面向新工科的滾動軸承章節實驗分析教學案例

紀佳馨, 吳寶貴, 祁斌飛, 張寶寧, 郭 峰, 李 靜

(1. 中國石油大學(華東) 機電工程學院, 山東 青島 266580；2. 青島理工大學 機械工程學院, 山東 青島 266033)

2017年教育部啟動了“新工科”(emerging engineering education, 3E)發展研究工作，提出我國工程教育的改革需要以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，旨在培養未來多元化、創新型的卓越工程人才[1]，全面提高我國工程教育人才培養質量，通過加快新工科建設，培養出能夠主動面向未來、適應未來的科技人才，適應和引領新經濟的發展[2-3]。針對“機械設計基礎”滾動軸承章節的教學內容，在學習課程經典知識的基礎上，引入現代高速鐵路軸箱軸承磨損性能分析的科研教學手段，使用Fortran語言對軸箱軸承的潤滑特性進行分析，實現了機械設計與信息技術的學科交叉融合；通過引入表面織構對軸承表面形貌進行改進，改善了軸承的潤滑性能[4]，鍛煉了學生的科研能力；通過改進面接觸滾動軸承實驗臺，測量了軸承在急停條件下的摩擦學性能指標，鍛煉了學生的實踐能力。以課程為紐帶，貫通本研培養，將知識工程化、可視化、科研化，實現了新工科的培養理念。

1 滾動軸承研究現狀

滾動軸承是機械設計基礎課程的末尾章節，學習本章之前，學生已經具備了機械設計的基礎知識。在傳統的本章內容學習中，以生活觀察為主，軸承理論知識的介紹較少，實例分析較多，不能很好地理解軸承的作用原理與科技前沿研究內容，但軸承作為基礎的機械零部件，在生產生活中起著重要的作用。

隨著我國鐵路客車向飛速化發展，鐵路列車軸承性能的要求日益增加。高速列車軸箱軸承采用噴油潤滑，潤滑狀態良好，但軸承轉動速度較高，線速度可以達到20 m/s，重載特性明顯，滾子產生一定程度的彈性變形，軸承運行工況較差。在運行全過程中，軸箱軸承處于彈流潤滑狀態，百納米級別的油膜厚度具備一定的承載能力[5-7]。但當列車處于急停工況時，潤滑油膜出現破裂，使潤滑狀態從彈流潤滑變為薄膜潤滑、邊界潤滑甚至干摩擦狀態，引起軸承的摩擦磨損，從而影響使用壽命[8-10]，增加高速列車的運維成本。

本文以急停情況下的高速列車軸箱軸承為研究對象，通過分析急停工況對軸承潤滑油膜厚度與壓力分布的影響，得到急停工況的軸承潤滑特性，通過搭建微型滑塊實驗臺，測量并驗證急停工況下的膜厚與壓力變化規律。為了避免急停工況對軸承使用性能的有害影響，在軸承滾子表面制造微型表面織構，研究所設計的表面織構對潤滑油膜厚度與壓力分布的影響，改善軸承的潤滑性能。

2 急停工況下圓錐滾子軸承潤滑性能仿真分析

在對軸箱軸承潤滑狀態的研究中，高速重載的工況使得軸承接觸區產生較高的接觸應力，造車內圈和滾子較大的彈性變形。因此，首先，利用Hertz接觸理論，建立高速鐵路的軸承潤滑接觸模型；然后，對計算模型潤滑特性所需的Reynolds方程、膜厚方程、變形方程、載荷方程、黏壓方程和密壓方程進行量綱一化與離散化[11]；接著，利用 Newton-Raphson 迭代法和Fortran 語言，對模型進行數值求解，得到膜厚和壓力分布特性；而后，結合急停的工況條件進行潤滑狀態分析，并通過改進現有實驗臺，驗證急停工況下的膜厚與壓力變化特性，得到急停條件對軸承性能的影響預測；最后，在軸承表面加工表面織構，研究加入的織構對軸承潤滑特性的影響規律，得到緩解急停工況下膜厚與壓力分布劇烈變化的方法，保證軸承使用的有效壽命。

我國對于速度為350 km/h的高速列車要求制動距離不大于6 500 m，在緊急制動情況下要保持最低1 m/s2的制動減速度。在本文的仿真中，變化施加載荷，模擬真實情況下因制動減速度而引起的軸承受力增加。在Fortran 程序的編寫中，將變形方程離散化[12]，避免產生奇異點。依據Newton-Raphson 迭代法，利用 Fortran 語言求解線彈性變形問題，采用準穩態分析方法模擬急停過程。在程序中，改變卷吸速度，求得相應速度下的穩態線接觸膜厚與壓力分布，得到近似的急停過程的膜厚與壓力分布規律，如圖1所示。由圖1可知，隨著卷吸速度的降低，膜厚與壓力分布由標準的穩態線接觸彈流潤滑分布狀態，逐步變為徑縮現象模糊，當速度低至1 m/s時，壓力峰完全消失，壓力分布逐漸對稱，膜厚持續降低直至消失，潤滑油全部被擠出接觸區，此時潤滑狀態處于純擠壓狀態。

圖1 壓力與膜厚隨卷吸速度變化的分布圖

圖2為急停過程中,潤滑油最大壓力和最小膜厚隨速度變化的結果。由圖2可知,隨著卷吸速度的降低,油膜厚度逐漸減小,但最小膜厚的位置未發生改變,最大油膜壓力先減小后增大。圖3為接觸區域中心處的膜厚和壓力分布圖。圖3中,油膜厚度的變化趨勢與整體膜厚變化趨勢相同。油膜壓力先減小后增大,當速度在10～5 m/s范圍內變化時,壓力持續減小,當速度小于5 m/s時,壓力變化出現轉折。起初壓力下降是由于卷吸速度的快速變化而導致軸承中潤滑油流失,造成油膜承載能力的下降,隨著制動減速度的增加,軸承承載增加,致使中心處油膜壓力升高,同時潤滑油被擠出潤滑表面,造成油膜厚度降低。

圖2 最大壓力和最小膜厚圖

圖3 中心壓力和膜厚圖

3 急停工況下圓錐滾子軸承潤滑實驗分析

為了驗證仿真分析的結果,對面接觸微型滑塊實驗臺進行改進,將面接觸滑動塊更新為線接觸滾動塊,利用激光干涉原理測量油膜厚度[13]。該系統的優點在于,由于可以對光強變化進行實時采集,因此急停工況下油膜厚度的變化可以進行實時測量,實現速度變化的動態分析。但由于光學元器件的區域測量局限性,因此實驗中采用了將實際軸承模型摩擦磨損參數等比例縮小的研究方法,將載荷變化限定為1～10 N,卷吸速度變化范圍為0～20 mm/s。微型滑塊測量系統如圖4所示,該系統由實驗臺、加載機構、旋轉機構、激光發射器和光源采集器5部分組成。在實驗中,選取滑塊為4 mm×4 mm鋼塊,玻璃盤表面鍍有Cr與SiO2薄膜,實驗溫度為20 ℃,相對濕度為50%。

圖4 微型滑塊測量系統

利用微型滑塊測量系統對不同速度的干涉效果，如圖5所示。當透明光學圓盤的旋轉速度變化時,干涉條紋發生平移,隨著速度的增加,條紋向右側出口區運動。

圖5 不同速度微型滑塊測量系統干涉條紋圖

通過對微型滑塊測量系統測得的干涉條紋數據進行處理,得到膜厚和壓力分布結果如圖6所示。由圖6可知,潤滑油膜厚度隨載荷的減小而增高,隨潤滑油黏度的增大而降低。原因在于,當載荷較大時,Hertz接觸應力較大,油膜的承載量增強,膜厚減小；當潤滑油黏度較大時,油膜承載量變大,膜厚降低。油膜形狀與理論計算結果的趨勢一致,驗證了仿真計算結果的準確性。

實驗部分的研究既鍛煉了學生的動手能力,又能將理論知識具象化,讓學生更加深入、透徹地理解實際工況對軸承使用情況的影響,也為進入研究生階段的科學研究打下了良好的基礎。

4 表面織構對急停工況下圓錐滾子軸承潤滑性能的改進仿真

圖6 膜厚和壓力分布結果

在整個急停過程中,接觸區域中心處,油膜壓力隨轉速的降低呈現先減小后增大的變化趨勢,將造成軸承的摩擦磨損,降低軸承的使用壽命。為了避免這一有害影響,在軸承表面加工表面織構,改善油膜的壓力分布狀態和膜厚的變化趨勢。經研究發現[14-15],凹坑形表面織構較易加工,凹坑的深寬比和密度嚴重影響潤滑油膜的膜厚與壓力分布情況。本文選取在圓錐滾子軸承表面均勻分布的一系列圓形深坑作為表面織構的研究對象,凹坑形狀如圖7所示。弧線PQR為凹坑示意圖,La表示凹坑的外徑,δ為凹坑的深度幅值,θ表示凹坑的弧度,根據簡單幾何關系可得式(1):

(1)

設凹坑分布軸承滾子表面,其分布函數式(2):

δ=δ0(|X|-1)2

(2)

式中,δ0為深坑凹陷幅值,在數值求解程序中不斷增加至出現分區。

圖7 凹坑示意圖

利用Newton-Raphson迭代法,求得的有/無表面織構時油膜厚度與壓力分布隨載荷和速度變化的響應結果如圖8所示。

圖8 有/無表面織構時不同載荷條件下膜厚與壓力分布圖

由圖8可知,無表面織構時,載荷和速度的增加均不會引起壓力與膜厚的顯著變化,但二次壓力峰的峰值隨載荷增加而減小并且右移,頸縮現象后移,膜厚降低。帶有0.2 μm深坑型表面織構時,載荷和速度的增加仍不會引起壓力與膜厚的顯著變化,隨著載荷的增加,原點處(即深坑處)的壓力呈現逐漸減小的趨勢,二次壓力峰的峰值隨之減小并右移,頸縮現象后移,在原點處的膜厚降低；隨著速度的增加,原點處的壓力呈逐漸增加趨勢,二次壓力峰的峰值隨之減小,原點處的膜厚變化趨勢逐漸平緩,但膜厚的數值呈不斷增加趨勢。由此可見,帶有表面織構軸承的壓力分布最明顯的特征是壓力分布在坐標原點處發生顯著減小,在出口區則出現了少許增加,總體分布呈現M形趨勢,這使得圓錐滾子軸承的潤滑性能得到了顯著改善。

為了更好地分析表面織構的作用機理與潤滑效果,將有/無表面織構的壓力、膜厚分布圖進行對比分析,得到圖9所示結果。由圖9可知,有表面織構的壓力分布呈現先增加后減小最后再增加的變化趨勢,其壓力分布在原點處減小至無表面織構壓力值的40%,且壓力分布整體呈現顯著的M形變化趨勢,二次壓力峰增加并后移。帶有深坑型表面織構的膜厚將大于不帶有表面織構的膜厚,其膜厚分布在原點處的增加幅度為無表面織構膜厚的5%。由此可得,本文所提出的圓形深坑的表面織構形狀有助于提高圓錐滾子軸承的承載能力,克服急停工況帶來的潤滑性能降低的缺陷,提高接觸區壽命。

圖9 膜厚與壓力分布對比圖

5 結語

針對“新工科”建設的人才培養目標,以“機械設計基礎”課程中“滾動軸承”章節的教學為載體,在學習經典知識的基礎上,引入現代高速鐵路軸箱軸承磨損性能分析的科研教學手段,實現了學科交叉融合的教學方式,增強了學生的實驗實踐能力,貫通本研培養,將知識工程化、可視化、科研化,實現了新工科的培養理念。使用Fortran語言對軸箱軸承的潤滑特性進行分析,得到急停工況造成潤滑性能變差的結論,實現了機械設計與計算機語言的學科交叉融合。通過改進面接觸滾動軸承實驗臺,測得了與仿真趨勢相吻合的實驗結果,鍛煉了學生的實踐能力,將理論知識具象化。在圓錐滾子軸承表面構建一系列圓坑形表面織構,避免了急停工況對高速列車軸承使用壽命的影響,提高了學生分析問題、解決問題的能力。綜上,以課程為載體,通過改革滾動軸承章節的教學內容與方法,實現了“新工科”建設的課程軟著陸,為課程教學改革提供了一定思路。

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