滾子圓環(huán)接觸式光彈流試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)及初步實(shí)驗(yàn)研究*

(1.常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(xué)懷德學(xué)院 江蘇靖江 214513)

隨著《制造2025》計(jì)劃的推進(jìn)，以滾動(dòng)軸承、齒輪為典型關(guān)鍵零部件的性能成為國(guó)內(nèi)高速、重載領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。作為其支撐的基礎(chǔ)理論滾子摩擦副線接觸彈流，受到越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注。KUSHWAHA[1]、PANOVKO[2]、LIU[3]等對(duì)滾子摩擦副偏轉(zhuǎn)角問(wèn)題進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，隨著偏轉(zhuǎn)角的增大，最小油膜厚度降低，大徑比滾子對(duì)于偏斜更為敏感。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于有限長(zhǎng)線接觸彈流潤(rùn)滑理論方面的研究明顯增多[4-9]，但是試驗(yàn)研究還較少。王鵬等人[10]根據(jù)光干涉原理在自制的圓盤(pán)試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)量了滾子副急停過(guò)程的彈流油膜變化，討論了載荷對(duì)油膜厚度的影響。WANG等[11]利用多點(diǎn)線接觸光彈流試驗(yàn)機(jī)研究了工況條件對(duì)乏油的影響。但是上述試驗(yàn)均是模擬推力軸承的，不能真實(shí)反映徑向圓柱滾子軸承的成膜特性，因?yàn)橥屏κ降那虮P(pán)試驗(yàn)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力的作用潤(rùn)滑油會(huì)往外遷移，與實(shí)際徑向軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)不相符。因此，有必要研發(fā)圓環(huán)式的光彈流試驗(yàn)機(jī)。近期，WANG等[12]開(kāi)發(fā)了球-圓環(huán)光彈流試驗(yàn)機(jī)，線速度可達(dá)50 m/s以上，證明了圓環(huán)式光彈流試驗(yàn)機(jī)的可行性。但是對(duì)于線接觸的圓環(huán)式光彈流試驗(yàn)機(jī)還未建立，因此本文作者在課題組的研究基礎(chǔ)上[13-14]，搭建了滾子圓環(huán)接觸式光彈流試驗(yàn)平臺(tái)，為高速、重載下滾子接觸副彈流潤(rùn)滑的研究提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 旋轉(zhuǎn)式試驗(yàn)裝置

1.1 機(jī)械傳動(dòng)部分

根據(jù)波動(dòng)光學(xué)原理，綜合考慮各個(gè)方面的影響因素以及借鑒經(jīng)典的光彈流試驗(yàn)裝置，研發(fā)了滾子-圓環(huán)接觸式光彈流潤(rùn)滑油膜測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)。需要指出的是試驗(yàn)機(jī)應(yīng)能承受重載荷,才可有效觀測(cè)滾子摩擦副端部的“邊緣效應(yīng)”[15]；并且在實(shí)際工程應(yīng)用中，高速易引起振動(dòng)導(dǎo)致干涉圖像不清晰，因此試驗(yàn)機(jī)需提高精度，控制圓環(huán)的徑向跳動(dòng)。圖1給出了設(shè)計(jì)的原理圖，主要由機(jī)械部分(砝碼、杠桿、圓環(huán)玻璃、連軸器、伺服電動(dòng)機(jī)、加載機(jī)構(gòu)等)、圖像采集系統(tǒng)(圖像采集、CCD顯微鏡、冷光源等)以及試驗(yàn)滾子組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig 1 Schematic diagram of experimental rig (a) general schematic diagram of experimental rig;(b)ring glass

實(shí)驗(yàn)裝置中將經(jīng)典試驗(yàn)機(jī)的透明玻璃由圓盤(pán)或長(zhǎng)條形改成石英玻璃圓環(huán)，環(huán)的一端鑲嵌在軸承套中并通過(guò)銷(xiāo)連接以實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)，從而將原試驗(yàn)機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)水平直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榇怪毙D(zhuǎn)。圓柱試驗(yàn)滾子置于石英玻璃環(huán)的內(nèi)徑表面上，通過(guò)PLC對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的控制，玻璃圓環(huán)可以實(shí)現(xiàn)勻速、變速、急停等多種運(yùn)動(dòng)工況。

加載機(jī)構(gòu)由2個(gè)杠桿組成的杠桿機(jī)構(gòu)完成加載，杠桿的加載端是由多個(gè)小軸承串聯(lián)后，在其外面加上軸套形成2個(gè)細(xì)長(zhǎng)的軸承與滾子直接接觸，這樣能保證實(shí)驗(yàn)滾子實(shí)現(xiàn)純滾動(dòng)。而在杠桿的另一端由托盤(pán)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(shè)計(jì)成1∶8。

1.2 光學(xué)與圖像采集系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置采用的透明材料是石英玻璃，圓環(huán)外徑240 mm、內(nèi)徑200 mm，內(nèi)表面鍍有鉻膜、反射率n<20%、透過(guò)率φ<60%；實(shí)驗(yàn)光源為氙氣冷光源，通過(guò)一個(gè)中心波長(zhǎng)為 600 nm的窄帶濾光片；顯微鏡是 MZDH1065TC 型高倍率連續(xù)變倍單筒視頻顯微鏡，具有高倍率、高分辨率的特點(diǎn)，可同時(shí)進(jìn)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(xù)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(rùn)滑油膜變化的視頻。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)試件為圓柱滾子，直徑為10 mm，全長(zhǎng)為10.5 mm。為了能夠獲得好的干涉圖像，滾子表面經(jīng)手工拋光。實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行((20±1)℃范圍內(nèi))，可認(rèn)為是等溫條件下。實(shí)驗(yàn)裝置全貌如圖2(a)所示。圖2(b)所示為其關(guān)鍵部件(石英玻璃圓環(huán))及安裝圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig 2 Photo of experimental rig (a)panorama of experimental rig;(b)ring glass and installation drawings

實(shí)驗(yàn)采用的潤(rùn)滑劑為高分子聚合物聚異丁烯(PB1300)，表1給出其特性指標(biāo)。

表1 潤(rùn)滑劑的特性Table 1 Properties of lubricant

2.2 滾子動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用了2種載荷，分別為560和1 600 N，對(duì)應(yīng)的最大接觸應(yīng)力分別為0.58和0.75 GPa。實(shí)驗(yàn)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(jiàn)出口區(qū)有明顯的頸縮現(xiàn)象。當(dāng)滾子卷吸速度較低(ve= 12.5～17.5 m/s)時(shí)，可以明顯觀測(cè)到滾子平坦接觸區(qū)，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(shí)，平坦接觸區(qū)卻難以觀測(cè)。另外，由于載荷較輕，從4個(gè)圖中都不能觀測(cè)到滾子端部的“邊緣效應(yīng)”，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(yīng)”消失，滾子中部接觸區(qū)變窄。

圖3 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)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(shí)的油膜干涉圖像，可以看出：無(wú)論滾子卷吸速度較低，還是較高時(shí)，都可以明顯觀測(cè)到滾子較大的平坦接觸區(qū)。另外存在一個(gè)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(yīng)”較為顯現(xiàn)。滾子中部和端部出現(xiàn)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(cè)。此外，圖4與圖3也有著較大的差異，因?yàn)檩d荷的不同，滾子與接觸面因相互擠壓而產(chǎn)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(shí)呈長(zhǎng)方形狀有時(shí)呈橢圓狀(滾子制造誤差導(dǎo)致)，端部效應(yīng)均存在。但同等速度下，輕載下的平坦區(qū)油膜厚度比重載時(shí)厚，出口區(qū)頸縮現(xiàn)象亦比重載時(shí)明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：載荷及速度對(duì)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(huì)導(dǎo)致油膜變化劇烈。

圖4 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)干涉圖像(W=1 600 N)Fig 4 Interferogram in motion state(W=1 600 N)

3 結(jié)論及展望

(1)利用搭建的滾子-圓環(huán)接觸式光彈流試驗(yàn)機(jī)研究了滾子在不同載荷與速度下的彈流特性。結(jié)果表明：在純滾動(dòng)狀態(tài)下，隨著速度的增加，滾子出口區(qū)的油膜頸縮現(xiàn)象越來(lái)越明顯，頸縮寬度也明顯變寬;當(dāng)卷吸速度較高時(shí)，因滾子誤差引起的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致油膜出現(xiàn)波動(dòng)。因此，滾子圓環(huán)接觸式光彈流試驗(yàn)機(jī)能夠?yàn)闈L子摩擦副彈流潤(rùn)滑研究提供清晰的光干涉圖像，后續(xù)可以為滾子輪廓的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(2)在研究有限長(zhǎng)線接觸彈流潤(rùn)滑的問(wèn)題時(shí)，不僅要考慮實(shí)驗(yàn)裝置的精度，還要考慮試驗(yàn)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(zhuǎn)式實(shí)驗(yàn)裝置若采用圓柱滾子作為試驗(yàn)滾子，滾子兩端直徑一致，因此工作平穩(wěn)，易實(shí)現(xiàn)高速，實(shí)驗(yàn)裝置和試驗(yàn)滾子的精度越高，試驗(yàn)時(shí)的速度也可以越高；而采用圓錐滾子作為試驗(yàn)滾子時(shí)，滾子兩端大小、直徑不相等，滾子轉(zhuǎn)動(dòng)角速度相等，線速度不相等，難以協(xié)調(diào)，高速下易振動(dòng)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)應(yīng)考慮到這一問(wèn)題。

(4)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)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(fù)雜工況的實(shí)驗(yàn)裝置有待開(kāi)發(fā)；另外，實(shí)驗(yàn)僅僅對(duì)一種特殊運(yùn)動(dòng)的工況進(jìn)行了研究，更多運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的研究有待下一步進(jìn)行。