相鄰滾子間距和錯位對彈流成膜性能影響的試驗研究*

劉曉平 陳 軍 邱良偉 陳曉陽

(上海大學機電與自動化學院 上海 200444)

隨著現代機械設備的高速、重載的普及，對滾動軸承的性能也提出了更高的要求。彈性流體動力潤滑(簡稱：彈流)已成為滾動軸承的主要潤滑形式。

彈流按接觸方式可分為點接觸彈流和線接觸彈流。目前對于點接觸彈流的研究，大都基于球-玻璃盤單點接觸結構的試驗裝置[1-6]。但是滾動軸承具有多個滾動體，多個滾動體同時參與軸承運轉過程以及間接承擔外載荷，因此滾動軸承的潤滑問題屬于多點/線接觸潤滑，單接觸副的研究顯然無法完全詮釋滾動軸承的潤滑綜合性能。SVOBODA等[7]為研究乏油工況下入口油層對彈流膜厚的影響，采用球面滾子和球同時與玻璃盤進行雙點接觸的研究。梁鶴等人[8]將軸承外圈替換為玻璃環，模擬球軸承的運轉工況，利用光干涉法研究軸承內部潤滑油的分布以及回流情況，結果表明氣穴變化與回流特征均受供油量、速度和潤滑油黏度的影響。

對于線接觸的研究，因線接觸的光彈流試驗無法用顯微鏡觀察到接觸區的全貌，且達到相同接觸應力所需要的載荷遠大于點接觸試驗，目前線接觸光彈流試驗研究比點接觸少。因此，目前線接觸的乏油和補油大都基于理論研究[9-12],相關試驗研究很少。陳曉陽等[13]設計了一臺三滾輪整體加載旋轉工況光彈流試驗機，能夠模擬推力滾子軸承運轉工況，用于測量滾子類多線接觸彈流潤滑的油膜形狀及其變化情況。WANG等[14]利用該試驗機探究了在乏脂潤滑下，速度、潤滑脂的基礎黏度以及凸度量等對線接觸副的乏油程度的影響。SHEN等[15]利用該試驗機觀察到了瞬時乏油現象，經研究發現，提高轉速、降低黏度或使用非牛頓流體均可以有效減弱瞬時乏油現象。張濤等人[16]將該試驗機改進為多點接觸的光彈流試驗機，進行了多點接觸乏油球軸承的乏油研究，探究了相鄰球距以及前后球軌跡不重合對點接觸彈流膜厚的影響，研究結果表明前后球的軌道不重合時可以相互補油。

工程實際中滾動軸承的滾動體數量影響相鄰滾動體之間的間距，制造、裝配誤差易造成滾動體錯位問題。線接觸的接觸區域狹長，接觸長度遠遠大于接觸寬度，在軸承運轉過程中，可能導致潤滑油回流到中部所需的時間遠大于點接觸，因此其成膜性能易受相鄰滾子的間距和錯位的影響。本文作者在陳曉陽等[13]設計的三滾輪整體加載旋轉工況光彈流試驗機上，通過將試驗滾子放置在保持架兜孔的不同位置來探究相鄰滾子間距和錯位對線接觸彈流潤滑油膜成膜性能和補油機制的影響。從軸承潤滑研究的系統完整性來說，進一步深入開展多接觸副彈流問題研究，對完善彈流潤滑理論及其研究方法具有重要意義。

1 試驗裝置與試驗條件

1.1 試驗裝置

圖1給出了三滾輪整體加載有限長線接觸光彈流試驗機[13]的結構。電機驅動主軸，并帶動下滾道旋轉，旋轉的下滾道帶動試驗滾子運動。由于試驗滾子被固定的保持架限制住，所以只做定位轉動，而試驗滾子的定位運動又帶動玻璃盤旋轉。載荷通過三滾輪加載到玻璃盤上，滾子和滾輪沿著圓周交錯布置，使得載荷均勻分布到每個滾子。光源發出的光束，射到顯微鏡下部的折光鏡片上，一部分光在鉻膜表面發生反射，另一部分光垂直向下透過平面玻璃照射在滾子表面發生反射，兩束光所形成的干涉條紋經顯微鏡放大，并用高速CCD拍攝干涉圖像。最后，利用相對光強法[17]獲得接觸區域內各處的油膜厚度值。圖2所示為整體加載線接觸光彈流試驗機的實物照片，實際上，整個被測對象可以看成是有3個滾子的完整推力滾子軸承，通過在杠桿上施加不同質量的砝碼，使試驗滾子獲得不同的工作載荷。

圖1 試驗機結構示意

圖2 試驗裝置實物

試驗通過將試驗滾子放置在保持架兜孔的不同位置，來探究相鄰滾子間距和錯位對滾子摩擦副成膜性能的影響。

為研究相鄰滾子間距對推力滾子軸承成膜性能的影響，其滾子的位置如圖3(a)所示。滾子通過保持架限制住做定位轉動，試驗滾子由2個短滾子和2個長滾子組成。長滾子的規格為φ6 mm×12 mm，短滾子規格為φ6 mm×6 mm。為使每個接觸副產生相同的接觸壓力，2個短滾子可視為一個長滾子，與2個長滾子C、D交錯分布在3個加載滾輪之間。在進行試驗探究時，2個長滾子和滾子A的位置保持不變，通過調節滾子B的位置改變相鄰滾子之間的間距S，然后觀測滾子A的內端成膜性能，其觀測區域和滾子在玻璃盤上的滾道如圖3(b)所示。

圖3 滾子位置示意

用于研究相鄰滾子錯位的滾子位置如圖4所示。與圖3不同的是，滾子A和B的相對位置由沿周向變化變為沿徑向變化，滾子B的位置保持不變，沿徑向改變滾子A的位置，實現相鄰滾子的錯位，錯位距離L=RB-RA。其觀測區域和滾子在玻璃盤上的滾道如圖4(b)所示。

圖4 錯位滾子示意

1.2 試驗條件

所有試驗及測試在25 ℃環境溫度下進行，試驗滾子A、B均為對數修形滾子，凸度量為6 μm。試驗參數如表1所示。試驗使用的潤滑油為32#油與100#油，詳細參數見表2。

表1 試驗參數

表2 潤滑劑性能參數

初始油量給定0.18 mL，在玻璃盤與滾子表面上均勻涂抹。每次試驗從低速往高速依次進行，每個速度運行30 s。利用高速CCD記錄每個速度下油膜干涉動態圖像，然后選擇3張穩定狀態的彈流圖像，利用相對光強法計算出3張圖像的膜厚，并計算出平均膜厚和偏差值?？紤]到滾子端部不同部位彈流潤滑性能對間距與錯位變化敏感程度不同，分別提取了距離滾子端面0.25與1.05 mm的2個位置的膜厚進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 滾子間距的影響

圖5所示為使用32#油在不同間距和速度下滾子A的端部彈流干涉圖像，其中S表示相鄰兩滾子中部之間的距離，如圖3(b)所示。從圖5中可以看出：隨著滾子速度的增加，入口彎液面慢慢向接觸區靠近，速度高時，出口頸縮現象明顯；在同一速度下，相鄰滾子間距越小，入口彎液面離接觸區越近，滾子B滾過殘留的油跡越明顯。圖6所示為使用100#油在不同間距下滾子A端部彈流干涉圖像?？梢钥闯觯弘S著滾子速度的增加，入口彎液面與接觸區的距離基本不變；滾子間距對入口彎液面的位置影響很小。

圖5 32#油潤滑下不同滾子間距與速度下的彈流油膜干涉圖

圖6 100#油潤滑下不同滾子間距與速度下的彈流油膜干涉圖

圖7(a)與(b)所示為使用32#油在不同間距下分別距離端面0.25和1.05 mm處(位置如圖5所示)膜厚隨速度的變化曲線。圖中P-H理論值是根據Pan-Hamrock擬合公式[18]計算的膜厚值。從圖7(a)中可以看出，不同間距下距離端面0.25 mm處中心膜厚隨速度變化的趨勢相似，膜厚隨著速度增加而緩慢增加，出現乏油的速度在0.3 m/s左右。間距S=20.2 mm和S=30.3 mm 2種工況下，當速度大于0.84 m/s時，膜厚趨于穩定，穩定值為354 nm。通過對比3個間距的膜厚-速度曲線，可以發現，相鄰滾子間距越大，膜厚越大；滾子間距越小，速度越大，與P-H理論膜厚值偏離得越遠，乏油越嚴重。

圖7(b)所示為距離端面1.05 mm處的膜厚-速度曲線。可見，間距S=30.3 mm的工況在低速下與P-H理論曲線重合較好，隨著速度進一步增加，膜厚繼續增加，但增加速率變緩慢；間距S=10.1 mm和S=20.2 mm下的膜厚從最低速度開始一直低于P-H理論計算值。在相同的速度下，距端面1.05 mm處的油膜厚度隨滾子間距的增大而增大。

圖7 32#油潤滑時不同間距下距端面不同位置處的膜厚-速度曲線

圖8(a)與(b)所示為使用100#油在不同滾子間距下分別距離端面0.25和1.05 mm處的膜厚-速度曲線。從圖8(a)中可以發現，相鄰滾子間距越大、滾子速度越高，距離端面0.25 mm處彈流膜厚越大。各個間距下膜厚隨著速度變化的趨勢和前面分析基本相同。從圖8(b)中可以看出，100#油潤滑下滾子間距為10.1、20.2與30.3 mm時的速度-膜厚曲線基本重合。分析圖6可知，各滾子不同間距不同速度下的彈流干涉圖像也基本一致。這兩方面說明了在高黏度潤滑油潤滑時，相鄰滾子間距的大小對彈流中部油膜的影響極小。

圖8 100#油潤滑時不同間距下距端面不同位置處的膜厚-速度曲線

分析圖3(b)中滾子A和B的位置示意圖可知，在相同速度下，滾子間距S越大，補油時間越長，從滾道側面回流到滾道面的潤滑油越多，因此間距越大膜厚越大，如圖7所示。32#油黏度低，流動性好，回油補油快，因此距離端部0.25 和1.05 mm處的膜厚在不同間距下隨速度變化的趨勢相同。但是100#油黏度高，流動性差，從滾道兩側的潤滑油回流到滾道面的時間要比低黏度32#油長。即使相鄰滾子間距大，由于潤滑油黏度高，回流到滾道面中部的時間長，無法在短時間內回流足量的潤滑油，導致潤滑油得不到及時有效的補充。因此對比圖7(b)和圖8(b)可知，高黏度的100#油在距離端面1.05 mm處的中心膜厚幾乎不受相鄰滾子間距的影響。

2.2 滾子錯位的影響

通過調節圖4中滾子A的位置，與相鄰滾子B產生錯位。試驗中選擇滾子間距S為10.1 mm，錯位距離L分別為0、1.5、3.0和4.5 mm來研究錯位對滾子成膜性能的影響。其中3.0和4.5 mm的滾子大距離錯位在滾子軸承中一般不存在，此處增加這兩種工況意在進行機制探究。

圖9所示為使用32#潤滑油在不同錯位距離下滾子A的端部彈流油膜干涉圖。可以看出：在同一錯位距離下，入口彎液面隨滾子速度的增加慢慢向接觸區靠近。錯位距離0與1.5 mm下，各速度入口彎液面與接觸區的距離差距很小。錯位距離在1.5～4.5 mm之間，在同一速度下，隨著錯位距離的增加，入口彎液面與接觸區的距離減少，但干涉條紋的級次相同。

圖10所示為使用100#油在不同錯位距離下滾子A的端部彈流油膜干涉圖?？梢钥闯觯哄e位距離為1.5 mm時，各速度下的入口彎液面與接觸區的距離比無錯位時大；錯位距離在1.5～4.5 mm之間，在同一速度下，隨著錯位距離的增加，入口彎液面與接觸區的距離減少，但干涉條紋變化不明顯，與低黏度32#油潤滑下的規律相似。

圖9 32#油潤滑下不同錯位距離與速度下的彈流油膜干涉圖像

圖10 100#油潤滑下不同錯位距離與速度下的彈流油膜干涉圖像

圖11(a)和(b)為32#油潤滑時在不同錯位距離下分別距離端面0.25和1.05 mm處膜厚隨速度變化曲線?？梢钥闯?，錯位對距離0.25 mm處的膜厚有輕微的影響，對1.05 mm處的膜厚基本沒有影響。當速度大于0.84 m/s時，兩處的膜厚分布穩定在356和362.7 nm。

圖12(a)和(b)為100#油潤滑時在不同錯位距離下分別距離端面0.25和1.05 mm處的中心膜厚-速度曲線。從圖12(a)中可以看出：錯位距離為1.5與3 mm下的速度-膜厚曲線比較接近，且高于無錯位和錯位4.5 mm下的膜厚-速度曲線。速度大于0.525 m/s時，錯位4.5 mm下的膜厚高于無錯位的膜厚。通過不同錯位距離彈流油膜厚度的變化可以看出，隨著錯位距離的增加，滾子距離端面0.25 mm處的成膜能力先增加后減少。文中試驗的錯位距離下彈流油膜成膜能力從高到低排序分別為錯位距離1.5、3.0、4.5 mm與錯位距離為0。從圖12(b)中可以發現，錯位1.5 mm和錯位3.0 mm在距離端面1.05 mm處的膜厚明顯增大。

32#油黏度低，流動性好，分析圖4(b)可知，在離心力和表面張力作用下，迅速從內側回流到滾道面②，同時滾道面①上的潤滑油經滾子B擠壓繞流到滾道面②上，在滾道面②上的32#油分布較均勻且充足。因此相鄰滾子錯位與否，對距離端部1.05 mm處彈流油膜的成膜能力影響不大。當速度大時，滾道面②上的潤滑油不足以達到該速度下的富油程度，受到潤滑油油量的限制，使得彈流膜厚小于P-H理論值。

圖11 32#油潤滑時不同錯位距離下距端

圖12 100#油不同錯位距離下距端面不同位置處膜厚-速度圖

高黏度的100#油，黏度大，受離心力作用小和回流緩慢的影響，此時滾道面②主要依靠經滾子B的擠壓繞流的潤滑油。但是無錯位時，這部分油量不影響滾子B的端部成膜性能，當錯位距離過大時，這部分油量因距離太遠，也無法作用到距離滾子端部0.25 mm處，但會影響距離滾子端部1.05 mm處的成膜性能，如圖12(b)所示，使其膜厚增加。這也是圖12(a)中同一速度下隨著錯位距離的增加膜厚先增加后又減小的原因。因此，一定的錯位使得滾道面①上的部分潤滑油經滾子B的擠壓繞流到滾道面②，然后作用到滾子端部，使其膜厚增加。

3 結論

使用裝有高速CCD的整體加載有限長線接觸光彈流試驗裝置，研究了相鄰滾子間距和錯位距離對滾子接觸副區油膜成膜性能的影響，主要結論如下：

(1)在初始油量為0.18 mL下，滾子間距處于10.1～30.3 mm內，使用低黏度32#油時，隨著相鄰滾子間距增大，其油膜厚度會相應增加，補油效果越好；使用高黏度100#油時，隨著相鄰滾子間距增大，其距離端面0.25 mm處的膜厚增大，但對距離端面1.05 mm處的膜厚基本無影響。

(2)使用低黏度32#油時，錯位對滾子接觸副的成膜性能影響微乎其微；使用高黏度100#油時，錯位距離在0～4.5 mm范圍內，隨著錯位距離的增加，距離端面0.25 mm處的成膜性能先增加后減小，距離端部1.05 mm處的膜厚增加。