推力滾子軸承光干涉潤滑油膜測試系統

鮑建辰，劉成龍，栗心明，郭峰，王建

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

滾動軸承的潤滑特性影響其實際運行狀態和壽命[1-3]，大多數的軸承損壞與潤滑不良緊密相關，而潤滑油膜厚度是表征軸承運行狀況最直接的參數。國內外研究人員對不同工況下的潤滑油膜厚度進行了試驗測量和理論分析。文獻[4]提出以玻璃盤代替軸承套圈形成多點球-盤接觸裝置，但是可操作性較差且圖片分辨率低；文獻[5]改進并設計了以螺栓為加載方式的多點球-盤測試裝置，但由于存在螺紋角而形成偏載，影響試驗結果且測量效果較差；文獻[6]通過改變保持架的間隙，在球-盤接觸光干涉油膜測量中研究了鋼球與保持架之間間隙對潤滑特性的影響；文獻[7]研究了實際工況中運行軸承的乏油現象；文獻[8]通過光干涉法初步研究了速度及載荷對軸承油膜厚度和形狀的影響；文獻[9]利用滾子與套圈間接觸的彈流潤滑數學模型，針對擺動工況下滾子副的潤滑性能進行了系統的理論分析。

上述研究大都采用球-盤單點接觸方式，這種模擬方式無法準確獲取實際工況下的潤滑信息。為此，文獻[10]在上述研究基礎上改進了多點接觸球-盤裝置，但無法保證玻璃盤端面與任意球均勻接觸;文獻[11]針對推力球軸承，通過鋼球組方位角的調節實現不同的鋼球承載狀態，在偏載工況下對運動鋼球的潤滑膜厚和轉速進行了研究；文獻[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軸承運轉時潤滑狀態的影響，但由于原有系統剛性較差，引起的系統誤差較大，且玻璃盤較小導致操作性較差，應用存在局限性。

綜上所述，為克服已有測量裝置的技術缺陷，通過平行并聯調節裝置實現了滾子與玻璃盤的接觸均勻性，并增強了系統整體剛性以抑制系統的端跳和誤差。采用該裝置對推力滾子軸承線接觸潤滑油膜進行了初步測量，分析了運行工況對推力滾子軸承膜厚的影響。

1 測量系統的機械結構

測量系統的機械結構如圖1所示。主要包括軸承驅動單元、加載單元、軸向跳動調節單元、光學測量單元和機架機構。該系統采用靜止的玻璃盤代替滾動軸承座圈，與旋轉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量系統

圖2 滾子組-盤接觸示意圖

1.1 軸承驅動單元

軸承驅動單元如圖3所示，電動機通過聯軸器與主軸連接，主軸與軸承夾具之間采用緊配合，通過調節螺釘調節夾具上座圈的水平度，主軸旋轉時軸承座圈與主軸一同運轉，帶動滾子運動。

圖3 軸承驅動單元

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調節單元與玻璃盤連接，杠桿支座固定在試驗臺架上，加載杠桿后端設計有平衡彈簧，試驗中用來平衡加載杠桿自身質量。

1.3 軸向跳動調節單元(滾子組姿態角的調節)

軸向跳動調節單元用于調整玻璃盤的端面跳動及與滾子的均勻性接觸，其結構如圖4所示。玻璃盤通過十字萬向節與加載杠桿連接，并與8個調節螺釘組成平行并聯機構，可以調整玻璃盤的姿態角，使之與圓柱滾子均勻接觸從而實現均勻加載。加載板通過加載彈簧實現柔性加載并進行軸向調節。

圖4 軸向跳動調節單元

加載后，當運動的滾子滾過被觀測接觸區時，2個CCD實時進行圖像采集并通過軟件進行分析對比。由于圖像較大的一端載荷大，可調節相對應一端的螺釘使玻璃盤均勻受載，繼續上一步測量，當2次試驗圖像大小一致時，變換采集位置繼續測量，直到每個干涉圖像大小都相等時即可實現均勻加載。

1.4 光學系統

光學圖像采集系統如圖5所示，主要由紅綠雙色光源、顯微鏡、圖像采集卡及計算機圖像處理軟件組成。測量原理為：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，經顯微鏡放大干涉圖像并由CCD高速攝像機實時采集(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算機上顯示干涉圖像。光學測量系統可以觀察并采集滾子的運轉過程，通過DIIM軟件[13]計算出油膜厚度。

圖5 光學測量單元

2 試驗測量

在不同載荷條件下，采用該測量系統對滾子與玻璃圓盤形成的多點線接觸油膜的形狀和厚度進行初步測量。

2.1 試驗條件

試驗采用的透明圓盤為K9玻璃盤，為實現紅綠雙色光干涉測量，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12 mm。試驗時用玻璃盤代替軸承座圈，并調整8根螺釘使每個滾子都與玻璃盤均勻接觸，實現均勻加載。試驗的環境溫度為(23±1) ℃，相對濕度為(50±5)%。試驗用潤滑油為PB1300，其特性見表1。測量單位長度載荷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 試驗用潤滑油的特性

為避免用量過少造成乏油現象，經多次測量后確定本次試驗中潤滑油用量為2 mL。需要指出的是，與傳統光干涉潤滑油膜定點測量不同，本測量系統中滾子動態經過觀察區的過程中，圖像采集位置與滾動速度和滾子間距有關。為了捕獲觀察區域內的動態圖像，采用高速攝像機(OLYMPUS i-SPEED TR)記錄一系列油膜干涉圖，處于左中右3個位置的干涉圖略有差別，試驗中選定視場中心處的干涉圖為最佳位置來反算膜厚。

另外，由于試驗用的滾子較長，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，同時與滾子的形狀(凸度、修形)密切相關。為了表征膜厚的差別，將滾子干涉圖像均分為3個區域分別進行油膜厚度測量，如圖6所示(w=3.3 N/mm)。具體操作為：用標定塊標定A，B，C區域的3點像素值，通過計算得到3點之間的距離。例如：給定卷吸速度u=2.4 mm/s，通過標定各點到軸心的實際距離，進而可計算出各點實際速度為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域

2.2 結果與討論

不同單位長度載荷w和卷吸速度u下滾子進入觀察區的油膜干涉圖像如圖7所示，圖中干涉圖像右側為潤滑油入口方向，左側為出口方向。可以看出：載荷對潤滑油膜厚度h的影響非常明顯。在w=3.3 N/mm條件下，潤滑油膜隨速度的變化并未呈現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，此時潤滑油膜以動壓潤滑機理為主。在w=7.5 N/mm和w=10.5 N/mm條件下，彈性變形使接觸區明顯變寬，進而隨速度增加呈現出了典型的彈流油膜特征；當速度進一步增加時，彈性變形消失，潤滑狀態向動壓潤滑轉化。

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，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個區域內的油膜厚度h，載荷較小時，油膜彈流特征不明顯，而載荷較大時呈現出口頸縮特征。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A處的油膜厚度大于B處和C處的油膜厚度，這是因為滾子端部進行了修形，且滾子中間位置存在一定凸度。真實軸承滾子表面的波紋度和端部修形等可以通過對軸承的成膜等特性分析進行改進設計。

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。而隨著載荷增加，膜厚隨速度變化趨勢變緩，彈流特征明顯。

圖10 不同載荷工況下膜厚速度曲線

通過數值方法對相同工況下線接觸油膜厚度進行了模擬，對比了不同速度下推力滾子軸承油膜厚度的計算值與試驗值，膜厚隨速度變化的曲線如圖11所示。從圖中可以看出：潤滑狀態處于彈流狀態時，試驗結果與數值仿真結果吻合性較好，且試驗結果與Hamrock-Dowson的等溫點接觸彈流潤滑中心膜厚公式的計算結果一致[13]。

圖11 油膜厚度理論計算與試驗擬合曲線

3 結論

開發了推力滾子軸承光干涉潤滑油膜測試系統，利用該系統完成了不同載荷下推力滾子軸承油膜特性的初步測量，得出以下結論：

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)該測量系統可成功用于推力滾子軸承潤滑油特征的動態測試。