相鄰滾子間距和錯(cuò)位對(duì)彈流成膜性能影響的試驗(yàn)研究*

劉曉平 陳 軍 邱良偉 陳曉陽(yáng)

(上海大學(xué)機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200444)

隨著現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的高速、重載的普及，對(duì)滾動(dòng)軸承的性能也提出了更高的要求。彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑(簡(jiǎn)稱：彈流)已成為滾動(dòng)軸承的主要潤(rùn)滑形式。

彈流按接觸方式可分為點(diǎn)接觸彈流和線接觸彈流。目前對(duì)于點(diǎn)接觸彈流的研究，大都基于球-玻璃盤(pán)單點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)裝置[1-6]。但是滾動(dòng)軸承具有多個(gè)滾動(dòng)體，多個(gè)滾動(dòng)體同時(shí)參與軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程以及間接承擔(dān)外載荷，因此滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑問(wèn)題屬于多點(diǎn)/線接觸潤(rùn)滑，單接觸副的研究顯然無(wú)法完全詮釋滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑綜合性能。SVOBODA等[7]為研究乏油工況下入口油層對(duì)彈流膜厚的影響，采用球面滾子和球同時(shí)與玻璃盤(pán)進(jìn)行雙點(diǎn)接觸的研究。梁鶴等人[8]將軸承外圈替換為玻璃環(huán)，模擬球軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，利用光干涉法研究軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油的分布以及回流情況，結(jié)果表明氣穴變化與回流特征均受供油量、速度和潤(rùn)滑油黏度的影響。

對(duì)于線接觸的研究，因線接觸的光彈流試驗(yàn)無(wú)法用顯微鏡觀察到接觸區(qū)的全貌，且達(dá)到相同接觸應(yīng)力所需要的載荷遠(yuǎn)大于點(diǎn)接觸試驗(yàn)，目前線接觸光彈流試驗(yàn)研究比點(diǎn)接觸少。因此，目前線接觸的乏油和補(bǔ)油大都基于理論研究[9-12],相關(guān)試驗(yàn)研究很少。陳曉陽(yáng)等[13]設(shè)計(jì)了一臺(tái)三滾輪整體加載旋轉(zhuǎn)工況光彈流試驗(yàn)機(jī)，能夠模擬推力滾子軸承運(yùn)轉(zhuǎn)工況，用于測(cè)量滾子類多線接觸彈流潤(rùn)滑的油膜形狀及其變化情況。WANG等[14]利用該試驗(yàn)機(jī)探究了在乏脂潤(rùn)滑下，速度、潤(rùn)滑脂的基礎(chǔ)黏度以及凸度量等對(duì)線接觸副的乏油程度的影響。SHEN等[15]利用該試驗(yàn)機(jī)觀察到了瞬時(shí)乏油現(xiàn)象，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，提高轉(zhuǎn)速、降低黏度或使用非牛頓流體均可以有效減弱瞬時(shí)乏油現(xiàn)象。張濤等人[16]將該試驗(yàn)機(jī)改進(jìn)為多點(diǎn)接觸的光彈流試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行了多點(diǎn)接觸乏油球軸承的乏油研究，探究了相鄰球距以及前后球軌跡不重合對(duì)點(diǎn)接觸彈流膜厚的影響，研究結(jié)果表明前后球的軌道不重合時(shí)可以相互補(bǔ)油。

工程實(shí)際中滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體數(shù)量影響相鄰滾動(dòng)體之間的間距，制造、裝配誤差易造成滾動(dòng)體錯(cuò)位問(wèn)題。線接觸的接觸區(qū)域狹長(zhǎng)，接觸長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接觸寬度，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，可能導(dǎo)致潤(rùn)滑油回流到中部所需的時(shí)間遠(yuǎn)大于點(diǎn)接觸，因此其成膜性能易受相鄰滾子的間距和錯(cuò)位的影響。本文作者在陳曉陽(yáng)等[13]設(shè)計(jì)的三滾輪整體加載旋轉(zhuǎn)工況光彈流試驗(yàn)機(jī)上，通過(guò)將試驗(yàn)滾子放置在保持架兜孔的不同位置來(lái)探究相鄰滾子間距和錯(cuò)位對(duì)線接觸彈流潤(rùn)滑油膜成膜性能和補(bǔ)油機(jī)制的影響。從軸承潤(rùn)滑研究的系統(tǒng)完整性來(lái)說(shuō)，進(jìn)一步深入開(kāi)展多接觸副彈流問(wèn)題研究，對(duì)完善彈流潤(rùn)滑理論及其研究方法具有重要意義。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1給出了三滾輪整體加載有限長(zhǎng)線接觸光彈流試驗(yàn)機(jī)[13]的結(jié)構(gòu)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，并帶動(dòng)下滾道旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的下滾道帶動(dòng)試驗(yàn)滾子運(yùn)動(dòng)。由于試驗(yàn)滾子被固定的保持架限制住，所以只做定位轉(zhuǎn)動(dòng)，而試驗(yàn)滾子的定位運(yùn)動(dòng)又帶動(dòng)玻璃盤(pán)旋轉(zhuǎn)。載荷通過(guò)三滾輪加載到玻璃盤(pán)上，滾子和滾輪沿著圓周交錯(cuò)布置，使得載荷均勻分布到每個(gè)滾子。光源發(fā)出的光束，射到顯微鏡下部的折光鏡片上，一部分光在鉻膜表面發(fā)生反射，另一部分光垂直向下透過(guò)平面玻璃照射在滾子表面發(fā)生反射，兩束光所形成的干涉條紋經(jīng)顯微鏡放大，并用高速CCD拍攝干涉圖像。最后，利用相對(duì)光強(qiáng)法[17]獲得接觸區(qū)域內(nèi)各處的油膜厚度值。圖2所示為整體加載線接觸光彈流試驗(yàn)機(jī)的實(shí)物照片，實(shí)際上，整個(gè)被測(cè)對(duì)象可以看成是有3個(gè)滾子的完整推力滾子軸承，通過(guò)在杠桿上施加不同質(zhì)量的砝碼，使試驗(yàn)滾子獲得不同的工作載荷。

圖1 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)物

試驗(yàn)通過(guò)將試驗(yàn)滾子放置在保持架兜孔的不同位置，來(lái)探究相鄰滾子間距和錯(cuò)位對(duì)滾子摩擦副成膜性能的影響。

為研究相鄰滾子間距對(duì)推力滾子軸承成膜性能的影響，其滾子的位置如圖3(a)所示。滾子通過(guò)保持架限制住做定位轉(zhuǎn)動(dòng)，試驗(yàn)滾子由2個(gè)短滾子和2個(gè)長(zhǎng)滾子組成。長(zhǎng)滾子的規(guī)格為φ6 mm×12 mm，短滾子規(guī)格為φ6 mm×6 mm。為使每個(gè)接觸副產(chǎn)生相同的接觸壓力，2個(gè)短滾子可視為一個(gè)長(zhǎng)滾子，與2個(gè)長(zhǎng)滾子C、D交錯(cuò)分布在3個(gè)加載滾輪之間。在進(jìn)行試驗(yàn)探究時(shí)，2個(gè)長(zhǎng)滾子和滾子A的位置保持不變，通過(guò)調(diào)節(jié)滾子B的位置改變相鄰滾子之間的間距S，然后觀測(cè)滾子A的內(nèi)端成膜性能，其觀測(cè)區(qū)域和滾子在玻璃盤(pán)上的滾道如圖3(b)所示。

圖3 滾子位置示意

用于研究相鄰滾子錯(cuò)位的滾子位置如圖4所示。與圖3不同的是，滾子A和B的相對(duì)位置由沿周向變化變?yōu)檠貜较蜃兓?，滾子B的位置保持不變，沿徑向改變滾子A的位置，實(shí)現(xiàn)相鄰滾子的錯(cuò)位，錯(cuò)位距離L=RB-RA。其觀測(cè)區(qū)域和滾子在玻璃盤(pán)上的滾道如圖4(b)所示。

圖4 錯(cuò)位滾子示意

1.2 試驗(yàn)條件

所有試驗(yàn)及測(cè)試在25 ℃環(huán)境溫度下進(jìn)行，試驗(yàn)滾子A、B均為對(duì)數(shù)修形滾子，凸度量為6 μm。試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)使用的潤(rùn)滑油為32#油與100#油，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

表2 潤(rùn)滑劑性能參數(shù)

初始油量給定0.18 mL，在玻璃盤(pán)與滾子表面上均勻涂抹。每次試驗(yàn)從低速往高速依次進(jìn)行，每個(gè)速度運(yùn)行30 s。利用高速CCD記錄每個(gè)速度下油膜干涉動(dòng)態(tài)圖像，然后選擇3張穩(wěn)定狀態(tài)的彈流圖像，利用相對(duì)光強(qiáng)法計(jì)算出3張圖像的膜厚，并計(jì)算出平均膜厚和偏差值?？紤]到滾子端部不同部位彈流潤(rùn)滑性能對(duì)間距與錯(cuò)位變化敏感程度不同，分別提取了距離滾子端面0.25與1.05 mm的2個(gè)位置的膜厚進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 滾子間距的影響

圖5所示為使用32#油在不同間距和速度下滾子A的端部彈流干涉圖像，其中S表示相鄰兩滾子中部之間的距離，如圖3(b)所示。從圖5中可以看出：隨著滾子速度的增加，入口彎液面慢慢向接觸區(qū)靠近，速度高時(shí)，出口頸縮現(xiàn)象明顯；在同一速度下，相鄰滾子間距越小，入口彎液面離接觸區(qū)越近，滾子B滾過(guò)殘留的油跡越明顯。圖6所示為使用100#油在不同間距下滾子A端部彈流干涉圖像?？梢钥闯觯弘S著滾子速度的增加，入口彎液面與接觸區(qū)的距離基本不變；滾子間距對(duì)入口彎液面的位置影響很小。

圖5 32#油潤(rùn)滑下不同滾子間距與速度下的彈流油膜干涉圖

圖6 100#油潤(rùn)滑下不同滾子間距與速度下的彈流油膜干涉圖

圖7(a)與(b)所示為使用32#油在不同間距下分別距離端面0.25和1.05 mm處(位置如圖5所示)膜厚隨速度的變化曲線。圖中P-H理論值是根據(jù)Pan-Hamrock擬合公式[18]計(jì)算的膜厚值。從圖7(a)中可以看出，不同間距下距離端面0.25 mm處中心膜厚隨速度變化的趨勢(shì)相似，膜厚隨著速度增加而緩慢增加，出現(xiàn)乏油的速度在0.3 m/s左右。間距S=20.2 mm和S=30.3 mm 2種工況下，當(dāng)速度大于0.84 m/s時(shí)，膜厚趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為354 nm。通過(guò)對(duì)比3個(gè)間距的膜厚-速度曲線，可以發(fā)現(xiàn)，相鄰滾子間距越大，膜厚越大；滾子間距越小，速度越大，與P-H理論膜厚值偏離得越遠(yuǎn)，乏油越嚴(yán)重。

圖7(b)所示為距離端面1.05 mm處的膜厚-速度曲線。可見(jiàn)，間距S=30.3 mm的工況在低速下與P-H理論曲線重合較好，隨著速度進(jìn)一步增加，膜厚繼續(xù)增加，但增加速率變緩慢；間距S=10.1 mm和S=20.2 mm下的膜厚從最低速度開(kāi)始一直低于P-H理論計(jì)算值。在相同的速度下，距端面1.05 mm處的油膜厚度隨滾子間距的增大而增大。

圖7 32#油潤(rùn)滑時(shí)不同間距下距端面不同位置處的膜厚-速度曲線

圖8(a)與(b)所示為使用100#油在不同滾子間距下分別距離端面0.25和1.05 mm處的膜厚-速度曲線。從圖8(a)中可以發(fā)現(xiàn)，相鄰滾子間距越大、滾子速度越高，距離端面0.25 mm處彈流膜厚越大。各個(gè)間距下膜厚隨著速度變化的趨勢(shì)和前面分析基本相同。從圖8(b)中可以看出，100#油潤(rùn)滑下滾子間距為10.1、20.2與30.3 mm時(shí)的速度-膜厚曲線基本重合。分析圖6可知，各滾子不同間距不同速度下的彈流干涉圖像也基本一致。這兩方面說(shuō)明了在高黏度潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)，相鄰滾子間距的大小對(duì)彈流中部油膜的影響極小。

圖8 100#油潤(rùn)滑時(shí)不同間距下距端面不同位置處的膜厚-速度曲線

分析圖3(b)中滾子A和B的位置示意圖可知，在相同速度下，滾子間距S越大，補(bǔ)油時(shí)間越長(zhǎng)，從滾道側(cè)面回流到滾道面的潤(rùn)滑油越多，因此間距越大膜厚越大，如圖7所示。32#油黏度低，流動(dòng)性好，回油補(bǔ)油快，因此距離端部0.25 和1.05 mm處的膜厚在不同間距下隨速度變化的趨勢(shì)相同。但是100#油黏度高，流動(dòng)性差，從滾道兩側(cè)的潤(rùn)滑油回流到滾道面的時(shí)間要比低黏度32#油長(zhǎng)。即使相鄰滾子間距大，由于潤(rùn)滑油黏度高，回流到滾道面中部的時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)回流足量的潤(rùn)滑油，導(dǎo)致潤(rùn)滑油得不到及時(shí)有效的補(bǔ)充。因此對(duì)比圖7(b)和圖8(b)可知，高黏度的100#油在距離端面1.05 mm處的中心膜厚幾乎不受相鄰滾子間距的影響。

2.2 滾子錯(cuò)位的影響

通過(guò)調(diào)節(jié)圖4中滾子A的位置，與相鄰滾子B產(chǎn)生錯(cuò)位。試驗(yàn)中選擇滾子間距S為10.1 mm，錯(cuò)位距離L分別為0、1.5、3.0和4.5 mm來(lái)研究錯(cuò)位對(duì)滾子成膜性能的影響。其中3.0和4.5 mm的滾子大距離錯(cuò)位在滾子軸承中一般不存在，此處增加這兩種工況意在進(jìn)行機(jī)制探究。

圖9所示為使用32#潤(rùn)滑油在不同錯(cuò)位距離下滾子A的端部彈流油膜干涉圖。可以看出：在同一錯(cuò)位距離下，入口彎液面隨滾子速度的增加慢慢向接觸區(qū)靠近。錯(cuò)位距離0與1.5 mm下，各速度入口彎液面與接觸區(qū)的距離差距很小。錯(cuò)位距離在1.5～4.5 mm之間，在同一速度下，隨著錯(cuò)位距離的增加，入口彎液面與接觸區(qū)的距離減少，但干涉條紋的級(jí)次相同。

圖10所示為使用100#油在不同錯(cuò)位距離下滾子A的端部彈流油膜干涉圖?？梢钥闯觯哄e(cuò)位距離為1.5 mm時(shí)，各速度下的入口彎液面與接觸區(qū)的距離比無(wú)錯(cuò)位時(shí)大；錯(cuò)位距離在1.5～4.5 mm之間，在同一速度下，隨著錯(cuò)位距離的增加，入口彎液面與接觸區(qū)的距離減少，但干涉條紋變化不明顯，與低黏度32#油潤(rùn)滑下的規(guī)律相似。

圖9 32#油潤(rùn)滑下不同錯(cuò)位距離與速度下的彈流油膜干涉圖像

圖10 100#油潤(rùn)滑下不同錯(cuò)位距離與速度下的彈流油膜干涉圖像

圖11(a)和(b)為32#油潤(rùn)滑時(shí)在不同錯(cuò)位距離下分別距離端面0.25和1.05 mm處膜厚隨速度變化曲線?？梢钥闯觯e(cuò)位對(duì)距離0.25 mm處的膜厚有輕微的影響，對(duì)1.05 mm處的膜厚基本沒(méi)有影響。當(dāng)速度大于0.84 m/s時(shí)，兩處的膜厚分布穩(wěn)定在356和362.7 nm。

圖12(a)和(b)為100#油潤(rùn)滑時(shí)在不同錯(cuò)位距離下分別距離端面0.25和1.05 mm處的中心膜厚-速度曲線。從圖12(a)中可以看出：錯(cuò)位距離為1.5與3 mm下的速度-膜厚曲線比較接近，且高于無(wú)錯(cuò)位和錯(cuò)位4.5 mm下的膜厚-速度曲線。速度大于0.525 m/s時(shí)，錯(cuò)位4.5 mm下的膜厚高于無(wú)錯(cuò)位的膜厚。通過(guò)不同錯(cuò)位距離彈流油膜厚度的變化可以看出，隨著錯(cuò)位距離的增加，滾子距離端面0.25 mm處的成膜能力先增加后減少。文中試驗(yàn)的錯(cuò)位距離下彈流油膜成膜能力從高到低排序分別為錯(cuò)位距離1.5、3.0、4.5 mm與錯(cuò)位距離為0。從圖12(b)中可以發(fā)現(xiàn)，錯(cuò)位1.5 mm和錯(cuò)位3.0 mm在距離端面1.05 mm處的膜厚明顯增大。

32#油黏度低，流動(dòng)性好，分析圖4(b)可知，在離心力和表面張力作用下，迅速?gòu)膬?nèi)側(cè)回流到滾道面②，同時(shí)滾道面①上的潤(rùn)滑油經(jīng)滾子B擠壓繞流到滾道面②上，在滾道面②上的32#油分布較均勻且充足。因此相鄰滾子錯(cuò)位與否，對(duì)距離端部1.05 mm處彈流油膜的成膜能力影響不大。當(dāng)速度大時(shí)，滾道面②上的潤(rùn)滑油不足以達(dá)到該速度下的富油程度，受到潤(rùn)滑油油量的限制，使得彈流膜厚小于P-H理論值。

圖11 32#油潤(rùn)滑時(shí)不同錯(cuò)位距離下距端

圖12 100#油不同錯(cuò)位距離下距端面不同位置處膜厚-速度圖

高黏度的100#油，黏度大，受離心力作用小和回流緩慢的影響，此時(shí)滾道面②主要依靠經(jīng)滾子B的擠壓繞流的潤(rùn)滑油。但是無(wú)錯(cuò)位時(shí)，這部分油量不影響滾子B的端部成膜性能，當(dāng)錯(cuò)位距離過(guò)大時(shí)，這部分油量因距離太遠(yuǎn)，也無(wú)法作用到距離滾子端部0.25 mm處，但會(huì)影響距離滾子端部1.05 mm處的成膜性能，如圖12(b)所示，使其膜厚增加。這也是圖12(a)中同一速度下隨著錯(cuò)位距離的增加膜厚先增加后又減小的原因。因此，一定的錯(cuò)位使得滾道面①上的部分潤(rùn)滑油經(jīng)滾子B的擠壓繞流到滾道面②，然后作用到滾子端部，使其膜厚增加。

3 結(jié)論

使用裝有高速CCD的整體加載有限長(zhǎng)線接觸光彈流試驗(yàn)裝置，研究了相鄰滾子間距和錯(cuò)位距離對(duì)滾子接觸副區(qū)油膜成膜性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1)在初始油量為0.18 mL下，滾子間距處于10.1～30.3 mm內(nèi)，使用低黏度32#油時(shí)，隨著相鄰滾子間距增大，其油膜厚度會(huì)相應(yīng)增加，補(bǔ)油效果越好；使用高黏度100#油時(shí)，隨著相鄰滾子間距增大，其距離端面0.25 mm處的膜厚增大，但對(duì)距離端面1.05 mm處的膜厚基本無(wú)影響。

(2)使用低黏度32#油時(shí)，錯(cuò)位對(duì)滾子接觸副的成膜性能影響微乎其微；使用高黏度100#油時(shí)，錯(cuò)位距離在0～4.5 mm范圍內(nèi)，隨著錯(cuò)位距離的增加，距離端面0.25 mm處的成膜性能先增加后減小，距離端部1.05 mm處的膜厚增加。