滾針擺動彈流潤滑試驗機設計

宋偉娜，陳曉陽，孫殿超，王志堅

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072)

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滾針擺動彈流潤滑試驗機設計

宋偉娜，陳曉陽，孫殿超，王志堅

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072)

摘要：針對低速擺動工況，設計了一種可測量大長徑比滾針彈流潤滑油膜的試驗機。介紹了試驗機的工作原理及其機械結構、光學系統、傳動機構和加載系統的設計。為在滾針非勻速運動過程中的部分行程段實現勻速運動狀態，特設計了阿基米德螺線擴展曲線的凸輪輪廓，并經運動學仿真證明了該想法的可行性，從而擴大了試驗機的測量功能。

關鍵詞：大長徑比；滾針；試驗機；勻速運動

0引言

有限長線接觸是彈性流體動力潤滑學科的一部分，開發可行的線接觸試驗裝置和測量方法對于完善彈流潤滑理論體系有著重要意義。軸承滾針具有長徑比較大的特點,這是其與常規滾子的主要區別,這一特點決定了滾針運轉時更易發生偏斜。滾針潤滑表面所處的工況條件不斷變化必然會引起油膜的動態效應，進而使得油膜的接觸應力分布和油膜形狀等特性不同，而目前還未看到相關方面的研究，因此研究滾針等大長徑比線接觸的彈流是很有必要的。

對彈流油膜的試驗研究主要采用光干涉法，但由于光干涉法必須采用透明材料，而已有彈流試驗機所用透明材料的機械性能與金屬材料相差甚遠，如前者的彈性模量僅是后者的一半，只有70MPa左右，[1,3,4]這就限制了模擬實際工況時的載荷，所以很難用于模擬實際的機械零件的情況。試驗機采用人造藍寶石作為試驗中的透明材料，由于人造藍寶石具有與鋼相接近的綜合彈性模量和傳熱性能[1]，所以這將有利于試驗在接近實際工況特別是接近實際的高接觸應力下進行，使得所測結果更接近實際。

1試驗原理[2]

光彈流系統有四種介質：玻璃、鉻膜、油膜、滾針。光干涉試驗原理圖如圖1所示。

圖1　光干涉試驗原理圖

根據波動光學理論，當兩束相干光在某一位置相遇時會發生干涉現象。在光干涉系統中，當光束入射時，一部分光在鉻膜表面發生反射形成光束1，另一部分光透過鉻膜并穿過潤滑油膜在滾針表面發生反射而形成光束2，兩束光由于光程不同將產生干涉形成干涉圖像。

當入射光為單色光，入射方向垂直于平面玻璃表面，假設油膜厚度為h，光在油膜中的波長為λ'，則反射光束1、2的光程差h為:

Δ=2h+λ'/2

λ'/2是由于光波由光疏介質到光密介質并在光密介質面反射，進入光疏介質時產生附加光程差引起的。

兩束反射光形成干涉的條件為:

Δ=2h+λ'/2=k0λ'k0=1,2,…亮條紋

滾動體與玻璃完全接觸時，k0=0，為暗區；此時，第一個亮條紋處，k0=1，由上述公式算得膜厚；第一個暗條紋處，k0=1，由上述公式算得膜厚，依此類推可算得其他亮暗條紋處的膜厚。

由波動光學理論知，當光束1與光束2的光強相等時，干涉條紋最清晰。所鍍鉻膜的作用就是調節光束1與光束2之間光強的比例。

2試驗臺結構及設計

a) 試驗臺結構[5]

圖2給出了所設計試驗機的原理圖。

1—砝碼；2—人造藍寶石；3—試驗滾針；4—CCD；5—顯微鏡；6—反射鏡；7—光源；8—凸輪；9—電動機圖2　試驗機結構原理圖

砝碼1用來對試驗進行加載，載荷經杠桿機構放大后經加載輪作用于試驗滾針；人造藍寶石2、試驗滾針3、CCD4、顯微鏡5、反射鏡6及光源7組成光學系統；凸輪8及電機9組成傳動機構，電動機驅動凸輪運動，凸輪運動經連桿滑塊傳動后最終帶動試驗滾針做往復擺動運動。

試驗機機械結構照片如圖3所示。

圖3　試驗機機械結構照片

b) 光學系統設計[6]

為了消除光線照射引起油膜發熱，試驗機選用疝燈冷光源。為了使所得的干涉條紋清晰，在藍寶石的下表面鍍有一層鉻膜[7]，鍍適當厚度的鉻膜使得兩束反射光的光強接近相等。所鍍鉻膜的技術要求為在波長600nm時，透射率為58%，反射率為18%。

由冷光源發射的平行光束經窄帶濾光片濾光后成為中心波長為600nm的準單色光束，然后射到顯微鏡下的反射鏡上，一部分光折轉方向垂直向下透過人造藍寶石，此部分光又分成兩部分：1) 透過人造藍寶石下表面的鉻膜照射到試驗滾針3表面上發生反射；2)直接在鉻膜表面發生反射。兩束反射光所形成的干涉條紋可以從顯微鏡5的目鏡觀察到，也可以通過CCD4將動態圖像傳輸到電腦顯示器上進行觀察、處理及分析。

c)傳動機構設計

試驗機選用180W的電動機驅動凸輪轉動，凸輪帶動滑塊做往復直線運動，進而帶動玻璃材料做往復直線運動，在玻璃材料的帶動下，滾針做往復擺動運動。

為了模擬滾針在勻速運動下的彈流潤滑現象，設計了特定輪廓的凸輪。凸輪輪廓如圖4所示。

圖4　凸輪輪廓

θ1=47°及θ3=122°的角度內的凸輪輪廓為偏心圓弧，r1=154mm，r2=113mm，偏心距d1=89.5mm，d2=44mm，此兩段曲線的輪廓帶動玻璃運動所實現的運動可近似為勻加速直線運動，進而帶動試驗滾針做近似勻加速旋轉運動；θ2=85°及θ4=85°的角度內為對稱的阿基米德螺線擴展曲線，設凸輪半徑為ρ，角度為θ，其公式為ρ=40θ-80，此曲線的輪廓帶動玻璃運動實現勻速直線運動形式，進而帶動試驗滾針實現勻速旋轉運動。

設驅動凸輪轉動的電動機轉速為ω，時間為t，則玻璃材料勻速運動段位移s計算公式為:

s=Δρ=40Δθ=40ωt

則速度計算公式為：

加速度計算公式為：

由上述公式可知玻璃材料實現了勻速運動，滾針在勻速運動的玻璃材料帶動下做勻速旋轉運動。

阿基米德螺線擴展曲線的原型為ρ=kθ+b，通過改變k、b的值可改變勻速運動的速度及行程。

令ω=10rad/s，通過運動仿真所得玻璃材料運動的加速度、位移及速度曲線如圖5所示。

圖5　玻璃運動規律仿真

由圖可見，所設計凸輪使玻璃材料實現了勻速運動。

d)加載系統設計

線接觸最大應力計算公式為:

則可推出:

(1)

對于鋼制軸承，接觸面的半寬可以近似表示為:

(2)

則由式(1)、式(2)可得:

(3)

最大赫茲接觸應力設定為σmax=1GPa，滾針半徑r1=2.15mm，玻璃平面半徑為r2=，則曲率半徑ρ1=1/2.15mm-1，ρ2=0，則∑ρ=1/2.15mm-1,滾針長度l=15mm，則可得到：

即滾針所受的力為893N，經計算傳遞到加載輪的力為233N，試驗機加載系統采用砝碼杠桿加載形式，杠桿的長度比例為1:8，則所需砝碼重力為18N。

砝碼加載處運用桿秤原理，保證了作用力的方向始終垂直向下。

e) 實驗對象[8,9]

由式(3)可知，當∑ρ增大，即r1減少時，所受力Q減少，故選擇直徑較小的滾針作為實驗對象可減少加載。受相對空間位置及零件受力強度的制約，試驗滾針尺寸最終定為15mm×φ4.3mm，試驗滾針可達到的極限直徑范圍為2.2-7.1mm，考慮接觸干涉等，實際極限直徑范圍為4.3-6mm。在加載輪與試驗滾針之間設計了兩個陪試滾針，目的在于使試驗滾針與玻璃之間的相對運動為純滾動，并可減少由于滾針長度過長引起的偏載。其相對位置關系如圖6所示。

1—人造藍寶石；2—試驗滾針；3—陪試滾針；4—加載輪；5—支撐輪圖6　實現純滾動原理圖

4結語

運用光干涉法,利用人造藍寶石具有與鋼相接近的綜合彈性模量的特點,在低速滾動工況下，研制了一臺可近似模擬大長徑比滾針實際工況的彈流潤滑試驗機，結構簡單、實用性強、容易操作，可對一定直徑范圍內的滾針進行試驗；通過設計阿基米德螺線擴展曲線輪廓的凸輪，實現了滾針在非勻速運動過程中的部分行程段的勻速運動狀態，經運動學仿真證明了其可行性，這一設計彌補了目前線接觸運動工況的研究局限；所設計的試驗機將首次對大長徑比的滾針進行彈流潤滑試驗，并將首次對線接觸勻速運動狀態下的彈流潤滑進行試驗，這將推進彈流潤滑試驗在更廣闊領域的研究，也將有利于推進彈流潤滑理論的進一步發展。

參考文獻:

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Design of Needle Roller Oscillate EHL Test Machine

SONG Wei-na, CHEN Xiao-yang, SUN Diao-chao, WANG Zhi-jian

(College of Electromechanical Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Abstract:According to the condition of low oscillating speed, a test rig which can be used to measure the EHL film of large length-diameter ratio needle roller is designed. This paper introduces its working principle, mechanical structure, optical system, transmission mechanism and loading system. In order to realize uniform motion in the process of non-uniform motion of the needle roller, the special cam profile with the expansion curve of Archimedes spiral is designed, the feasibility of this idea is proved by motion simulation, thereby the measurement function of EHL test rig is amplified.

Keywords:large lengthen-diameter ratio; needle roller; test machine; uniform motion

中圖分類號：TH117.2+1

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0033-03

作者簡介：宋偉娜(1988-)，女，碩士研究生，研究方向：機械設計及機械制造研究。

基金項目：國家“十二五”重點科研資助項目(XXXT-125-GH-148)