基于接觸電阻法測(cè)量潤滑油膜厚度的方法研究

童偉杰, 黃 鷺, 賈 鑫, 孫 淼, 蔡晉輝

(1.中國計(jì)量大學(xué) 測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

滾動(dòng)軸承廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、大型工程裝備、軍工裝備領(lǐng)域中,對(duì)支撐和傳動(dòng)動(dòng)力起著至關(guān)重要的作用[1]。為了保證軸承可靠性、運(yùn)行穩(wěn)定性和延長使用壽命,必須保證摩擦副處于最佳的潤滑狀態(tài)。研究潤滑狀態(tài)的關(guān)鍵問題之一就是實(shí)現(xiàn)對(duì)潤滑狀態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量。

通常對(duì)軸承的潤滑狀態(tài)評(píng)價(jià)主要通過對(duì)軸承參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)仿真,從理論角度對(duì)軸承潤滑進(jìn)行分析。胡志宏等[2]通過分析實(shí)際工況,聯(lián)立多種數(shù)學(xué)模型,采用多重網(wǎng)格法對(duì)軸承內(nèi)部球與內(nèi)外套圈滾道之間的點(diǎn)接觸潤滑狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)仿真,分析了轉(zhuǎn)速、球徑、軸向預(yù)載荷等基本參數(shù)對(duì)軸承內(nèi)部潤滑狀態(tài)的影響。王亞彪等[3]基于Hertz接觸理論、彈流潤滑理論,對(duì)滾子-滾道進(jìn)行接觸分析,采用切片分析法建立了軸承潤滑狀態(tài)理論分析模型,從理論角度對(duì)軸承潤滑進(jìn)行分析,定量分析軸承各參數(shù)對(duì)潤滑狀態(tài)的影響。

采用實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)軸承的潤滑狀態(tài)通常有兩種方式:1)根據(jù)Stribeck曲線[4,5]結(jié)合實(shí)際應(yīng)用工況來進(jìn)行評(píng)價(jià);2)根據(jù)油膜厚度與綜合表面粗糙度的比值[6]進(jìn)行評(píng)價(jià),即膜厚比λ=h/σ。第一種方式較為抽象,無法與實(shí)際應(yīng)用中具體工況下的膜厚數(shù)值進(jìn)行對(duì)應(yīng);第二種方式在算式中,油膜厚度h的準(zhǔn)確測(cè)量是該評(píng)價(jià)方法的前提。

目前,針對(duì)潤滑膜厚測(cè)量方法主要有光干涉法、超聲波法、電容法、接觸電阻法等。光干涉法測(cè)量方法的理論基礎(chǔ)是雙光束或多光束干涉原理,油膜厚度的變化會(huì)引起干涉條紋的移動(dòng),通過接觸區(qū)內(nèi)部光強(qiáng)的變化計(jì)算得到潤滑膜厚。Gustafsson L等[7]和Johnston K等[8]采用光干涉法實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)分辨率油膜測(cè)量,但由于光干涉法中一側(cè)摩擦副需為透光材質(zhì),原理上的限制使得該方法多用于實(shí)驗(yàn)室研究。楊曉等[9]和Quinn A M等[10]的研究表明,超聲波法具有無損檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn),有良好的工業(yè)適應(yīng)性,但是在信號(hào)較弱時(shí),很難準(zhǔn)確捕捉信號(hào),噪聲對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾很也難區(qū)分,抗干擾能力差。電容法是通過測(cè)量摩擦副之間的電容值判斷其間隙(油膜厚度),Jablonka K等[11,12]等的研究表明潤滑油脂處于全膜彈流潤滑狀態(tài)時(shí),該方法測(cè)量油膜膜厚的精度與光干涉法相當(dāng),但是局限于對(duì)混合潤滑、邊界潤滑狀態(tài)時(shí)效果不佳,當(dāng)油膜厚度h<0.5 μm 時(shí)易被擊穿[13]。接觸電阻法是基于金屬與潤滑油懸殊的導(dǎo)電率原理而開發(fā)的潤滑膜厚測(cè)量方法。在過去幾十年中,為了使用接觸電阻法評(píng)估潤滑狀態(tài),相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一些研究。Lane T等[14]測(cè)量了齒輪間的電阻并研究了薄膜的形成;Furey M[15]開發(fā)了一臺(tái)裝置并首次提出金屬接觸百分比的概念,用于研究潤滑表面之間的接觸電阻在極低與無窮大之間迅速變化; Tallian T等[16]對(duì)Furey的裝置進(jìn)行了改進(jìn),驗(yàn)證了這一概念能準(zhǔn)確反應(yīng)摩擦副之間的潤滑狀態(tài); 張有枕等[17]對(duì)蝸輪蝸桿進(jìn)行了面接觸潤滑狀態(tài)的研究,測(cè)量了嚙合齒面間的平均接觸電阻,并推導(dǎo)出了特定條件下接觸電阻與膜厚比之間的經(jīng)驗(yàn)公式; 張世峰等[18]在自制摩擦試驗(yàn)機(jī)模擬實(shí)際缸套-活塞環(huán)工況進(jìn)行了線接觸下潤滑狀態(tài)的探究,結(jié)果表明接觸電阻可作為表征摩擦副所處潤滑狀態(tài)的特征參數(shù); 劉德良等[19]對(duì)球盤單點(diǎn)接觸潤滑狀態(tài)進(jìn)行了研究,通過理論推導(dǎo)建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型可用于直接關(guān)聯(lián)接觸電阻與潤滑膜厚,能有效地反應(yīng)潤滑狀態(tài)的變化。

上述研究表明:使用接觸電阻法能較好地分析潤滑狀態(tài),但依然缺乏較好的定量數(shù)據(jù),對(duì)于接觸電阻測(cè)量法的深入分析,相關(guān)報(bào)道甚少。針對(duì)上述研究存在的一些問題,本文研制了一臺(tái)基于接觸電阻測(cè)量值評(píng)價(jià)潤滑膜厚的旋轉(zhuǎn)式摩擦試驗(yàn)機(jī),采用高精度傳動(dòng)設(shè)計(jì)、接觸電阻測(cè)量電路設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)接觸滑動(dòng)工況的高穩(wěn)定性控制和接觸電阻的準(zhǔn)確測(cè)量,并結(jié)合光干涉法測(cè)量結(jié)果建立接觸電阻與潤滑膜厚的相關(guān)性。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與控制

研制的輕載旋轉(zhuǎn)式點(diǎn)接觸摩擦試驗(yàn)機(jī),主要包括加載系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制與采集系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和系統(tǒng)控制方案

圖1(a)為裝置示意圖。加載系統(tǒng)由S型傳感器、電缸、彈簧以及調(diào)整摩擦副偏心距的直線導(dǎo)軌組成;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由下摩擦副夾具,旋轉(zhuǎn)主軸、伺服電機(jī)和扭矩傳感器組成;采集系統(tǒng)由上位機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器等控制模塊和用于測(cè)量接觸電阻的電阻測(cè)試板、采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭矩和加載系統(tǒng)的載荷的傳感器模塊組成。實(shí)現(xiàn)了載荷、位移、轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制和接觸電阻的精準(zhǔn)測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和系統(tǒng)控制方案如圖1(b)所示。其中載荷控制為全閉環(huán)系統(tǒng),上位機(jī)根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置載荷以及力傳感器反饋值輸出控制指令,通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)的動(dòng)作,從而達(dá)到精準(zhǔn)控制摩擦副載荷的目的。摩擦副的運(yùn)動(dòng)速度控制采用半閉環(huán)系統(tǒng),主控制器根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置,通過伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部閉環(huán)控制伺服電機(jī)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)速度的控制。電阻測(cè)試板通過采集卡將測(cè)得上下夾具間的電阻信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)實(shí)現(xiàn)接觸電阻采集。

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為定量建立接觸電阻法測(cè)量潤滑膜厚的方法,需要借助納米膜厚測(cè)量儀[20],采用相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以獲得同等條件下的準(zhǔn)確潤滑油膜厚度。采用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)材料的關(guān)鍵性能參數(shù)分別如表1和表2所示。實(shí)驗(yàn)前,光干涉法及接觸電阻法采用的摩擦副均用石油醚和無水酒精依次進(jìn)行超聲清洗并烘干。

表1 光干涉法及接觸電阻法的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)材料關(guān)鍵性能參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)機(jī)參數(shù)精度控制與分析

3.1.1 載荷精準(zhǔn)控制

載荷控制原理如圖2所示,實(shí)驗(yàn)借助S型力傳感器,對(duì)載荷進(jìn)行閉環(huán)反饋控制,電缸根據(jù)指令控制壓頭運(yùn)動(dòng)通過壓縮彈簧對(duì)夾具的上摩擦副施加壓力,根據(jù)S型力傳感器的反饋信號(hào)對(duì)電缸壓頭位置進(jìn)行調(diào)整。

圖2 載荷控制原理

載荷加載及載荷測(cè)量值的相對(duì)誤差是分布如圖3所示。

圖3 載荷加載圖和載荷測(cè)量值相對(duì)誤差分布

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,載荷的加載圖見圖3(a)。由于存在S型力傳感器的反饋,因此可將載荷的加載分為2個(gè)部分:

1)粗加載,通過設(shè)定載荷值預(yù)估電缸所需移動(dòng)距離,此階段大約持續(xù)時(shí)間2～3 s;

2)精加載,將S型力傳感器反饋值與載荷設(shè)定值進(jìn)行比較重新移動(dòng)距離,實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷的精準(zhǔn)施加。

同時(shí),精加載過程中,彈簧勁度系數(shù)在壓縮長度變化瞬間會(huì)出現(xiàn)微小波動(dòng),導(dǎo)致加載力震蕩變化,通過程序進(jìn)行微調(diào)所達(dá)到目標(biāo)精度載荷大約需要經(jīng)歷15～20 s。其中,加載力是采用經(jīng)過校準(zhǔn)的S型力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn),通過采集標(biāo)準(zhǔn)傳感器力值與對(duì)應(yīng)設(shè)定載荷并計(jì)算其相對(duì)誤差,對(duì)電缸加載進(jìn)行精確控制,并獲得加載系統(tǒng)的加載準(zhǔn)確度與精度[21]。圖3(b)為全量程下載荷測(cè)量值相對(duì)誤差分布,其相對(duì)誤差保持在0.5%內(nèi),符合設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 轉(zhuǎn)速控制及檢驗(yàn)

轉(zhuǎn)速控制采用半閉環(huán)系統(tǒng),上位機(jī)將實(shí)驗(yàn)設(shè)定轉(zhuǎn)速發(fā)送指令至PLC,PLC經(jīng)過編譯發(fā)至伺服驅(qū)動(dòng)器使伺服電機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作。伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部閉環(huán)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

為驗(yàn)證轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確性,使用頻閃儀對(duì)空載時(shí)的下摩擦副進(jìn)行觀測(cè),在轉(zhuǎn)速60～900 r/min時(shí),相對(duì)誤差曲線平穩(wěn),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)設(shè)定的轉(zhuǎn)速。

3.1.3 電阻測(cè)試板設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)

電阻的測(cè)量原理本質(zhì)是將標(biāo)準(zhǔn)電阻和待測(cè)電阻(研究中采用接觸電阻)進(jìn)行比較[22],并將其轉(zhuǎn)換成電壓值。圖4為接觸電阻板原理圖,其中Rm為橋式電阻,Rt為保護(hù)電阻,Rx為待測(cè)電阻,Ra為運(yùn)放放大電阻,Vi為輸入電壓,Vo為輸出電壓?？赏ㄟ^該圖推導(dǎo)出:待測(cè)電阻值Rx與輸出電壓Vo的關(guān)系式和待測(cè)電阻值Rx的靈敏度與輸出電壓Vo的關(guān)系式:

(1)

圖4 電阻測(cè)試板原理圖

(2)

電路板中若干標(biāo)準(zhǔn)電阻值的匹配,決定了不同潤滑條件下接觸電阻測(cè)量的靈敏度。為了確保接觸電阻的測(cè)量均具有較高靈敏度,設(shè)計(jì)了2塊電阻測(cè)試板,通過更換圖4中Rt和Rm電阻值,得到0～150 Ω、150～1 000 Ω雙量程,分別覆蓋高阻值和低阻值的測(cè)量范圍。

圖5(a)為根據(jù)式(1)得出的輸出電壓Vo與待測(cè)電阻Rx關(guān)系曲線,圖5(b)為根據(jù)式(2)得出的電阻靈敏度與輸出電壓的關(guān)系曲線。

圖5 電阻測(cè)試板電壓-電阻曲線和電阻測(cè)試板靈敏度曲線

由圖5(a)可知,電阻測(cè)試板(1)隨電壓的變化指數(shù)上升,由于實(shí)際測(cè)量中存在噪聲干擾,結(jié)合圖5(b)電阻靈敏度曲線可知電壓噪聲將上百倍轉(zhuǎn)換為電阻誤差,為降低因噪聲帶來的誤差,可根據(jù)實(shí)際工況預(yù)估接觸電阻值,采用合適的電阻測(cè)試板進(jìn)行測(cè)量。

為驗(yàn)證電阻測(cè)試板的準(zhǔn)確性,使用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱對(duì)電阻測(cè)試板1和板2進(jìn)行檢測(cè),比較標(biāo)準(zhǔn)電阻箱設(shè)定值與電阻測(cè)試板測(cè)量值并計(jì)算相對(duì)誤差,測(cè)試結(jié)果如圖6所示。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)電阻值Rs為1 Ω時(shí),相對(duì)誤差僅為3%;當(dāng)Rs增大時(shí),相對(duì)誤差進(jìn)一步減小并穩(wěn)定在0.2%之內(nèi);當(dāng)Rs超過200 Ω后,隨著Rs增大相對(duì)誤差反向逐漸增大,但穩(wěn)定在-1%之內(nèi)。

圖6 電阻測(cè)試板相對(duì)誤差分布

3.2 潤滑膜厚和接觸電阻隨速度變化規(guī)律

圖7為2種不同實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果。圖7(a)為使用光干涉法測(cè)得最大赫茲接觸應(yīng)力0.5 GPa下的潤滑膜厚隨滑動(dòng)速度變化的情況;圖7(b)為與光干涉法相同工況下接觸電阻法測(cè)得接觸電阻隨速度變化的曲線,4條曲線分別為1#～4#的4組實(shí)驗(yàn)。圖7(b)中,實(shí)驗(yàn)值已減去夾具與摩擦副的固有電阻值0.6 Ω。

由圖7(a)可見潤滑膜厚隨著速度的增大而逐漸增大。圖7(b)中,接觸電阻一開始增大;當(dāng)速度達(dá)到200 mm/s的時(shí)候,接觸電阻隨速度的變化的斜率明顯變緩,表明阻值變化不再顯著,即在此時(shí)潤滑狀態(tài)由混合潤滑進(jìn)入到了全膜潤滑,根據(jù)理論,膜厚比應(yīng)>4,潤滑油膜已經(jīng)將接觸副表面完全分開,由于潤滑油的弱導(dǎo)電性,使得接觸電阻不再發(fā)生明顯變化。從光干涉法測(cè)量結(jié)果中可以對(duì)應(yīng)看出,在200 mm/s速度下,PAO-6可形成的膜厚約為70 nm,進(jìn)一步結(jié)合表2中摩擦副的參數(shù)可計(jì)算出,接觸電阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)中同樣條件下膜厚比λ=2.8,實(shí)驗(yàn)與理論高度相符。

圖7(c)為膜厚比對(duì)應(yīng)接觸電阻圖,當(dāng)膜厚比在0～4區(qū)間時(shí),接觸電阻值變化較大,當(dāng)膜厚比大于4時(shí),隨著膜厚比的增加,接觸電阻變化緩慢,與圖7(a)和圖7(b)所得規(guī)律相同。

3.3 接觸電阻與潤滑狀態(tài)相關(guān)性研究

經(jīng)上述分析可得接觸電阻能準(zhǔn)確地反應(yīng)潤滑膜厚隨速度變化的情況,且2組實(shí)驗(yàn)參數(shù)相近,因此可認(rèn)為該工況下測(cè)得的接觸電阻值可等價(jià)為潤滑膜厚。由接觸電阻法測(cè)試原理可知,該方法在邊界潤滑及混合潤滑下較為適用,因此只對(duì)膜厚比在0～4區(qū)間內(nèi)的接觸電阻值及膜厚值進(jìn)行擬合。圖8為接觸電阻-潤滑膜厚擬合曲線;由圖可見接觸電阻對(duì)應(yīng)的潤滑膜厚分布在擬合曲線兩側(cè)。圖8中的擬合直線的數(shù)學(xué)模型如下:

h=0.154*Rt+9.07

(3)

式中:Rt為接觸電阻,Ω;h為潤滑膜厚,nm。

其中該擬合曲線相關(guān)系數(shù)為0.98,剩余標(biāo)準(zhǔn)差為4.56 nm。

由于該擬合直線是在特定測(cè)試條件(聚α烯烴PAO-6、摩擦副粗糙度:15～20 nm、最大赫茲接觸應(yīng)力:0.5 GPa)下得到的,且當(dāng)實(shí)驗(yàn)材料改變(不同的潤滑油牌號(hào)、摩擦副粗糙度)時(shí),潤滑油的粘度、極性、電導(dǎo)率以及成膜能力會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致潤滑膜厚相對(duì)應(yīng)的接觸電阻值、膜厚比不同,且擬合曲線的斜率、擬合范圍等參數(shù)也會(huì)隨之改變。因此本研究下一步工作計(jì)劃為選用不同種類潤滑油和不同粗糙度的摩擦副進(jìn)行摩擦潤滑實(shí)驗(yàn),建立各種潤滑油膜-接觸電阻數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)可穩(wěn)定快速地通過接觸電阻判斷摩擦副的潤滑狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文基于接觸電阻法及光干涉法實(shí)驗(yàn)需求研制了旋轉(zhuǎn)式摩擦試驗(yàn)機(jī),實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)機(jī)的載荷、轉(zhuǎn)速的精度控制和點(diǎn)接觸滑動(dòng)工況下接觸電阻的準(zhǔn)確測(cè)量,驗(yàn)證了裝置的可靠性,能實(shí)現(xiàn)潤滑油的摩擦模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)合光干涉法測(cè)量膜厚,嚴(yán)格控制光干涉法和試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行參數(shù),在本文特定條件下,實(shí)現(xiàn)了接觸電阻對(duì)潤滑膜厚的檢測(cè),結(jié)果表明:在點(diǎn)接觸滑動(dòng)工況下,隨著速度增加,接觸電阻也隨之增加與潤滑膜厚隨速度變化規(guī)律相同,獲得了接觸電阻與潤滑膜厚之間的關(guān)系,擬合曲線相關(guān)系數(shù)為0.98,剩余標(biāo)準(zhǔn)差為4.56 nm。從而建立了一套直接在線監(jiān)測(cè)潤滑狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)方法。該方法為接觸電阻測(cè)量潤滑膜厚提供了一種新思路,,有效提升了相關(guān)傳動(dòng)領(lǐng)域的潤滑評(píng)價(jià)與分析能力。