脂潤滑滑動軸承拖動特性試驗臺的研制及試驗分析

周健，楊伯原，李俊娟，劉剛強，閆曉凡

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

近年來，對于一些重要領域用滑動軸承拖動性的研究受到越來越多的關注，文獻[1-3]報道了通過理論計算軸承摩擦力矩的方法和結果。欲獲得較為準確的數(shù)據(jù)，則要求在不同載荷、溫度、轉速和潤滑條件下測試軸承的摩擦力矩，以預估軸承的壽命和工作效率，判斷軸承的缺陷和運行狀態(tài)，為設計高可靠性、高效率及高精度軸承提供依據(jù)。但由于滑動軸承大多用于承受徑向載荷，因結構所限，實際采集周向摩擦力時不可避免地會受到徑向載荷的影響，所以測試此類滑動軸承的摩擦力矩非常困難。迄今為止的試驗研究多局限于承受軸向載荷的滾動軸承，而對于承受徑向載荷的滑動軸承，尚未見到能夠準確測量摩擦力的裝置。

下面介紹一種模擬低速、重載工況的工程機械力臂軸套類滑動軸承的試驗裝置。

1 總體方案及要求

1.1 總體設計方案

試驗臺的總體設計方案如圖1所示。要求該試驗裝置能夠準確、實時地測試出滑動軸承在不同載荷、溫度、轉速和潤滑條件下摩擦力的大小和變化。

圖1 試驗臺系統(tǒng)方案示意圖

試驗軸與套之間的靜力學受力分析如圖2所示。其中r為軸半徑；R為套外徑；e為半徑間隙，e=R-r；F為摩擦力；N′為正壓力；N為載荷，mg為軸承室的自重；P為測試力；α為接觸偏角；O為軸心；O′為套中心；C為軸/套接觸點；K為加載點。根據(jù)受力分析，可得靜力學平衡方程為

圖2 軸套靜力學分析圖

∑Fx=0，

Fcosα-P-N′sinα=0 ，

(1)

∑Fy=0，

(N-mg)-N′cosα-Fsinα=0，

(2)

∑Mo=0，

(3)

P由力傳感器測得；N-mg，R，r皆為已知量。聯(lián)立(1)～(3)式，可以求得摩擦力F及正壓力N′。

1.2 技術要求

(1)工作溫度由常溫至235 ℃；(2)試件軸轉速范圍為100～400 r/min；(3)軸套副最大Hertz應力為280 MPa；(4)溫度和速度參數(shù)應可實現(xiàn)無級可調；(5)試驗數(shù)據(jù)能夠實時地通過測試系統(tǒng)輸出，力信號經測試系統(tǒng)最終由計算機界面顯示，并能夠實時予以保存，其他數(shù)據(jù)信號能夠在相應的儀表上顯示；(6)系統(tǒng)穩(wěn)定性好，試驗重復性好。

2 結構設計

2.1 結構組成

試驗臺主要由驅動裝置、加載裝置、溫控系統(tǒng)和滑動軸承室組成。試驗臺結構如圖3所示。

1—砝碼；2—杠桿；3—加熱棒孔；4—試件套；5—支撐套；6—試件軸；7—熱電偶孔；8—力傳感器；9—滾動軸承圖3 試驗臺結構示意圖

(1)驅動裝置。試驗臺的動力由1臺變頻電動機提供，變頻器的變頻范圍為0～100 Hz。通過調節(jié)變頻器的頻率，電動機可實現(xiàn)在75～450 r/min范圍內恒扭矩輸出。

(2)加載裝置。采用杠桿加載，結構為3級杠桿串聯(lián)，每一級杠桿的力放大比例為3∶1，則3級串聯(lián)可以實現(xiàn)27∶1的載荷放大。通過這種結構可以有效地減少加載重量。加載方式為手動砝碼加載，優(yōu)點是沖擊小、結構簡單并且加載穩(wěn)定。

(3)溫控系統(tǒng)。由4根均布的功率為300 W的加熱棒對軸套副加熱。其工作狀態(tài)由PID溫度控制儀控制，使軸套副附近溫度保持在所需的工況范圍內。

(4)滑動軸承室。滑動軸承室是整個試驗臺系統(tǒng)的核心部分，主要由試件軸、試件套和支撐套組成。采用試件套和支撐套分離的結構，是為了便于試件的更換和節(jié)約試驗成本。試件套和支撐套之間為緊配合。加熱元件和熱電偶安裝在支撐套內。

為了減少加載砝碼的重量，又能夠滿足軸套副Hertz應力的要求，除了加載系統(tǒng)采用上述的多級杠桿以外，還將試件軸的實際接觸部位設計成2段狹窄的圓柱面。試件套和支撐套對應位置留有加脂孔，一次性加脂。軸承室結構如圖4所示。

圖4 軸承室結構簡圖

為了減少徑向加載對滑動軸承摩擦力采集的影響，在杠桿的加載終端由1個滾動軸承將載荷沿試件徑向傳遞到支撐套上。軸套副之間產生的摩擦力將使試件套做圓周方向轉動，而與支撐套接觸的剛性力傳感器可阻止轉動，并采集該摩擦力信號。因用于加載的滾動軸承與支撐套之間僅存在滾動的趨勢，且滾動軸承的摩擦系數(shù)要比滑動軸承小1～2個數(shù)量級[4]，所以對滑動軸承摩擦力的影響十分微小，可忽略不計。另外，加載點應設置在與2個圓柱接觸面等距的軸截面上，以保證2個接觸面受力均等。

2.2 電控部分

電控部分主要對試件轉速和工作溫度進行設定、控制和調節(jié)。

(1)采用光電轉速傳感器對試件軸的轉速進行采集并輸出，并由XJP48T數(shù)字顯示儀顯示。改變試件軸的工作轉速時，需要一邊調節(jié)變頻器的頻率來改變電動機的轉速，一邊觀察XJP48T數(shù)字顯示儀所顯示的數(shù)值，直至達到所需的工作轉速。

(2)熱電偶將溫度信號傳輸?shù)絇ID溫度控制儀中。PID模塊將其與預設置的工作溫度值進行比較和分析，然后控制加熱元件的工作狀態(tài)，控制精度為±0.1 ℃，使系統(tǒng)穩(wěn)定在設定的工作溫度。

2.3 數(shù)據(jù)采集和處理部分

工作中軸套副之間的摩擦力以扭矩的形式傳遞到支撐套上，力傳感器與支撐套為剛性接觸，將力信號傳輸?shù)結D-21動態(tài)電阻應變儀。應變儀同時將該信號并行輸出，經數(shù)據(jù)線將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，然后由軟件系統(tǒng)對其進行處理，并在計算機界面上顯示出摩擦力值。

RSS01力傳感器的分辨率為額定載荷的0.1%；數(shù)據(jù)采集卡分辨率為12位，最高采樣頻率為90 kHz。數(shù)據(jù)采集軟件程序用LabVIEW8.2編寫，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、儲存，以及數(shù)據(jù)曲線的實時動態(tài)顯示。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

用上述試驗臺對牌號為129-1983的工程機械用潤滑脂進行試驗。對測得的數(shù)據(jù)進行處理后，繪出不同工況時的變化曲線如圖5～圖7所示。

圖5 定轉速下不同載荷時的拖動系數(shù)-溫度曲線

圖6 定載荷下不同溫度時的拖動系數(shù)-轉速曲線

圖7 定溫度下不同轉速時的拖動系數(shù)-轉速曲線

圖5中的3幅曲線雖然轉速條件不同，但無論從曲線形狀還是拖動系數(shù)值的范圍都十分相似，說明一定范圍內的轉速變化對該接觸副的潤滑狀態(tài)影響很小[5]。從單條曲線走向的劇烈變化可看出溫度的巨大影響。另外，圖中明顯的細節(jié)是：從常溫到135 ℃，高載荷下的拖動系數(shù)明顯高于低載荷下的拖動系數(shù)；而超過135 ℃之后，低載荷下的拖動系數(shù)卻高于高載荷下的拖動系數(shù)。這說明該潤滑脂中的極壓添加劑在高溫高壓下能較好地發(fā)揮作用，而85～135 ℃應是其開始發(fā)揮作用的溫度。同時說明該潤滑脂的稠化劑和基礎油在高溫時的物理和化學性能比較穩(wěn)定，能保持優(yōu)良的潤滑效果。

圖6同樣反映出速度對拖動系數(shù)有極小的影響。但卻看到在不同載荷的情況下溫度對拖動系數(shù)的影響顯著。其規(guī)律是：當溫度由常溫逐漸上升時，拖動系數(shù)急劇上升，到135 ℃時達到最大值；而后溫度繼續(xù)上升，拖動系數(shù)卻稍有降低。這說明該潤滑脂雖然對溫度也較敏感，但具有穩(wěn)定的高溫性能[6]。

圖7十分清楚地顯示出，雖然在不同的溫度下軸套副的拖動系數(shù)值表現(xiàn)出較大的差異，但在任一許用溫度下，只要速度與載荷的變化不超出許用范圍，其拖動系數(shù)具有良好的穩(wěn)定性。而且在135～235 ℃高溫下拖動系數(shù)的穩(wěn)定性更加突出。因此，該潤滑脂具有在常溫時拖動系數(shù)較低，較高溫度時能保持穩(wěn)定拖動系數(shù)的性能，是一種適用于很寬溫度范圍的性能優(yōu)良的潤滑劑。

4 結束語

試驗表明，所設計的試驗臺完全滿足預定的設計要求，具有很好的重復性和穩(wěn)定性，測得的試驗數(shù)據(jù)準確可靠，能夠正確地反映出脂潤滑滑動軸承在不同工況條件下的拖動特性；同時可得到潤滑脂的潤滑性能，在工程應用中具有十分重要的指導意義。