滾針擺動(dòng)彈流潤滑試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)

宋偉娜，陳曉陽，孫殿超，王志堅(jiān)

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

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滾針擺動(dòng)彈流潤滑試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)

宋偉娜，陳曉陽，孫殿超，王志堅(jiān)

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

摘要：針對低速擺動(dòng)工況，設(shè)計(jì)了一種可測量大長徑比滾針彈流潤滑油膜的試驗(yàn)機(jī)。介紹了試驗(yàn)機(jī)的工作原理及其機(jī)械結(jié)構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為在滾針非勻速運(yùn)動(dòng)過程中的部分行程段實(shí)現(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，特設(shè)計(jì)了阿基米德螺線擴(kuò)展曲線的凸輪輪廓，并經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真證明了該想法的可行性，從而擴(kuò)大了試驗(yàn)機(jī)的測量功能。

關(guān)鍵詞：大長徑比；滾針；試驗(yàn)機(jī)；勻速運(yùn)動(dòng)

0引言

有限長線接觸是彈性流體動(dòng)力潤滑學(xué)科的一部分，開發(fā)可行的線接觸試驗(yàn)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(diǎn),這是其與常規(guī)滾子的主要區(qū)別,這一特點(diǎn)決定了滾針運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更易發(fā)生偏斜。滾針潤滑表面所處的工況條件不斷變化必然會(huì)引起油膜的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，進(jìn)而使得油膜的接觸應(yīng)力分布和油膜形狀等特性不同，而目前還未看到相關(guān)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(yàn)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(yàn)機(jī)所用透明材料的機(jī)械性能與金屬材料相差甚遠(yuǎn)，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(shí)際工況時(shí)的載荷，所以很難用于模擬實(shí)際的機(jī)械零件的情況。試驗(yàn)機(jī)采用人造藍(lán)寶石作為試驗(yàn)中的透明材料，由于人造藍(lán)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(yàn)在接近實(shí)際工況特別是接近實(shí)際的高接觸應(yīng)力下進(jìn)行，使得所測結(jié)果更接近實(shí)際。

1試驗(yàn)原理[2]

光彈流系統(tǒng)有四種介質(zhì)：玻璃、鉻膜、油膜、滾針。光干涉試驗(yàn)原理圖如圖1所示。

圖1　光干涉試驗(yàn)原理圖

根據(jù)波動(dòng)光學(xué)理論，當(dāng)兩束相干光在某一位置相遇時(shí)會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。在光干涉系統(tǒng)中，當(dāng)光束入射時(shí)，一部分光在鉻膜表面發(fā)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(fā)生反射而形成光束2，兩束光由于光程不同將產(chǎn)生干涉形成干涉圖像。

當(dāng)入射光為單色光，入射方向垂直于平面玻璃表面，假設(shè)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(zhì)到光密介質(zhì)并在光密介質(zhì)面反射，進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)產(chǎn)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(dòng)體與玻璃完全接觸時(shí)，k0=0，為暗區(qū)；此時(shí)，第一個(gè)亮條紋處，k0=1，由上述公式算得膜厚；第一個(gè)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(dòng)光學(xué)理論知，當(dāng)光束1與光束2的光強(qiáng)相等時(shí)，干涉條紋最清晰。所鍍鉻膜的作用就是調(diào)節(jié)光束1與光束2之間光強(qiáng)的比例。

2試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

a) 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)[5]

圖2給出了所設(shè)計(jì)試驗(yàn)機(jī)的原理圖。

1—砝碼；2—人造藍(lán)寶石；3—試驗(yàn)滾針；4—CCD；5—顯微鏡；6—反射鏡；7—光源；8—凸輪；9—電動(dòng)機(jī)圖2　試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

砝碼1用來對試驗(yàn)進(jìn)行加載，載荷經(jīng)杠桿機(jī)構(gòu)放大后經(jīng)加載輪作用于試驗(yàn)滾針；人造藍(lán)寶石2、試驗(yàn)滾針3、CCD4、顯微鏡5、反射鏡6及光源7組成光學(xué)系統(tǒng)；凸輪8及電機(jī)9組成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪運(yùn)動(dòng)，凸輪運(yùn)動(dòng)經(jīng)連桿滑塊傳動(dòng)后最終帶動(dòng)試驗(yàn)滾針做往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

試驗(yàn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)照片如圖3所示。

圖3　試驗(yàn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)照片

b) 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]

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

由冷光源發(fā)射的平行光束經(jīng)窄帶濾光片濾光后成為中心波長為600nm的準(zhǔn)單色光束，然后射到顯微鏡下的反射鏡上，一部分光折轉(zhuǎn)方向垂直向下透過人造藍(lán)寶石，此部分光又分成兩部分：1) 透過人造藍(lán)寶石下表面的鉻膜照射到試驗(yàn)滾針3表面上發(fā)生反射；2)直接在鉻膜表面發(fā)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(dòng)態(tài)圖像傳輸?shù)诫娔X顯示器上進(jìn)行觀察、處理及分析。

c)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)機(jī)選用180W的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪帶動(dòng)滑塊做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)玻璃材料做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，在玻璃材料的帶動(dòng)下，滾針做往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

為了模擬滾針在勻速運(yùn)動(dòng)下的彈流潤滑現(xiàn)象，設(shè)計(jì)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(nèi)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(dòng)玻璃運(yùn)動(dòng)所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)可近似為勻加速直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)試驗(yàn)滾針做近似勻加速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；θ2=85°及θ4=85°的角度內(nèi)為對稱的阿基米德螺線擴(kuò)展曲線，設(shè)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(dòng)玻璃運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)勻速直線運(yùn)動(dòng)形式，進(jìn)而帶動(dòng)試驗(yàn)滾針實(shí)現(xiàn)勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

設(shè)驅(qū)動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為ω，時(shí)間為t，則玻璃材料勻速運(yùn)動(dòng)段位移s計(jì)算公式為:

s=Δρ=40Δθ=40ωt

則速度計(jì)算公式為：

加速度計(jì)算公式為：

由上述公式可知玻璃材料實(shí)現(xiàn)了勻速運(yùn)動(dòng)，滾針在勻速運(yùn)動(dòng)的玻璃材料帶動(dòng)下做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

阿基米德螺線擴(kuò)展曲線的原型為ρ=kθ+b，通過改變k、b的值可改變勻速運(yùn)動(dòng)的速度及行程。

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

圖5　玻璃運(yùn)動(dòng)規(guī)律仿真

由圖可見，所設(shè)計(jì)凸輪使玻璃材料實(shí)現(xiàn)了勻速運(yùn)動(dòng)。

d)加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

線接觸最大應(yīng)力計(jì)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(yīng)力設(shè)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?biāo)艿牧?93N，經(jīng)計(jì)算傳遞到加載輪的力為233N，試驗(yàn)機(jī)加載系統(tǒng)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(yùn)用桿秤原理，保證了作用力的方向始終垂直向下。

e) 實(shí)驗(yàn)對象[8,9]

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

1—人造藍(lán)寶石；2—試驗(yàn)滾針；3—陪試滾針；4—加載輪；5—支撐輪圖6　實(shí)現(xiàn)純滾動(dòng)原理圖

4結(jié)語

運(yùn)用光干涉法,利用人造藍(lán)寶石具有與鋼相接近的綜合彈性模量的特點(diǎn),在低速滾動(dòng)工況下，研制了一臺可近似模擬大長徑比滾針實(shí)際工況的彈流潤滑試驗(yàn)機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用性強(qiáng)、容易操作，可對一定直徑范圍內(nèi)的滾針進(jìn)行試驗(yàn)；通過設(shè)計(jì)阿基米德螺線擴(kuò)展曲線輪廓的凸輪，實(shí)現(xiàn)了滾針在非勻速運(yùn)動(dòng)過程中的部分行程段的勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真證明了其可行性，這一設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了目前線接觸運(yùn)動(dòng)工況的研究局限；所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)將首次對大長徑比的滾針進(jìn)行彈流潤滑試驗(yàn)，并將首次對線接觸勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的彈流潤滑進(jìn)行試驗(yàn)，這將推進(jìn)彈流潤滑試驗(yàn)在更廣闊領(lǐng)域的研究，也將有利于推進(jìn)彈流潤滑理論的進(jìn)一步發(fā)展。

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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(xiàn)標(biāo)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(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)械制造研究。

基金項(xiàng)目：國家“十二五”重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目(XXXT-125-GH-148)