基于熒光法的滾動(dòng)軸承內(nèi)部潤滑油層分布研究

范志涵, 趙自強(qiáng), 梁 鶴*, 張 宇, 王文中, 張生光

(1. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院, 北京 100081;2. 中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院, 北京 101304)

潤滑是影響軸承性能和壽命的重要因素，接觸區(qū)膜厚是衡量潤滑狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，其變化規(guī)律被廣泛研究. 根據(jù)入口區(qū)潤滑油的供給量，可將潤滑狀態(tài)分為充分潤滑和乏油潤滑[1]. 上世紀(jì)70年代，Hamrock和Dowson[2]基于點(diǎn)接觸等溫彈流潤滑的計(jì)算結(jié)果，提出了充分供油下的膜厚變化公式(Hamrock-Dowson膜厚公式)，公式表明膜厚隨速度的升高而逐漸增加，隨后的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)乏油潤滑下膜厚與速度的關(guān)系正好相反[3]，Chiu[4]認(rèn)為接觸區(qū)周圍油層厚度對(duì)乏油程度有重要影響. Cann等[3]將潤滑油黏度、速度、滾道寬度、油層厚度和表面張力等5個(gè)物理量歸一化成參數(shù)SD(Starvation degree)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在SD值大于1.5時(shí)油膜厚度開始下降，乏油下油膜膜厚降低的試驗(yàn)結(jié)果得到了數(shù)值計(jì)算的驗(yàn)證[5]. 該類研究表明接觸區(qū)附近供油池的油量分布對(duì)膜厚變化有直接影響，然而受限于檢測(cè)手段，對(duì)供油池層厚變化的研究相對(duì)較少.

彈流潤滑條件下，球盤單點(diǎn)接觸潤滑薄膜厚度一般有幾十納米至幾百納米[6]，這表明實(shí)際潤滑需要的潤滑油量非常少. 試驗(yàn)證明20 μL的微量供油即可保證球盤點(diǎn)接觸在0.72 m/s卷吸速度下的良好潤滑[7]. 試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，只有處于接觸區(qū)軌道上的油才能起到供給作用，分布在其它地方的潤滑油并不能直接供給接觸區(qū). 而潤滑油經(jīng)過鋼球碾壓后，留在出口軌道表面的油層會(huì)變薄，大量潤滑油被擠到軌道兩側(cè). 在球盤點(diǎn)接觸模型中，被擠出軌道的潤滑油會(huì)在毛細(xì)力和表面張力的作用下緩慢流回軌道，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充供給[8]. 研究發(fā)現(xiàn)通過增加鋼球橫向震動(dòng)[9]、改變滑滾比[10-11]、改變鋼球與滾道表面速度方向夾角[12-13]以及載荷突變[14]等方式均有可能改變潤滑油的分布并促進(jìn)潤滑油回流到供給軌道，以上試驗(yàn)大多基于球盤點(diǎn)接觸模型. Gershuni等[15]的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)滾道很難發(fā)生類似于球盤點(diǎn)接觸模型的補(bǔ)充供給形式，一方面，潤滑油在徑向離心力的作用下會(huì)遠(yuǎn)離滾道；另一方面，在軸承多個(gè)滾子連續(xù)碾壓下，潤滑油流回軌道的時(shí)間間隔非常短，同時(shí)，軸承其他元件也會(huì)影響潤滑油的分布. Damiens等[16]的試驗(yàn)結(jié)果表明保持架與鋼球間隙過小時(shí)，鋼球表面的潤滑油會(huì)被保持架“刮走”，造成接觸區(qū)供油匱乏而膜厚減小.

球盤點(diǎn)接觸模擬試驗(yàn)因易于人為控制各種工況變量，多用于潤滑性能和機(jī)理的研究. 作者所在課題組[17]基于真實(shí)軸承工況模擬試驗(yàn)表明滾動(dòng)軸承內(nèi)潤滑油的分布和補(bǔ)充供給機(jī)制與球盤點(diǎn)接觸模型存在較大差異. 在本文中通過搭建高速滾動(dòng)軸承潤滑行為模擬試驗(yàn)臺(tái)，利用激光誘導(dǎo)熒光方法，對(duì)軸承內(nèi)潤滑油的分布進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤和測(cè)量，研究不同供油條件下接觸區(qū)附近供給油池的分布特點(diǎn)和規(guī)律，為滾動(dòng)軸承潤滑性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與條件

圖1(a)為作者課題組自主搭建的基于熒光法的滾動(dòng)軸承潤滑行為觀測(cè)試驗(yàn)臺(tái). 試驗(yàn)軸承采用商用深溝球軸承(型號(hào)6 008，鋼球個(gè)數(shù)z=12，鋼球直徑d=7.94 mm).為方便光學(xué)觀測(cè)，軸承外圈被替換為無溝道的玻璃平環(huán). 試驗(yàn)臺(tái)通過伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承轉(zhuǎn)速的精確控制，利用步進(jìn)電機(jī)控制加力螺桿對(duì)支撐軸承加載，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)軸承的徑向加載，其加載力W為圖1(b)所示豎直向上. 光學(xué)系統(tǒng)主要包括激光光源(532 nm)，熒光顯微鏡和高速圖像傳感器(Charge-coupled device,CCD). 入射激光經(jīng)顯微鏡垂直聚焦在鋼球與外圈滾道形成的油池上，激發(fā)產(chǎn)生的熒光經(jīng)熒光顯微鏡由高速CCD記錄. 軸承外圈與鋼球形成的供給油池為1個(gè)曲面，其深度不能完全被熒光顯微鏡景深覆蓋，所以部分邊界成像會(huì)出現(xiàn)模糊的情況，本文中參考Zhang等[18]的方法予以矯正成像.

Fig. 1 Schematic diagram of bearing test rig: (a) physical diagram; (b) schematic diagram圖1 軸承試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖：(a)實(shí)物圖；(b)示意圖

本試驗(yàn)中，軸承內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速范圍為6～1 000 r/min，假設(shè)鋼球相對(duì)內(nèi)外滾道純滾動(dòng)，則對(duì)應(yīng)的卷吸速度范圍為0.004～0.694 m/s. 軸承頂端鋼球與外圈最大赫茲接觸壓力為1.15 GPa. 試驗(yàn)環(huán)境溫度為25±1 ℃. 供油方式為浸油潤滑，即通過移液器將定量潤滑油注射到軸承底部，潤滑油隨軸承轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸遷移至軸承其他位置，供油量為5～8.75 mL，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次. 試驗(yàn)潤滑油選取苯多酸酯基礎(chǔ)油(上海納克潤滑技術(shù)有限公司，PriEco8006)，黏度270 mPa·s (25 ℃). 由于潤滑油自身發(fā)射熒光性能較弱，在其中均勻溶解熒光劑以增加發(fā)光效率. 熒光劑選用無毒、理化性能穩(wěn)定且溶解度較高的亞甲基吡咯. 為了提高熒光劑在潤滑油中的溶解度，試驗(yàn)中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的正己烷，最終配置的潤滑油中熒光劑濃度為2 mmol/L. 圖2(a)所示為溶解熒光劑的潤滑油試劑，呈暗紅色，且沒有沉淀，其在532 nm激發(fā)光下的熒光發(fā)射光譜由光譜儀(Ocean Optics，USB2000+)測(cè)得. 圖2(b)所示為25 ℃時(shí)潤滑油添加熒光劑前后的流變特性測(cè)試，可見添加熒光劑和正己烷后，潤滑油的黏度整體下降6.4%，但其隨剪應(yīng)變率的變化規(guī)律在測(cè)量范圍內(nèi)保持不變.

1.2 膜厚與熒光強(qiáng)度關(guān)系的標(biāo)定

某些原子在激光的照射下，原子核周圍的電子會(huì)吸收能量從基態(tài)躍遷至更高能級(jí)的激發(fā)態(tài). 然而激發(fā)態(tài)并不穩(wěn)定，電子還會(huì)恢復(fù)基態(tài)，并在此過程中釋放光子，產(chǎn)生熒光，即激光誘導(dǎo)熒光(Laser induced fluorescence, LIF). 在激光誘導(dǎo)熒光方法中，熒光強(qiáng)度與熒光流體厚度存在以下對(duì)應(yīng)關(guān)系[19]：

Fig. 2 (a) Fluorescence emission spectrum of the oil tagged with fluorescent dye; (b) rheological properties of lubricating oil before and after adding fluorescent dye and n-hexane圖2 (a)溶解熒光劑的潤滑油的熒光發(fā)射光光譜；(b)加入熒光劑和正己烷前后潤滑油的流變特性

其中：If為相機(jī)捕獲的熒光強(qiáng)度，k為相機(jī)的監(jiān)控效率，I0為激發(fā)光強(qiáng)度，φ為量子產(chǎn)率，ε(λlaser) 為熒光劑對(duì)激光的摩爾吸收率，C為流體中熒光劑的摩爾濃度，h為熒光流體膜的厚度. 由(1)式可知熒光流體膜厚h與相機(jī)接收到的熒光強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系.

膜厚標(biāo)定的目的是得到熒光強(qiáng)度與真實(shí)膜厚值之間的定量關(guān)系，標(biāo)定過程如圖3所示，在靜止?fàn)顟B(tài)下將溶解熒光劑的潤滑油填充到鋼球與外圈間隙內(nèi)，形成1個(gè)橢圓形油池，根據(jù)鋼球和玻璃環(huán)的幾何輪廓與赫茲接觸理論可以計(jì)算油池內(nèi)任意位置的間隙，假設(shè)油池內(nèi)均勻地充滿潤滑油，那么該計(jì)算間隙即為潤滑油層的厚度值. 通過相機(jī)捕捉到該靜態(tài)油池的熒光圖像，并通過軟件讀取某一位置的灰度值作為熒光的強(qiáng)度信息，并結(jié)合該位置的對(duì)應(yīng)間隙，就能得到測(cè)量灰度值與油層厚度之間的關(guān)系. 由圖3(a)可見，坐標(biāo)原點(diǎn)熒光強(qiáng)度最弱，對(duì)應(yīng)的間隙最小；從接觸區(qū)向油池邊界熒光強(qiáng)度逐步增加，對(duì)應(yīng)的間隙也逐漸增加. 油池的邊緣出現(xiàn)亮度陡然增加的亮帶[圖3(a)中白色虛線標(biāo)出]，這可能是由于激光照射油池邊緣、玻璃環(huán)和空氣三相界面上，產(chǎn)成了光學(xué)畸變，可將這條亮帶視為表觀油池邊界，圖3(b)為同載荷下y軸的計(jì)算間隙. 據(jù)此，試驗(yàn)測(cè)量的灰度值與油層厚度的關(guān)系如圖3(c)所示，最大膜厚為720.9 μm，最小膜厚為4.4 μm，對(duì)應(yīng)的灰度值分別為72.6和7.0. 按照表達(dá)式(1)，將kI0Ф和ε(λlaser)C作為兩個(gè)常數(shù)，擬合結(jié)果為(R2=0.977)：

Fig. 3 Calibration process of the relationship between oil layer thickness and fluorescence intensity: (a) static image of the oil reservoir (maximum Hertzian pressure:1.15 GPa); (b) calculated clearance between steel ball and glass ring at y axis; (c) grey value to oil layer thickness圖3 油層厚度與熒光強(qiáng)度關(guān)系的標(biāo)定過程：(a) 靜態(tài)油池圖片(最大赫茲接觸壓力：1.15 GPa)；(b) y軸鋼球-玻璃環(huán)計(jì)算間隙；(c) 油層厚度與灰度值關(guān)系

由圖3(c)可見，根據(jù)表達(dá)式(2)繪制的曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)基本相同，但公式(2)的擬合結(jié)果在灰度值超過68后，曲線趨近豎直，標(biāo)定誤差大，因此在本文中采用了誤差較小的指數(shù)函數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬合(R2=0.983)，并作為熒光強(qiáng)度與膜厚的標(biāo)定關(guān)系，如式(3)所示.

2 試驗(yàn)結(jié)果

Fig. 4 (a) Diagram of local bearing structure model; (b)Fluorescence intensity distribution of lubricating oil(n=40 r/min, oil supply volume: 5 mL)圖4 (a)軸承結(jié)構(gòu)局部模型圖；(b)潤滑油熒光強(qiáng)度分布圖(n=40 r/min，供油量：5 mL)

圖4為軸承結(jié)構(gòu)局部模型圖以及利用高速相機(jī)捕捉到的相同位置潤滑油熒光強(qiáng)度分布圖(供油量5 mL，n=40 r/min，其中n為轉(zhuǎn)速). 圖4(a)中白色虛線標(biāo)出的是鋼球和保持架兜孔之間的間隙，定義接觸區(qū)中心為原點(diǎn)，鋼球公轉(zhuǎn)的方向?yàn)閤軸正向，軸承軸向方向?yàn)閥軸. 觀測(cè)區(qū)域處于承載區(qū)，鋼球公轉(zhuǎn)帶動(dòng)保持架轉(zhuǎn)動(dòng)，因此鋼球前沿與保持架間隙較小[圖4(a)中1處]，鋼球后沿與保持架兜孔間隙較大[圖4(a)中2處]. 通過將圖4(b)與圖4(a)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，潤滑油廣泛分布在玻璃環(huán)表面、玻璃環(huán)與鋼球形成的油池、前后的油帶(Oil string)內(nèi)、鋼球表面上、兜孔間隙中、保持架表面以及內(nèi)圈表面等各個(gè)位置上. 熒光圖像最中間為鋼球與外圈形成的接觸區(qū)，接觸區(qū)附近形成1個(gè)供給油池，與球盤點(diǎn)接觸形成的橢圓形油池不同，該油池沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向存在兩條油帶，連接相鄰潤滑油池.油池出口區(qū)呈黑色，表明該處潤滑油厚度很小，為出口空穴(Cavitation). 接觸區(qū)供油池左右兩側(cè)有兩條沿x軸方向的黑線，兩黑線間寬度基本與接觸區(qū)供給油池等寬，應(yīng)為鋪展在外滾道表面的油道(Oil band).

2.1 油池分析

根據(jù)油膜厚度與熒光強(qiáng)度的標(biāo)定關(guān)系，可計(jì)算出潤滑油的膜厚分布. 圖5所示為6 mL供油量下轉(zhuǎn)速從6到1 000 r/min的軸承內(nèi)潤滑油層分布圖，其中圖片下方為入口區(qū). 圖中清晰可見接觸區(qū)供給油池分布. 軸承內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速為6 r/min時(shí)，接觸區(qū)供給油池呈橢圓形，出口空穴不明顯. 當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至15 r/min時(shí)，橢圓形油池兩端出現(xiàn)油帶將相鄰的油池連接起來，其自身并非完全沿x軸對(duì)稱分布. 隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，這種不對(duì)稱現(xiàn)象逐漸消失，同時(shí)可以看到出口區(qū)出現(xiàn)空穴.供給油池的大小隨速度升高不斷增大，出口空穴的長度也逐漸延伸. 軸承內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速從250增大到500 r/min，明顯可見前一個(gè)鋼球供給油池的出口空穴逐漸延伸到下一個(gè)供給油池的入口區(qū)，橢圓形油池分叉為左右兩部分. 當(dāng)軸承內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速升至1 000 r/min時(shí)，表觀油池寬度繼續(xù)增大，顯示出接觸區(qū)附近油池的實(shí)際供油量繼續(xù)增加.

Fig. 5 Variations of oil distribution against speed in bearing (oil supply volume: 6 mL)圖5 不同轉(zhuǎn)速下軸承內(nèi)潤滑油層分布圖(供油量：6 mL)

圖6(a)為轉(zhuǎn)速40 r/min時(shí)沿x軸方向油層厚度hx的分布圖，圖中右側(cè)是入口區(qū)，可以看到入口油層分布與計(jì)算得到的x軸向的球環(huán)間隙基本吻合. 本文中將最大油層厚度處定義為入口油層厚度hxmax. 左側(cè)是出口區(qū)，出口區(qū)在-4.4～0 mm范圍內(nèi)油層非常薄，對(duì)比圖5中n=40 r/min潤滑油分布圖，該位置為出口空穴區(qū)，同時(shí)可以據(jù)此標(biāo)識(shí)出空穴的長度l. 空穴之后存在一定厚度的油膜，應(yīng)為兩油池之間的油帶. 圖6(b)為40 r/min時(shí)y軸方向中心截面的油層厚度hy的分布圖，可以看到油層厚度沿y軸方向基本對(duì)稱，且與y軸向的球環(huán)間隙吻合，在±2 mm處達(dá)到峰值后開始下降，在大約±3 mm處的兩個(gè)峰值實(shí)際為油池邊界的亮帶，可反映表觀油池寬度，但不能反映油池邊界處的油層厚度. 可以發(fā)現(xiàn)，y方向橫截面上，表觀油池半徑為3 mm，但油池最大膜厚出現(xiàn)在半徑為2 mm處，這個(gè)差別是由彎液面的空間結(jié)構(gòu)造成的，如圖1(b)彎液面局部放大圖所示，m1處為表觀油池邊界，y軸油池最大膜厚為潤滑油填滿球環(huán)間隙的彎液面最內(nèi)側(cè)m2處.

Fig. 6 Variations of oil layer thickness (oil supply volume: 6mL): (a) at y=0, along the center line in rolling direction;(b) at x=0, perpendicular to the rolling direction圖6 油層厚度變化(供油量：6 mL) (a) y=0，沿滾動(dòng)方向中心線；(b) x=0，垂直滾動(dòng)方向中心線

入口油層厚度hxmax隨速度和供油量的變化規(guī)律如圖7(a)所示，對(duì)于固定的供油量6 mL，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于30 r/min時(shí)，入口油層厚度增加較快，隨后趨于穩(wěn)定，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過250 r/min后，入口油層厚度開始快速降低，對(duì)比圖5可以發(fā)現(xiàn)入口油層厚度的降低是空穴持續(xù)增長造成的. 如果將供油量從5 mL增大到8.75 mL，入口油層厚度隨供油量的增加而增大，但隨速度的變化趨勢(shì)不變.

y軸方向中心截面最大油層厚度hymax隨供油量和速度的變化規(guī)律如圖7(b)所示，供油量6 mL時(shí)，hymax隨速度的增加而緩慢變大，并在速度超過60 r/min時(shí)趨于平穩(wěn). 這說明隨速度的不斷升高，接觸區(qū)附近供給油池在逐漸增大. 本試驗(yàn)中采用底部鋼球浸油潤滑，當(dāng)轉(zhuǎn)速從6 r/min增加到約60 r/min時(shí)，浸油區(qū)能夠?yàn)殇撉蛱峁┹^為充足的油量；隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提升，軸承底部浸油池液面不斷下降，鋼球可以攜帶的潤滑油逐漸減少. 接觸區(qū)供給油池與玻璃環(huán)交界處的彎液面不斷擴(kuò)展，說明高速有利于軸承將浸油區(qū)的潤滑油攜帶至其他位置，而且轉(zhuǎn)速增加使離心效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，使得潤滑油更易于分布在外滾道附近. 相同速度下，供油量越大，hymax越大. 速度低于60 r/min時(shí)，hymax均隨速度升高而增大；速度高于60 r/min后，8.75 mL供油量下的hymax繼續(xù)隨速度升高而逐漸升高，而5 mL供油量下的hymax隨速度升高而略有下降.

然而表觀油池的不斷增大并不代表入口油層的持續(xù)增加，對(duì)比圖7(a)和圖7(b)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)速度超過250 r/min時(shí)，盡管油池可以維持1個(gè)較大的表觀寬度，即供油量充分，入口油層厚度仍然開始隨速度的增加而逐漸減小.

2.2 空穴分析

Fig. 7 (a) Variations of inlet oil layer thickness against speed at x-axis; (b) variations of maximum oil layer thickness against speed at y-axis圖7 (a) x軸入口油層厚度隨速度的變化；(b) y軸最大油層厚度隨速度的變化

受顯微鏡觀測(cè)區(qū)域所限，每張圖片里只能看到1個(gè)接觸區(qū)，無法直觀觀測(cè)相鄰接觸區(qū)之間的關(guān)系. 由于圖片是高速相機(jī)連續(xù)拍照所得，相鄰兩張照片之間的拍照間隔固定且已知. 照片上每個(gè)像素點(diǎn)代表的真實(shí)距離可通過標(biāo)尺標(biāo)定獲得，相鄰接觸區(qū)中心的距離可通過玻璃環(huán)內(nèi)圓周長除以鋼球個(gè)數(shù)計(jì)算得到(忽略鋼球在兜孔內(nèi)沿運(yùn)動(dòng)方向的竄動(dòng)). 據(jù)此可計(jì)算出相鄰接觸區(qū)相隔的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，并將兩個(gè)相鄰油池的圖片拼成1張，更加直觀地反映出不同接觸區(qū)之間的互相影響.

如圖8所示，當(dāng)速度為6 r/min時(shí)，各接觸區(qū)形成的橢圓油池是相互獨(dú)立的，可以看到兩油池間保持架以及內(nèi)圈滾道邊緣上有潤滑油鋪展. 當(dāng)速度升至100 r/min時(shí)，由于供油充分，接觸區(qū)供油池表觀半徑增大，且相鄰油池已連接在一起，由圖可知，入口區(qū)前方約2 mm處油膜厚度最大. 前一個(gè)接觸區(qū)形成的空穴長度較短，距離最大入口油膜厚度還有一段距離，未影響到下一個(gè)接觸區(qū)的入口供油狀態(tài). 當(dāng)速度升至250 r/min時(shí)，兩油池繼續(xù)增大，出口空穴的長度也進(jìn)一步延伸，剛好觸及到最大入口油膜的位置. 當(dāng)速度升至500 r/min時(shí)，供油池的空穴已經(jīng)延伸至下一個(gè)油池的入口區(qū)，最大入口油層厚度有所下降. 對(duì)比圖8和圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，入口油層厚度在高速下降低的直接原因是前一個(gè)油池出口空穴的影響.

Fig. 8 Variations of oil distribution against speed for adjacent steel balls in the bearing (oil supply volume: 6 mL)圖8 軸承內(nèi)相鄰鋼球之間的油量分布(供油量：6 mL)

為方便比較空穴長度占相鄰接觸區(qū)間距離的比例，定義無量綱空穴長度L，見式（4）.

其中：l為空穴長度，a為x軸方向赫茲接觸半徑，R為玻璃環(huán)內(nèi)圈半徑，z為軸承的鋼球數(shù)量.

圖9所示為不同油量下無量綱空穴長度隨速度和供油量的變化，可根據(jù)空穴變化特性將轉(zhuǎn)速分為3個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)：

I：內(nèi)圈轉(zhuǎn)速小于10 r/min時(shí)，空穴現(xiàn)象不明顯；

II：內(nèi)圈轉(zhuǎn)速在10 到250 r/min之間時(shí)，空穴出現(xiàn)并隨速度的對(duì)數(shù)呈線性增長關(guān)系；

III：內(nèi)圈速度大于250 r/min時(shí)，空穴長度隨速度增長減緩. 對(duì)比圖9和圖7(a)，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)空穴已延伸至下一個(gè)油池的入口區(qū).

在II區(qū)和III區(qū)空穴長度增速的不同可能由以下原因?qū)е拢涸贗I區(qū)內(nèi)，空穴尾部位于接觸區(qū)出口區(qū)或者自由表面油帶內(nèi)，阻力較??；在III區(qū)內(nèi)，越靠近接觸區(qū)，間隙越小，壓力越大[20]，對(duì)空穴增長產(chǎn)生較大阻力，當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，不同供油量下的空穴長度基本保持一致，這表明當(dāng)供油較為充分時(shí)，供油量對(duì)空穴長度的變化影響不大.

Fig. 9 Variations of dimensionless length of cavitation against speed圖9 無量綱空穴長度隨速度的變化

在空穴長度增加的過程中，其寬度也在發(fā)生變化，由圖8可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速從100 r/min提升到500 r/min時(shí)，空穴寬度隨速度的升高逐漸增加，這使空穴兩側(cè)的油帶遠(yuǎn)離滾道，不利于潤滑油回流. 當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到1 000 r/min時(shí)，如圖5所示，空穴兩側(cè)邊界變得不穩(wěn)定，一些小油滴從邊界脫離，如果油滴能進(jìn)入滾道，則有利于下一個(gè)接觸區(qū)的潤滑.

3 結(jié)論

a. 自主設(shè)計(jì)并搭建了軸承模擬試驗(yàn)臺(tái)，利用激光誘導(dǎo)熒光方法實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)軸承內(nèi)部潤滑油分布的動(dòng)態(tài)觀察與測(cè)量，獲得了軸承內(nèi)潤滑油分布的三維形貌圖；

b. 充分供給條件下，接觸區(qū)潤滑油池在低速下為各自獨(dú)立的橢圓形油池，高速下不同油池間形成1條油帶連接各油池；

c. 充分供油條件下，某一鋼球與外圈間最大入口油層厚度受前一鋼球的接觸區(qū)出口空穴長度影響. 空穴長度隨轉(zhuǎn)速的升高逐漸增加，并延伸至下一個(gè)油池入口，使最大入口油層厚度急劇減?。?/p>

d. 充分供油條件下，供油量的增加對(duì)接觸區(qū)出口空穴長度的變化規(guī)律影響不大.