光干涉油膜分布圖中從左至右，在勻速階段兩固體的表面速度分別為umax=0.1、0.2、0.4 m/s， 見圖5(a)。 在圖5中， 每一幅光干涉照片中均標注了當前卷吸速度。

圖5(a)給出的是勻速階段最后一個瞬時的結(jié)果，此時的3種卷吸速度分別為0.1、0.2和0.4 m/s。光干涉圖像呈現(xiàn)經(jīng)典的馬蹄形，膜厚曲線變化也滿足彈性流體動力潤滑的特征，膜厚隨著卷吸速度的增加而增加。圖5(b)給出的是減速階段即將結(jié)束的一個瞬時，3種工況下的卷吸速度已經(jīng)變?yōu)?.01、0.02、0.04 m/s。在這樣的卷吸速度下增稠劑纖維團均出現(xiàn)在接觸區(qū)中。在0.01 m/s的光干涉圖中，增稠劑纖維團最多，但數(shù)量相比于圖4則少很多；在0.02 m/s的光干涉圖中，增稠劑纖維團尺寸略大一些，但是數(shù)量較少；在0.04 m/s的光干涉圖中增稠劑纖維團僅輕微可見。對應的中截面油膜厚度相比圖5(a)有明顯降低。圖5(c)示出的是減速階段結(jié)束瞬時及停歇階段開始的瞬時的情況，3幅光干涉圖中卷吸速度變?yōu)?，在減速階段油膜變化受楔形項和擠壓項的聯(lián)合作用，楔形項和卷吸速度有關，卷吸速度越小，楔形項的影響就越小，而相對的擠壓項的作用增強，導致圖5(c)中有一部分潤滑脂被封到接觸區(qū)中，形成了凹陷油膜形狀，并且凹陷油膜的深度與勻速階段的卷吸速度的大小有關。這與王飛等人[6-7]和吳多煥[8]在油潤滑實驗和數(shù)值分析的結(jié)果一致。雖然在3幅光干涉圖中，增稠劑纖維團的大小和位置不同，但對凹陷油膜的深度沒有影響。在停歇階段的圖5(d)—(f)中，增稠劑纖維團雖然也存在接觸區(qū)中，但可見接觸區(qū)中的部分脂膜膜厚已變得非常小，說明接觸區(qū)內(nèi)除了增稠劑纖維團的存在，還存在一定比例的析出油，析出油流出接觸區(qū)造成了油膜厚度的降低。隨著間歇時間的增加，接觸區(qū)內(nèi)的增稠劑纖維團的尺寸也基本變小。增稠劑纖維團位置和尺寸的變化造成了接觸區(qū)內(nèi)脂膜厚的分布波動。圖5(c)—(f)中，纖維團的數(shù)量均遠少于圖4，說明在間歇運動條件下，與往復運動的結(jié)果類似[14]，時變效應抑制了增稠劑纖維團進入接觸區(qū)。圖5(f)所示為停歇階段的終點也是加速區(qū)間的始點的情況，在圖5(g)中3種卷吸速度為0.045、0.09和0.180 m/s，馬蹄形油膜形狀重新出現(xiàn)。在卷吸速度為0.045和0.09 m/s的接觸區(qū)中，仍存在少量增稠劑纖維團，但0.180 m/s的接觸區(qū)內(nèi)則完全沒有增稠劑纖維團的存在。在圖5(h)中，光干涉油膜形狀和厚度基本已恢復到圖5(a)的水平。

圖5(a) 勻速階段末卷吸速度的影響(t=0.50 s)Fig 5(a) The influence of entrainment velocity at the end of uniform velocity stage ( t=0.50 s)

圖5(b) 勻減速階段末卷吸速度的影響(t=1.40 s)Fig 5(b) The influence of entrainment velocity at the end of uniform deceleration stage(t=1.40 s)

圖5(c) 間歇階段始卷吸速度的影響(t=1.50 s)Fig 5(c) The influence of entrainment speed at the beginning of intermittent stage(t=1.50 s)

圖5(d) 間歇階段中卷吸速度的影響(t=1.61 s)Fig 5(d) The influence of entrainment speed in the middle of intermittent stage(t=1.61s)

圖5(e) 間歇階段中卷吸速度的影響(t=1.88 s )Fig 5(e) The influence of entrainment speed in the middle of intermittent stage(t=1.88 s )

圖5(f) 間歇階段末卷吸速度的影響( t=2.0 s )Fig 5(f) The influence of entrainment velocity at the end of intermittent stage( t=2.0 s )

圖5(g) 勻加速階段中卷吸速度的影響(t=2.45 s)

圖5(h) 勻速階段始卷吸速度的影響( t=3.0 s)Fig 5(h) The influence of entrainment speed at the beginning of uniform velocity stage(t=3.0 s)

圖6給出了與圖5(a)—(h)對應間歇運動過程中的中截面的中心膜厚和最小膜厚的變化。在非停歇階段的相同瞬時，卷吸速度越大，中心膜厚和最小膜厚就越大。在停歇階段，0.1和0.4 m/s的結(jié)果十分接近，而0.2 m/s下的中心膜厚和最小膜厚最大。0.2 m/s下的中心膜厚有一個向上的突變，這是由于接觸區(qū)的正中心位置存在一個較大的纖維團聚集(如圖5(d)所示)，屬于偶然因素。王飛等人[6-7]和吳多煥[8]的實驗和數(shù)值分析結(jié)果都顯示，減速和加速階段的潤滑油膜變化都是光滑的，并且停歇階段中心膜厚和最小膜厚差別明顯。而當前的脂潤滑中心膜厚和最小膜厚在減速和加速階段光滑性略差，但是停歇階段中心膜厚和最小膜厚差別不大，這是由于增稠劑纖維團的存在對接觸區(qū)形成了保護。也就是說在停歇階段由于增稠劑纖維團的隨機存在會在一定程度上增大中心膜厚與最小膜厚，而不會出現(xiàn)如油潤滑工況下停歇階段中心膜厚和最小膜厚也下降的結(jié)果[3-5]。

圖6 3種卷吸速度下的中心膜厚和最小膜厚對比(ts=0.5 s)Fig 6 Comparison of center film thickness (a)and minimum film thickness (b)under 3 different entrainment velocity (ts=0.5 s)

2.2 間歇時間ts=1.0 s時中心膜厚和最小膜厚變化

圖7給出了間歇時間ts=1.0 s時中心膜厚和最小膜厚的變化。在減速階段、停歇階段和加速階段3條曲線中都因為增稠劑纖維團的存在而出現(xiàn)了膜厚值波動現(xiàn)象，停歇階段還存在突然增加的膜厚變化。在勻速階段，3種卷吸速度下的膜厚值均與圖6中結(jié)果相比略顯不同，這是增稠劑纖維團在接觸區(qū)中的存在和分布位置存在一定的隨機性所致。在圖7中，停歇階段的中心膜厚和最小膜厚差別也不大。

圖7 3種卷吸速度下的中心膜厚和最小膜厚對比(ts=1.0 s)Fig 7 Comparison of center film thickness (a) and minimum film thickness (b) under 3 different entrainment velocity (ts=1.0 s)

2.3 卷吸速度對中心膜厚和最小膜厚的影響

圖8—10分別給出了不同間歇時間下勻速階段在0.1、0.2、0.4 m/s這3種卷吸速度條件下的中心膜厚和最小膜厚的對比?？芍?，由于增稠劑纖維團的存在，在減速運動階段后期、停歇階段以及加速階段，均存在油膜的波動甚至是突然增加。這也說明在間歇運動中，采用脂潤滑是更有利的。分析文獻[6-8]油潤滑的結(jié)果可知,停歇階段會造成接觸區(qū)周圍油膜壓力的急劇升高和油膜的下降。這種壓力升高不僅對于滾動軸承本身不利，對于滾動軸承所支撐的軸的可靠性也存在不利影響[16]。潤滑脂中增稠劑纖維團的存在可以降低這種不利影響。

圖8 不同間歇時間下中心膜厚和最小膜厚對比(umax=0.1 m/s)Fig 8 Comparison of central film thickness (a) and minimum film thickness (b) at umax=0.1 m/s under different intermittent time

圖9 不同間歇時間下中心膜厚和最小膜厚對比(umax=0.2 m/s)Fig 9 Comparison of central film thickness (a) and minimum film thickness (b) at umax=0.2 m/s under different intermittent time

圖10 不同間歇時間下中心膜厚和最小膜厚對比(umax=0.4 m/s)Fig 10 Comparison of central film thickness (a) and minimum film thickness (b) at umax=0.4 m/s under different intermittent time

3 結(jié)論

通過使用球-盤點接觸試驗臺對潤滑脂完成了做梯形波的純滾動間歇運動實驗，可以得出以下結(jié)論：

(1)勻速階段的速度越大，非停歇階段的凹陷油膜越厚，膜厚的整體變化趨勢與卷吸速度成正相關。在非停歇階段的相同瞬時，卷吸速度越大，中心膜厚和最小膜厚就越大。在停歇階段由于增稠劑纖維團的隨機存在會在一定程度上增大中心膜厚與最小膜厚。

(2)在整個運動周期內(nèi)增稠劑纖維團的數(shù)量遠小于穩(wěn)態(tài)工況，特別是在卷吸速度較大和停歇時間較長時，說明時變效應抑制了增稠劑纖維團進入接觸區(qū)。

(3)由于增稠劑纖維團的存在，在減速階段后期，停歇階段、加速階段前期，中心膜厚和最小膜厚的變化存在一定的波動。但整體的變化趨勢一致，在停歇階段前期膜厚波動較大，但后期膜厚曲線趨于一致。

(4)隨著停歇時間的延長， 油潤滑的膜厚會逐漸降低。脂潤滑膜厚變化雖然也存在這個趨勢，但因增稠劑纖維團的存在，膜厚分布中會出現(xiàn)局部增厚的有益現(xiàn)象?？紤]到停歇階段的油膜較小也比較容易發(fā)生表面直接接觸，采用脂潤滑對設備的運轉(zhuǎn)是有利的。