基于推力軸承結(jié)構(gòu)的潤滑膜厚與摩擦因數(shù)測量系統(tǒng)*

池京銀 栗心明 劉 耀 楊 萍 白清華 郭 峰 梁 鵬

(青島理工大學機械與汽車工程學院 山東青島 266520)

潤滑是減小滾動軸承摩擦磨損的有效方式，因此研究滾動軸承的潤滑性能，在揭示潤滑機制的基礎(chǔ)上對軸承結(jié)構(gòu)、供油結(jié)構(gòu)、表面特性和潤滑介質(zhì)進行改進設(shè)計，對于提升軸承服役性能和延長使用壽命尤為必要。現(xiàn)有的針對滾動軸承潤滑性能的試驗研究方法大體分為兩類：臺架測量方法和模型測量方法[1]。通過臺架測量方法提取的滾道軸承綜合潤滑信息，與其真實服役特性具有較強相關(guān)性，但弊端是無法將各測量因素剝離[2]，難以直接對潤滑機制進行有效分析。模型測量方法簡化了軸承接觸形式，常采用球-盤等效接觸方式對單一因素的影響進行定量考察，并與光干涉技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了接觸區(qū)內(nèi)部潤滑特征的可視化，可對潤滑機制進行直接分析[3]。但模型測量方法忽略了滾動軸承數(shù)個特征因素，如保持架效應(yīng)[4]、滾動體數(shù)目[1]以及接觸幾何特征[5]等，其測量結(jié)果與軸承真實服役特征相關(guān)性較弱，且模型測試方法多數(shù)情況下與軸承真實服役工況不匹配[6]。因而，由模型測量所得到的機制和結(jié)論難以有效地向真實軸承轉(zhuǎn)化，甚至2種測量方法所得結(jié)果相互矛盾。

近期，本文作者所在課題組嘗試將軸承特征因素引入到模型測量方法中，研究發(fā)現(xiàn)當考慮自旋效應(yīng)[4]、滑滾比[7]、接觸幾何特征和滾道不重合等因素時[8]，潤滑劑的回填特征和潤滑狀態(tài)明顯發(fā)生改變。但上述研究僅引入了軸承單一因素，仍無法模擬全軸承中多因素耦合作用下的潤滑特性。顯然，既具有全軸承特征因素又能實現(xiàn)潤滑油膜的可視化測量，是對軸承潤滑性能進行評估的有效方法。本文作者所在課題組在該方面進行了前期嘗試，開發(fā)了推力滾動軸承潤滑油膜測量裝置[9]，該裝置以玻璃盤代替軸承座圈，在保持全軸承特征因素的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了潤滑油膜的光學可視化測量。但原有的測量裝置存在以下局限性：因采用杠桿加載方式難以實現(xiàn)較高載荷下的試驗；難以捕捉高轉(zhuǎn)速下滾動體干涉圖像；無法對摩擦力進行測量。因此有必要開發(fā)一種新的基于推力軸承結(jié)構(gòu)的潤滑油膜與摩擦力測量裝置，以克服上述測量局限性。

此外，推力滾動軸承本身作為一種摩擦學測量裝置的標準試樣，在摩擦學多個研究方向中得到應(yīng)用。例如，F(xiàn)AG FE8軸承試驗機中[10]，以推力軸承為試樣用來評價潤滑劑性能[11]、表面磨損行為[12]、摩擦化學膜的形成機制[13]和軸承材料的白蝕裂紋[14]等。近期，國外學者采用改進的推力軸承結(jié)構(gòu)對潤滑脂的摩擦學特性開展了研究。COUSSEAU等[15]通過改進的四球機結(jié)構(gòu)，開發(fā)了推力球軸承摩擦測量儀，并對可生物降解潤滑脂摩擦力矩進行了測量，建立了潤滑脂的特性與實驗結(jié)果之間的相關(guān)性。采用該測量儀，COUSSEAU等[16]通過測量摩擦力矩和溫升，對不同類型潤滑脂摩擦學性能進行了評估，分析了基礎(chǔ)油與稠化劑的相互作用對摩擦力矩的影響。IANU等[17]采用改進的推力球軸承測量裝置對潤滑劑的摩擦扭矩進行測量和分析，考慮了接觸幾何特征、潤滑劑黏度等對摩擦力矩的影響，并基于測量數(shù)據(jù)建立摩擦力矩模型。由此可見，基于推力軸承結(jié)構(gòu)的測量裝置可用來對潤滑劑特性、表界面特性、材料疲勞特性等進行測量評估。但此類測量裝置都集中于摩擦力矩或溫升測量，在潤滑油膜厚度方面的測量研究明顯不足，對潤滑油膜成膜機制缺少直接的評價手段。

因此，本文作者在克服原有基于推力球結(jié)構(gòu)的潤滑油膜測量裝置局限性的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了新的測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)集成了已有裝置潤滑油膜測量和摩擦力矩測量的優(yōu)勢，實現(xiàn)了油膜可視化測量、滾動力矩測量、運動學與動力特征測量的兼容，可用于模擬不同參數(shù)影響下的真實推力軸承潤滑特征。該測量系統(tǒng)的建立對于研究全軸承內(nèi)部潤滑介質(zhì)分布演化、軸承潤滑狀態(tài)、軸承力學特性提供一種新的評價手段，同時為測量裝置的規(guī)范化與標準化積累數(shù)據(jù)。文中將對該測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理進行介紹，并通過初步試驗來驗證其可行性。

1 測量裝置

1.1 測量裝置結(jié)構(gòu)

基于推力軸承結(jié)構(gòu)的潤滑油膜與摩擦扭矩測量系統(tǒng)，用來對推力全軸承或多個滾動體接觸條件下的潤滑油膜和摩擦力矩進行測量，其機械主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該測量系統(tǒng)主要包括座圈驅(qū)動單元、玻璃盤(軸圈)回轉(zhuǎn)單元、摩擦力矩測量單元、徑向加載單元、圖像采集單元和支撐單元等。其中，座圈驅(qū)動單元用于驅(qū)動推力軸承座圈的回轉(zhuǎn)，其實現(xiàn)過程為伺服電機通過同步帶驅(qū)動主軸回轉(zhuǎn)，進而帶動固定于回轉(zhuǎn)主軸上的軸承座圈轉(zhuǎn)動，通過調(diào)節(jié)伺服電機脈沖參數(shù)可對座圈回轉(zhuǎn)速度進行精確控制，進而實現(xiàn)不同速度工況下的膜厚與摩擦力矩測量。玻璃盤(軸圈)回轉(zhuǎn)單元用于實現(xiàn)玻璃盤(軸圈)的被動回轉(zhuǎn)，即軸承座圈回轉(zhuǎn)帶動軸承滾動體轉(zhuǎn)動，在滾動體轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的滾動摩擦力作用下驅(qū)動玻璃盤(軸圈)回轉(zhuǎn)或產(chǎn)生回轉(zhuǎn)趨勢。需要說明的是，當進行膜厚測量時需用玻璃盤代替軸承的軸圈；當進行摩擦力矩測量時，需用傳感器限制軸圈的回轉(zhuǎn)，將軸圈回轉(zhuǎn)趨勢轉(zhuǎn)化為摩擦力矩，其測量原理與方法將在后文詳細介紹。

圖1 測量裝置整體結(jié)構(gòu)

圖1所示的加載方式與原有測量裝置中的加載方式明顯不同，原有裝置采用杠桿原理對玻璃盤(軸圈)進行加載，其弊端在于大載荷下加載臂易彎曲變形且加載砝碼數(shù)量有限。為了克服該局限性，采用了如圖2所示的整體平移式加載方式，即對軸承座圈及其驅(qū)動單元進行整體加載，其實現(xiàn)過程是保持玻璃盤(軸圈)軸向位置不動，通過加載器(可采用升降平移臺或螺紋式千斤頂)帶動座圈驅(qū)動單元整體上移，使?jié)L動體加載到玻璃盤(軸圈)上。通過在加載桿上設(shè)置加載彈簧1和在加載器上方設(shè)置加載彈簧2來實現(xiàn)柔性加載，其中加載彈簧2上方裝有壓力傳感器，可實時顯示載荷數(shù)值。當測量系統(tǒng)處于卸載狀態(tài)時，加載單元整體置于支撐板上，此時加載器不承受載荷，避免加載器長時間承載影響測量精度。為了標定加載單元的自重，需觀察滾動體與玻璃盤的接觸狀態(tài)，當滾動體與玻璃盤處于似接觸非接觸狀態(tài)時，可視為滾動體剛剛與玻璃盤接觸，此時傳感器顯示的數(shù)值為加載單元自重，傳感器置零后可以得到凈加載數(shù)值。

圖2 加載單元結(jié)構(gòu)

圖像采集單元用于實現(xiàn)試驗過程中光干涉圖的采集和存儲，主要包括顯微鏡及其支撐與調(diào)節(jié)單元、CCD、光源等。

1.2 測量方法與原理

1.2.1 潤滑油膜測量方法與原理

在原測量裝置中[9]采用了高速攝像機對滾動體與玻璃盤接觸區(qū)內(nèi)的油膜干涉圖像進行采集，由于滾動體時刻運動且不斷經(jīng)過攝像機視場，當運行速度較高時高速攝像機的采集幀率不足，無法獲取清晰的油膜干涉圖像。為了解決高速條件下油膜干涉圖像采集局限性，采用了如圖3所示的改進措施。具體地，采用相對運動的原理，在高速測量過程中限制保持架的回轉(zhuǎn)，則滾動體的位置和公轉(zhuǎn)速度被限制住，僅能進行自轉(zhuǎn)運動，此時玻璃盤需在滾動體的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動。因滾動體被限制在固定位置，極大地提高了接觸副的運動速度，且僅采用常規(guī)的CCD便可實現(xiàn)高速工況下油膜干涉圖像的穩(wěn)定采集。但因保持架被固定，僅能對單個滾動體的潤滑油膜進行測量。

圖3 潤滑油膜與摩擦力測量方法

潤滑油膜的測量采用多光束干涉原理，以紅綠雙色激光為入射光源，通過顯微鏡入射到接觸區(qū)形成干涉圖像，經(jīng)CCD相機采集到采集卡并儲存到計算機上。采用自主開發(fā)的DIIM軟件[18]對光干涉圖進行離線數(shù)據(jù)處理，得到油膜厚度和油膜形狀。

1.2.2 摩擦力測量方法與原理

摩擦力的測量方法如圖3所示，在保持架處于自由運動狀態(tài)下，采用2個拉壓傳感器限制玻璃盤驅(qū)動軸的回轉(zhuǎn)運動，則軸承座圈運動帶動鋼球運動后，各接觸點所產(chǎn)生的滾動摩擦力將使玻璃盤產(chǎn)生回轉(zhuǎn)趨勢，該回轉(zhuǎn)趨勢作用到拉壓傳感器上，轉(zhuǎn)化為軸承運動的摩擦力。傳感器獲得的摩擦力通過USB5935數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接嬎銠C上，所得數(shù)據(jù)實時顯示到測量界面中。在測量之前，對其中一個傳感器施加預(yù)載荷，使玻璃盤產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動角度，以消除由玻璃盤驅(qū)動軸承產(chǎn)生的摩擦力系統(tǒng)誤差。

圖4 摩擦力采集原理

(1)

則各滾動體接觸點處的摩擦力為

(2)

通過式(1)和式(2)可分別得到軸承總摩擦力矩和單個滾動體與玻璃盤接觸點處的摩擦力。

1.3 測量流程

如上所述，該測量系統(tǒng)可實現(xiàn)潤滑油膜厚度和摩擦力矩的測量，其測量流程如圖5所示。

圖5 測量流程

具體的測量流程由測量工況決定。(1)當軸承運轉(zhuǎn)速度較低(一般低于300 mm/s)時，滾動體的公轉(zhuǎn)速度較低，可進行膜厚與摩擦力同步測量，該模式下需用傳感器限制玻璃盤的轉(zhuǎn)動，且需采用高速攝像機采集油膜干涉圖。(2)當軸承轉(zhuǎn)速較高時，需將膜厚與摩擦力單獨進行測量，膜厚測量時限制保持架運動而使玻璃盤自由旋轉(zhuǎn)，采用常規(guī)CCD即可采集干涉圖像；摩擦力(矩)測量時采用拉壓傳感器限制玻璃盤運動，而使保持架自由旋轉(zhuǎn)。圖5中綠色框所示為膜厚測量模塊，藍色框所示為摩擦力矩測量模塊。

2 試驗測量

2.1 試驗條件

為了驗證測量系統(tǒng)與測量方法的可行性，在該測量系統(tǒng)上對潤滑油膜和摩擦力矩進行了測量。試驗采用型號為TRB52320推力球軸承座圈，采用了3個滾動體，軸圈由玻璃盤替代。試驗所用玻璃盤材質(zhì)為K9玻璃，盤表面粗糙度Ra約為10.0 nm，直徑為150.0 mm，接觸盤面鍍有Cr膜和SiO2膜，泊松比為0.208，彈性模量為81.0 GPa。滾動體材質(zhì)為GCr15鋼，G5精度，表面粗糙度Ra為14.0 nm，直徑為25.4 mm，泊松比為0.3，彈性模量為210.0 GPa。試驗工況如表1所示。

試驗采用黏度等級為ISO VG 100的礦物油FVA3為潤滑劑。該油品為德國傳動技術(shù)協(xié)會(Forschungsvereinigung Antriebstechnik eV，F(xiàn)VA)標準參考油，也是流變基礎(chǔ)研究普遍采用的潤滑油，其特性如表2所示。

每次試驗前用石油醚和無水乙醇將玻璃盤與鋼球清洗干凈。玻璃盤安裝調(diào)平后，給玻璃盤施加較小載荷，將潤滑劑補充到滾動體與玻璃盤接觸點處，并讓玻璃盤進行低速工況下的預(yù)跑合，確保潤滑劑能夠均勻分布在球和盤表面，隨后施加載荷至試驗所需載荷。需要說明的是，試驗中載荷傳感器顯示的數(shù)值為總載荷wtotal，則每個滾動體所承受的載荷為wtotal/n，n為滾動體數(shù)量。表1中所示載荷為單個滾動體所承受的載荷。

2.2 測量結(jié)果

圖6 單點、多點和理論接觸膜厚值對比(30 N)

圖7給出了滾動體在載荷為10、20和30 N下的潤滑油膜隨速度的變化。可見，新的測量系統(tǒng)可使卷吸速度達到1 024 mm/s，且仍可得到穩(wěn)定的油膜干涉圖像，遠超出原測試系統(tǒng)的卷吸速度范圍。從圖7(a)所示的油膜干涉圖可以看出，在3種載荷條件下潤滑油膜隨速度的增加逐漸呈現(xiàn)出經(jīng)典的彈流油膜特征。其中，載荷為10 N的條件下，油膜潤滑狀態(tài)有向動壓油膜轉(zhuǎn)化的趨勢。為了定量分析3種載荷下油膜隨卷吸速度的變化規(guī)律，圖7(b)給出了油膜厚度隨卷吸速度的變化曲線?？梢钥闯觯陔p對數(shù)坐標下潤滑油膜厚度隨卷吸速度基本呈現(xiàn)出線性增加趨勢。在載荷為10 N的條件下，潤滑油膜厚度在低速階段高于20和30 N的工況，而在速度較高時低于20和30 N的工況。這主要由兩方面原因引起，一是接觸副彈性變形對潤滑油膜的成膜機制影響較大，在速度較高時10 N載荷下向動壓潤滑轉(zhuǎn)化，呈現(xiàn)出的彈性變形恢復(fù)較明顯，入口油膜壓力和接觸區(qū)面積減小，導致入口潤滑油膜黏度隨壓力的變化減弱，同時接觸區(qū)面積的減小使?jié)櫥瑒┐鎯Φ目臻g減小，對潤滑油膜的建立起到了削弱作用。二是因玻璃盤是在滾動體的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，當速度較高時膜厚的增加，使剪應(yīng)變率和油膜拖拽力減弱，滾動體和玻璃盤之間出現(xiàn)打滑[20-21]，導致實際的卷吸速度減小。上述兩方面原因使得載荷為10 N下的油膜厚度在速度較高時反而較小。

圖7 不同載荷下膜厚隨卷吸速度變化

為了觀察不同工況下的接觸區(qū)摩擦因數(shù)變化趨勢，圖8給出了3種載荷下摩擦因數(shù)隨速度的變化曲線?？梢钥闯?，當卷吸速度低于512 mm/s時，摩擦因數(shù)隨卷吸速度變化趨勢整體與Stribeck曲線一致，呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢。而當卷吸速度高于512 mm/s時，3種載荷下曲線均呈現(xiàn)出一定的下降，并有趨向于定值的趨勢。這主要是由于在速度較高時，隨著油膜厚度的增加油膜的剪應(yīng)變率減小，油膜的拖拽力減弱，出現(xiàn)滾動體打滑現(xiàn)象，使得實際的卷吸速度減小(滾動體公轉(zhuǎn)速度減小)。而圖8中橫坐標為名義卷吸速度，其數(shù)值大于接觸點實際卷吸速度。另一方面，滾動體打滑將使?jié)櫥湍さ募羟泻蜔嵯⌒?yīng)增加，也將導致摩擦因數(shù)降低。推力軸承在較高速下的打滑現(xiàn)象不可避免，該方面的定量研究將在后期展開。圖8中還顯示隨著載荷的增加，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出整體下降的趨勢。這是由于在文中的載荷范圍內(nèi)，摩擦因數(shù)與載荷服從反比例關(guān)系(摩擦因數(shù)為摩擦力與載荷的比值)。在實際工程中，接觸區(qū)壓力將達到GPa數(shù)量級，其摩擦力數(shù)值將顯著增加，不同載荷下的摩擦因數(shù)曲線將呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。

圖8 摩擦因數(shù)隨卷吸速度變化

3 結(jié)論

(1)介紹了基于推力軸承結(jié)構(gòu)的潤滑油膜與摩擦力測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與功能。相對于原有測量裝置，提高了速度和載荷測量范圍，并增加了摩擦力測量功能。

(2)測量系統(tǒng)采用保持固定與自由回轉(zhuǎn)2種模式，配合玻璃盤固定和自由回轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)低速條件下的潤滑油膜厚度與摩擦力同步測量，高速條件下的潤滑油膜厚度和摩擦力的獨立測量。

(3)通過初步的潤滑油膜厚度測量以及與單點接觸測量結(jié)果對比，驗證了該測量系統(tǒng)可在較大的速度范圍內(nèi)對潤滑油膜進行可靠測量。

(4)摩擦因數(shù)測量結(jié)果顯示在一定速度范圍內(nèi)，摩擦因數(shù)曲線與Stribeck曲線一致，在速度較高的條件下出現(xiàn)滾動體打滑現(xiàn)象，但仍可得到較穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)，對該現(xiàn)象的定量研究將在后續(xù)工作中深入展開。