低溫下潤滑劑對微型軸承啟動摩擦力矩的影響

姜紹娜，陶德華，陳曉陽，顧家銘

(1.上海大學 機械自動化學院，上海 200072;2.上海天安軸承有限公司，上海 200233)

對于航天航空等設備用的微型軸承，低溫啟動摩擦力矩是一項十分重要的性能指標，其大小及波動性不僅影響系統能量的傳遞，還影響著系統信號傳遞的準確性[1]。微型軸承的啟動摩擦力矩測試儀種類繁多，通常配有各種控制系統，結構較為復雜，制造成本高，在各種苛刻的環境溫度條件下進行試驗時，溫度不易控制，測試低溫下的啟動力矩重復性差，且容易損壞測試儀器。在此開發出一種測試裝置，可保證相同的軸向載荷均勻地作用在被測軸承上，并能在各種苛刻的低溫環境下測試各種潤滑劑的摩擦扭矩。

1 測試裝置

1.1 結構

圖1所示為低溫啟動摩擦力矩測試裝置。將被測軸承安裝在軸兩端的套筒內，兩端分別用左、右端蓋定位固定在支座上，靠近被測軸承處鉆孔放入溫度傳感器用于測溫。為了保證每次測量施加的軸向載荷相同，在左端蓋內安裝彈簧，彈簧的長度及剛度根據預緊力大小設定，彈簧座與內擋圈導向槽發生點接觸，軸向力通過內擋圈可均勻地施加在被測軸承上。軸的伸出端用2個緊定螺釘固定直徑為80 mm的平衡輪，該緊定螺釘兩端配有2個平衡螺母微調平衡輪的偏心，當砝碼放入托盤，平衡輪一旦轉動，便可測得被測軸承的啟動摩擦力矩。將該裝置放入一個環境溫度低于測試溫度并能夠迅速降溫的冷控箱內(冷控箱可達-70 ℃)，當溫度傳感器達到測試溫度即可打開冷控箱蓋子進行測試。

1—冷控箱；2—支座；3—溫度傳感器；4—內擋圈；5—彈簧座；6—彈簧；7—左端蓋；8—固定螺釘；9—套筒；10—軸；11—定位螺釘；12—被測軸承；13—右端蓋；14—平衡輪；15—緊定螺釘；16—平衡螺母；17—托盤；18—砝碼圖1 低溫摩擦力矩測試裝置

1.2 測試原理及過程

由圖1可知，測得的啟動摩擦力矩為2組被測軸承的啟動摩擦力矩之和M，盡管平衡螺母可消除一定的偏心，但因系統誤差導致的偏心力矩ΔM仍不可避免。假設正轉時測得啟動摩擦力矩值為

M正=M+ΔM，

(1)

則反轉時測得啟動摩擦力矩值為

M反=M-ΔM，

(2)

故兩組被測軸承的啟動摩擦力矩之和為

(3)

軸承在啟動過程中摩擦力矩值并不恒定，有時會存在大點或死點。常溫下測試相對簡單，往往多次測量取平均值，而對于本試驗裝置，冷控箱在降溫及測試過程中起著關鍵的作用，由于測試過程溫度極低，達到待測溫度需打開冷控箱蓋子，此時降溫系統需要保持工作狀態，保證其降溫要求并能及時吸收空氣中的水蒸氣，防止混入軸承影響潤滑劑的性能。為此應盡量減少測量次數，故測試數據一般以最小啟動摩擦力矩為準。

由于被測軸承的清潔度對摩擦力矩影響明顯，故要求軸承從存儲到測試都要規范，防銹油、汽油均要按要求嚴格過濾。為清除軸承內雜質，測試軸承需先去磁，用無水酒精清洗2～3遍，再用過濾汽油清洗3遍。然后烘干，除凈軸承內殘存的汽油，以防降溫時其凝固影響測試精度。最后用試針加3滴潤滑劑于被測軸承中，預熱至50 ℃并保持30 min,以消除潤滑劑內應力。

先在常溫下測試軸承的啟動摩擦力矩，記錄數據后放入冷控箱內，然后在不同的低溫下測試啟動摩擦力矩。更換不同潤滑劑的測試均須重復上述操作步驟。測試過程中使用的砝碼均由高精度天平測試儀標定，砝碼最小精度為0.01 g，放置砝碼時產生的沖擊力會影響測試結果，故砝碼要輕拿輕放。

2 測試樣品

被測軸承的結構參數見表1。

表1 軸承結構參數

潤滑劑對軸承摩擦力矩的影響非常大，潤滑應能在各種工況條件下使軸承工作表面保持適當的油膜，從而保持小而穩定的摩擦力矩，提高軸承的工作壽命[2]。試驗的油品為：(1)特4，特5精密儀表油(簡稱特4#，特5#油)是由有機硅油復合而成的合成油，是高精密儀表軸承原用的油品，黏度低，具有很好的黏溫性能[3]；(2)低黏度聚醚潤滑油及68#聚醚型合成油，具有優良的黏度指數，68#聚醚的黏度指數>180。通過四球機試驗已證明特5#油耐磨性較差，而68#聚醚型合成油有較好的耐磨性[4]，有利于提高軸承的工作壽命。各種潤滑劑具有各自不同的優勢，流變性能對比見表2。

表2 各種合成油品的流變性能對比

3 試驗分析

3.1 與YZC-II的比較試驗

由于試驗機為純機械裝置，結構相對簡單，而被測軸承精度高、摩擦力矩值很小，故對裝置零部件的加工精度要求高，為檢測其可靠性，在室溫下(8 ℃)與常用的YZC-II摩擦力矩測試儀進行結果比對。隨機抽取5套軸承，潤滑劑為特4#油，對軸承施加5 N的軸向載荷，用YZC-II測試儀測得的啟動摩擦力矩值見表3。采用該試驗裝置，在室溫下采用相同的條件 (軸向載荷5 N，潤滑劑為特4#油)多次測量每組軸承最小啟動摩擦力矩值約為50～60 μN·m，即平均每套軸承的最小啟動摩擦力矩值約為25～30 μN·m，與表3對應的最小值29.14～36.74 μN·m相比，兩種儀器測試結果有一定的吻合性。

表3 YZC-II啟動摩擦力矩測試結果 μN·m

3.2 潤滑油的低溫性能試驗

為了測試低溫下潤滑劑的性能，隨機抽取3組(每組2套)軸承，分別對表2中的4種潤滑劑進行測試。表4為軸向載荷為1 N時3組軸承在不同溫度下的啟動摩擦力矩測試結果，表5為第1組軸承在軸向載荷為5 N時的測試結果。

表4 不同溫度下3組軸承啟動摩擦力矩值 μN·m

表5 第1組軸承啟動摩擦力矩測試結果 μN·m

值得注意的是，在低溫測試過程中，因軸承降溫過程時間長，潤滑劑無流動性，啟動摩擦力矩值偏大，一旦啟動后再次測量，摩擦力矩就會稍微下降(呈現非Newton流體特性)。

由表4、表5可知，當軸向載荷增大時，啟動摩擦力矩也相對增加，但潤滑劑的低溫特性規律保持一致，4種潤滑劑在室溫下的啟動摩擦力矩值相差不大。特4#，特5#潤滑劑的低溫性能較好，在-50～- 60 ℃下啟動過程中稍微滯后且數值變化不大，同時，力矩數值的重復性說明該裝置低溫下測試效果的可靠性。盡管文獻[4]中的四球機試驗表明低黏度聚醚和68#聚醚常溫下有較好的耐磨性，但由于傾點低于-55 ℃，在-40 ℃時啟動過程變得相對緩慢，降至-50 ℃時啟動摩擦力矩值波動較大，故其低溫性能相對較差。

4 結論

(1) 設計的低溫啟動摩擦力矩測試裝置可根據不同工況要求改變軸向載荷，其加載裝置能夠保證載荷均勻地施加在被測軸承上。整個裝置結構簡單，靈敏度高，在苛刻的低溫下有較好的重復性。

(2) 4種潤滑劑在室溫下的啟動摩擦力矩值相差不大，啟動摩擦力矩值隨著載荷增加而增加。特4#，特5#潤滑劑的低溫性能較好，-50～-60℃時啟動稍微滯后，力矩數值能重復；而低黏度聚醚和68#聚醚常溫下有較好的耐磨性，但對于啟動摩擦力矩要求靈敏的超低溫環境不能更好地發揮其優勢。