推力滾子軸承光干涉潤(rùn)滑油膜測(cè)試系統(tǒng)

鮑建辰，劉成龍，栗心明，郭峰，王建

(1.青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266520；2.泰安海納軸研科技有限公司，山東 泰安 271000)

滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑特性影響其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和壽命[1-3]，大多數(shù)的軸承損壞與潤(rùn)滑不良緊密相關(guān)，而潤(rùn)滑油膜厚度是表征軸承運(yùn)行狀況最直接的參數(shù)。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)不同工況下的潤(rùn)滑油膜厚度進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量和理論分析。文獻(xiàn)[4]提出以玻璃盤代替軸承套圈形成多點(diǎn)球-盤接觸裝置，但是可操作性較差且圖片分辨率低；文獻(xiàn)[5]改進(jìn)并設(shè)計(jì)了以螺栓為加載方式的多點(diǎn)球-盤測(cè)試裝置，但由于存在螺紋角而形成偏載，影響試驗(yàn)結(jié)果且測(cè)量效果較差；文獻(xiàn)[6]通過改變保持架的間隙，在球-盤接觸光干涉油膜測(cè)量中研究了鋼球與保持架之間間隙對(duì)潤(rùn)滑特性的影響；文獻(xiàn)[7]研究了實(shí)際工況中運(yùn)行軸承的乏油現(xiàn)象；文獻(xiàn)[8]通過光干涉法初步研究了速度及載荷對(duì)軸承油膜厚度和形狀的影響；文獻(xiàn)[9]利用滾子與套圈間接觸的彈流潤(rùn)滑數(shù)學(xué)模型，針對(duì)擺動(dòng)工況下滾子副的潤(rùn)滑性能進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析。

上述研究大都采用球-盤單點(diǎn)接觸方式，這種模擬方式無(wú)法準(zhǔn)確獲取實(shí)際工況下的潤(rùn)滑信息。為此，文獻(xiàn)[10]在上述研究基礎(chǔ)上改進(jìn)了多點(diǎn)接觸球-盤裝置，但無(wú)法保證玻璃盤端面與任意球均勻接觸;文獻(xiàn)[11]針對(duì)推力球軸承，通過鋼球組方位角的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不同的鋼球承載狀態(tài)，在偏載工況下對(duì)運(yùn)動(dòng)鋼球的潤(rùn)滑膜厚和轉(zhuǎn)速進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[12]則在該裝置上分析了低速、均勻承載條件下推力球軸承波紋度和打滑率對(duì)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)潤(rùn)滑狀態(tài)的影響，但由于原有系統(tǒng)剛性較差，引起的系統(tǒng)誤差較大，且玻璃盤較小導(dǎo)致操作性較差，應(yīng)用存在局限性。

綜上所述，為克服已有測(cè)量裝置的技術(shù)缺陷，通過平行并聯(lián)調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)了滾子與玻璃盤的接觸均勻性，并增強(qiáng)了系統(tǒng)整體剛性以抑制系統(tǒng)的端跳和誤差。采用該裝置對(duì)推力滾子軸承線接觸潤(rùn)滑油膜進(jìn)行了初步測(cè)量，分析了運(yùn)行工況對(duì)推力滾子軸承膜厚的影響。

1 測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括軸承驅(qū)動(dòng)單元、加載單元、軸向跳動(dòng)調(diào)節(jié)單元、光學(xué)測(cè)量單元和機(jī)架機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)采用靜止的玻璃盤代替滾動(dòng)軸承座圈，與旋轉(zhuǎn)的滾子組成了高副接觸，如圖2所示。

圖1 推力滾子軸承油膜測(cè)量系統(tǒng)

圖2 滾子組-盤接觸示意圖

1.1 軸承驅(qū)動(dòng)單元

軸承驅(qū)動(dòng)單元如圖3所示，電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與主軸連接，主軸與軸承夾具之間采用緊配合，通過調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)夾具上座圈的水平度，主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)軸承座圈與主軸一同運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滾子運(yùn)動(dòng)。

圖3 軸承驅(qū)動(dòng)單元

1.2 加載單元

加載單元主要包括加載杠桿、加載螺栓和平衡彈簧。加載杠桿前端通過軸向跳動(dòng)調(diào)節(jié)單元與玻璃盤連接，杠桿支座固定在試驗(yàn)臺(tái)架上，加載杠桿后端設(shè)計(jì)有平衡彈簧，試驗(yàn)中用來平衡加載杠桿自身質(zhì)量。

1.3 軸向跳動(dòng)調(diào)節(jié)單元(滾子組姿態(tài)角的調(diào)節(jié))

軸向跳動(dòng)調(diào)節(jié)單元用于調(diào)整玻璃盤的端面跳動(dòng)及與滾子的均勻性接觸，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。玻璃盤通過十字萬(wàn)向節(jié)與加載杠桿連接，并與8個(gè)調(diào)節(jié)螺釘組成平行并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可以調(diào)整玻璃盤的姿態(tài)角，使之與圓柱滾子均勻接觸從而實(shí)現(xiàn)均勻加載。加載板通過加載彈簧實(shí)現(xiàn)柔性加載并進(jìn)行軸向調(diào)節(jié)。

圖4 軸向跳動(dòng)調(diào)節(jié)單元

加載后，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的滾子滾過被觀測(cè)接觸區(qū)時(shí)，2個(gè)CCD實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像采集并通過軟件進(jìn)行分析對(duì)比。由于圖像較大的一端載荷大，可調(diào)節(jié)相對(duì)應(yīng)一端的螺釘使玻璃盤均勻受載，繼續(xù)上一步測(cè)量，當(dāng)2次試驗(yàn)圖像大小一致時(shí)，變換采集位置繼續(xù)測(cè)量，直到每個(gè)干涉圖像大小都相等時(shí)即可實(shí)現(xiàn)均勻加載。

1.4 光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)圖像采集系統(tǒng)如圖5所示，主要由紅綠雙色光源、顯微鏡、圖像采集卡及計(jì)算機(jī)圖像處理軟件組成。測(cè)量原理為：首先，采用紅綠雙色激光作為入射光源，在滾子與玻璃盤接觸處形成干涉圖像；然后，經(jīng)顯微鏡放大干涉圖像并由CCD高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集(最高幀頻為10 000 FPS)；最后，通過圖像采集卡和圖像處理軟件在計(jì)算機(jī)上顯示干涉圖像。光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)可以觀察并采集滾子的運(yùn)轉(zhuǎn)過程，通過DIIM軟件[13]計(jì)算出油膜厚度。

圖5 光學(xué)測(cè)量單元

2 試驗(yàn)測(cè)量

在不同載荷條件下，采用該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)滾子與玻璃圓盤形成的多點(diǎn)線接觸油膜的形狀和厚度進(jìn)行初步測(cè)量。

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用的透明圓盤為K9玻璃盤，為實(shí)現(xiàn)紅綠雙色光干涉測(cè)量，玻璃盤表面加鍍鉻膜和二氧化硅膜，控制反射率約為20%，表面粗糙度Ra值為4 nm。使用FAG81126系列推力滾子軸承，外徑170 mm，高度11 mm，滾子直徑12 mm，素線長(zhǎng)12 mm。試驗(yàn)時(shí)用玻璃盤代替軸承座圈，并調(diào)整8根螺釘使每個(gè)滾子都與玻璃盤均勻接觸，實(shí)現(xiàn)均勻加載。試驗(yàn)的環(huán)境溫度為(23±1) ℃，相對(duì)濕度為(50±5)%。試驗(yàn)用潤(rùn)滑油為PB1300，其特性見表1。測(cè)量單位長(zhǎng)度載荷w為3.3～10.5 N/mm，卷吸速度u(距離軸承軸心150 mm的速度)為0～20 mm/s。

表1 試驗(yàn)用潤(rùn)滑油的特性

為避免用量過少造成乏油現(xiàn)象，經(jīng)多次測(cè)量后確定本次試驗(yàn)中潤(rùn)滑油用量為2 mL。需要指出的是，與傳統(tǒng)光干涉潤(rùn)滑油膜定點(diǎn)測(cè)量不同，本測(cè)量系統(tǒng)中滾子動(dòng)態(tài)經(jīng)過觀察區(qū)的過程中，圖像采集位置與滾動(dòng)速度和滾子間距有關(guān)。為了捕獲觀察區(qū)域內(nèi)的動(dòng)態(tài)圖像，采用高速攝像機(jī)(OLYMPUS i-SPEED TR)記錄一系列油膜干涉圖，處于左中右3個(gè)位置的干涉圖略有差別，試驗(yàn)中選定視場(chǎng)中心處的干涉圖為最佳位置來反算膜厚。

另外，由于試驗(yàn)用的滾子較長(zhǎng)，處于不同位置的膜厚存在較大差別，這主要是由于卷吸速度沿滾子位置不同所致，同時(shí)與滾子的形狀(凸度、修形)密切相關(guān)。為了表征膜厚的差別，將滾子干涉圖像均分為3個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行油膜厚度測(cè)量，如圖6所示(w=3.3 N/mm)。具體操作為：用標(biāo)定塊標(biāo)定A，B，C區(qū)域的3點(diǎn)像素值，通過計(jì)算得到3點(diǎn)之間的距離。例如：給定卷吸速度u=2.4 mm/s，通過標(biāo)定各點(diǎn)到軸心的實(shí)際距離，進(jìn)而可計(jì)算出各點(diǎn)實(shí)際速度為uA= 2.16 mm/s,uB= 2.22 mm/s，uC= 2.28 mm/s。

圖6 滾子干涉圖像及采集區(qū)域

2.2 結(jié)果與討論

不同單位長(zhǎng)度載荷w和卷吸速度u下滾子進(jìn)入觀察區(qū)的油膜干涉圖像如圖7所示，圖中干涉圖像右側(cè)為潤(rùn)滑油入口方向，左側(cè)為出口方向。可以看出：載荷對(duì)潤(rùn)滑油膜厚度h的影響非常明顯。在w=3.3 N/mm條件下，潤(rùn)滑油膜隨速度的變化并未呈現(xiàn)出帶有出口頸縮的典型彈流特征，這是由于較低的載荷引起的接觸副彈性變形較小，此時(shí)潤(rùn)滑油膜以動(dòng)壓潤(rùn)滑機(jī)理為主。在w=7.5 N/mm和w=10.5 N/mm條件下，彈性變形使接觸區(qū)明顯變寬，進(jìn)而隨速度增加呈現(xiàn)出了典型的彈流油膜特征；當(dāng)速度進(jìn)一步增加時(shí)，彈性變形消失，潤(rùn)滑狀態(tài)向動(dòng)壓潤(rùn)滑轉(zhuǎn)化。

圖7 不同載荷下推力滾子軸承的滾子干涉圖像

給定u=2.22 mm/s時(shí)，w=3.3 N/mm和w=10.5N/mm工況下不同位置的油膜形狀如圖8所示。圖中A，B，C分別代表了圖6中3個(gè)區(qū)域內(nèi)的油膜厚度h，載荷較小時(shí)，油膜彈流特征不明顯，而載荷較大時(shí)呈現(xiàn)出口頸縮特征。w=3.3 N/mm條件下不同位置膜厚隨速度變化的曲線如圖9所示。由圖8和圖9可以看出：接觸區(qū)A處的油膜厚度大于B處和C處的油膜厚度，這是因?yàn)闈L子端部進(jìn)行了修形，且滾子中間位置存在一定凸度。真實(shí)軸承滾子表面的波紋度和端部修形等可以通過對(duì)軸承的成膜等特性分析進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖8 不同位置油膜厚度曲線

圖9 固定載荷條件下膜厚速度曲線

不同載荷工況下，推力滾子軸承的油膜厚度隨速度的變化曲線如圖10所示。從圖中可以看出：隨著速度的增大，油膜厚度呈線性增加趨勢(shì)。而隨著載荷增加，膜厚隨速度變化趨勢(shì)變緩，彈流特征明顯。

圖10 不同載荷工況下膜厚速度曲線

通過數(shù)值方法對(duì)相同工況下線接觸油膜厚度進(jìn)行了模擬，對(duì)比了不同速度下推力滾子軸承油膜厚度的計(jì)算值與試驗(yàn)值，膜厚隨速度變化的曲線如圖11所示。從圖中可以看出：潤(rùn)滑狀態(tài)處于彈流狀態(tài)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果吻合性較好，且試驗(yàn)結(jié)果與Hamrock-Dowson的等溫點(diǎn)接觸彈流潤(rùn)滑中心膜厚公式的計(jì)算結(jié)果一致[13]。

圖11 油膜厚度理論計(jì)算與試驗(yàn)擬合曲線

3 結(jié)論

開發(fā)了推力滾子軸承光干涉潤(rùn)滑油膜測(cè)試系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)完成了不同載荷下推力滾子軸承油膜特性的初步測(cè)量，得出以下結(jié)論：

1)單位載荷增大，膜厚降低，膜厚的彈流特征更加明顯；同一載荷固定位置下，速度越大，油膜厚度越大；

2)同一載荷不同位置處，由于滾子端部修形及中部凸度的存在，兩端膜厚大于中心膜厚；

3)該測(cè)量系統(tǒng)可成功用于推力滾子軸承潤(rùn)滑油特征的動(dòng)態(tài)測(cè)試。