滾子圓環接觸式光彈流試驗裝置的設計及初步實驗研究*

(1.常州大學機械工程學院 江蘇常州 213164;2.常州光洋軸承股份有限公司 江蘇常州 213125;3.常州大學懷德學院 江蘇靖江 214513)

隨著《制造2025》計劃的推進，以滾動軸承、齒輪為典型關鍵零部件的性能成為國內高速、重載領域發展的瓶頸。作為其支撐的基礎理論滾子摩擦副線接觸彈流，受到越來越多的學者關注。KUSHWAHA[1]、PANOVKO[2]、LIU[3]等對滾子摩擦副偏轉角問題進行了研究，研究結果表明，隨著偏轉角的增大，最小油膜厚度降低，大徑比滾子對于偏斜更為敏感。

近年來國內外關于有限長線接觸彈流潤滑理論方面的研究明顯增多[4-9]，但是試驗研究還較少。王鵬等人[10]根據光干涉原理在自制的圓盤試驗臺上測量了滾子副急停過程的彈流油膜變化，討論了載荷對油膜厚度的影響。WANG等[11]利用多點線接觸光彈流試驗機研究了工況條件對乏油的影響。但是上述試驗均是模擬推力軸承的，不能真實反映徑向圓柱滾子軸承的成膜特性，因為推力式的球盤試驗機在高速運轉時，由于離心力的作用潤滑油會往外遷移，與實際徑向軸承的潤滑狀態不相符。因此，有必要研發圓環式的光彈流試驗機。近期，WANG等[12]開發了球-圓環光彈流試驗機，線速度可達50 m/s以上，證明了圓環式光彈流試驗機的可行性。但是對于線接觸的圓環式光彈流試驗機還未建立，因此本文作者在課題組的研究基礎上[13-14]，搭建了滾子圓環接觸式光彈流試驗平臺，為高速、重載下滾子接觸副彈流潤滑的研究提供了實驗數據。

1 旋轉式試驗裝置

1.1 機械傳動部分

根據波動光學原理，綜合考慮各個方面的影響因素以及借鑒經典的光彈流試驗裝置，研發了滾子-圓環接觸式光彈流潤滑油膜測量試驗臺。需要指出的是試驗機應能承受重載荷,才可有效觀測滾子摩擦副端部的“邊緣效應”[15]；并且在實際工程應用中，高速易引起振動導致干涉圖像不清晰，因此試驗機需提高精度，控制圓環的徑向跳動。圖1給出了設計的原理圖，主要由機械部分(砝碼、杠桿、圓環玻璃、連軸器、伺服電動機、加載機構等)、圖像采集系統(圖像采集、CCD顯微鏡、冷光源等)以及試驗滾子組成。

圖1 實驗裝置原理圖Fig 1 Schematic diagram of experimental rig (a) general schematic diagram of experimental rig;(b)ring glass

實驗裝置中將經典試驗機的透明玻璃由圓盤或長條形改成石英玻璃圓環，環的一端鑲嵌在軸承套中并通過銷連接以實現圓周運動，從而將原試驗機的水平旋轉運動或往復水平直線運動變為垂直旋轉。圓柱試驗滾子置于石英玻璃環的內徑表面上，通過PLC對伺服電動機的控制，玻璃圓環可以實現勻速、變速、急停等多種運動工況。

加載機構由2個杠桿組成的杠桿機構完成加載，杠桿的加載端是由多個小軸承串聯后，在其外面加上軸套形成2個細長的軸承與滾子直接接觸，這樣能保證實驗滾子實現純滾動。而在杠桿的另一端由托盤和掛鉤連接，上面放加載砝碼片。為了能獲得足夠大的載荷，杠桿加載比例設計成1∶8。

1.2 光學與圖像采集系統

實驗裝置采用的透明材料是石英玻璃，圓環外徑240 mm、內徑200 mm，內表面鍍有鉻膜、反射率n<20%、透過率φ<60%；實驗光源為氙氣冷光源，通過一個中心波長為 600 nm的窄帶濾光片；顯微鏡是 MZDH1065TC 型高倍率連續變倍單筒視頻顯微鏡，具有高倍率、高分辨率的特點，可同時進行視頻顯示和目視觀察，使用光纖同軸照明，工作距離 82 mm，變倍主體連續變倍范圍 1X～6.5X，目視放大倍率10X～20X，顯微鏡一端安裝普通CCD，獲取潤滑油膜變化的視頻。

2 實驗

2.1 實驗條件

實驗試件為圓柱滾子，直徑為10 mm，全長為10.5 mm。為了能夠獲得好的干涉圖像，滾子表面經手工拋光。實驗在常溫下進行((20±1)℃范圍內)，可認為是等溫條件下。實驗裝置全貌如圖2(a)所示。圖2(b)所示為其關鍵部件(石英玻璃圓環)及安裝圖。

圖2 實驗裝置Fig 2 Photo of experimental rig (a)panorama of experimental rig;(b)ring glass and installation drawings

實驗采用的潤滑劑為高分子聚合物聚異丁烯(PB1300)，表1給出其特性指標。

表1 潤滑劑的特性Table 1 Properties of lubricant

2.2 滾子動態實驗結果

實驗采用了2種載荷，分別為560和1 600 N，對應的最大接觸應力分別為0.58和0.75 GPa。實驗分析了4種不同卷吸速度下的油膜干涉圖，速度分別為17.5、20、22.5、25 mm/s。

圖3所示為載荷560 N下不同速度的油膜干涉圖像，可見出口區有明顯的頸縮現象。當滾子卷吸速度較低(ve= 12.5～17.5 m/s)時，可以明顯觀測到滾子平坦接觸區，且因滾子制造誤差而呈橢圓狀；而卷吸速度較高(ve= 22.5～25.0 m/s)時，平坦接觸區卻難以觀測。另外，由于載荷較輕，從4個圖中都不能觀測到滾子端部的“邊緣效應”，端部油膜較厚，且隨著卷吸速度的增加，滾子端部的油膜厚度亦增加，滾子端部的“邊緣效應”消失，滾子中部接觸區變窄。

圖3 動態實驗干涉圖像(W=560 N)Fig 3 Interferogram in motion state(W=560 N)

圖4所示為載荷1 600 N下不同速度時的油膜干涉圖像，可以看出：無論滾子卷吸速度較低，還是較高時，都可以明顯觀測到滾子較大的平坦接觸區。另外存在一個較為明顯的特征，在各種速度情況下，滾子端部都具有清晰的馬蹄形，即“邊緣效應”較為顯現。滾子中部和端部出現了不同的油膜形狀，滾子端部的油膜厚度要小于滾子的中部，且位于出口一側。此外，圖4與圖3也有著較大的差異，因為載荷的不同，滾子與接觸面因相互擠壓而產生的彈性形變量不同，重載下(W=1 600 N、p=0.75 GPa)滾子的彈性形變一直延伸到滾子端部，而輕載(W=560 N、p=0.58 GPa)下，滾子在軸向和徑向上都有均勻的延伸，油膜干涉圖像有時呈長方形狀有時呈橢圓狀(滾子制造誤差導致)，端部效應均存在。但同等速度下，輕載下的平坦區油膜厚度比重載時厚，出口區頸縮現象亦比重載時明顯。實驗結果表明：載荷及速度對油膜形狀和厚度十分敏感，滾子公差(尺寸公差、形狀和位置公差)則會導致油膜變化劇烈。

圖4 動態實驗干涉圖像(W=1 600 N)Fig 4 Interferogram in motion state(W=1 600 N)

3 結論及展望

(1)利用搭建的滾子-圓環接觸式光彈流試驗機研究了滾子在不同載荷與速度下的彈流特性。結果表明：在純滾動狀態下，隨著速度的增加，滾子出口區的油膜頸縮現象越來越明顯，頸縮寬度也明顯變寬;當卷吸速度較高時，因滾子誤差引起的振動會導致油膜出現波動。因此，滾子圓環接觸式光彈流試驗機能夠為滾子摩擦副彈流潤滑研究提供清晰的光干涉圖像，后續可以為滾子輪廓的優化設計提供可靠的實驗數據。

(2)在研究有限長線接觸彈流潤滑的問題時，不僅要考慮實驗裝置的精度，還要考慮試驗滾子自身的精度，包括滾子的尺寸精度、形狀位置精度和表面粗糙度。

(3)旋轉式實驗裝置若采用圓柱滾子作為試驗滾子，滾子兩端直徑一致，因此工作平穩，易實現高速，實驗裝置和試驗滾子的精度越高，試驗時的速度也可以越高；而采用圓錐滾子作為試驗滾子時，滾子兩端大小、直徑不相等，滾子轉動角速度相等，線速度不相等，難以協調，高速下易振動，設計實驗裝置時應考慮到這一問題。

(4)設計的實驗裝置只考慮了滾子卷吸速度變化情況下的等溫彈流工況，變溫變載等多種復雜工況的實驗裝置有待開發；另外，實驗僅僅對一種特殊運動的工況進行了研究，更多運動狀態下的研究有待下一步進行。