液氮環境下固體潤滑軸承摩擦力矩試驗

張廣濤,蘇冰,劉鵬,王健,張文虎,3

(1.河南科技大學 機電工程學院,河南 洛陽 471003;2.洛陽軸承研究所有限公司,河南 洛陽 471039;3.國創(洛陽)軸承產業技術研究院有限公司,河南 洛陽 471039)

由于介質和溫度的限制,應用于超低溫液氮、液氧、液氫環境下的輸液泵軸承只能采用固體潤滑劑進行潤滑,應用最多的固體潤滑劑主要有聚四氟乙烯(PTFE)和二硫化鉬(MoS2)[1]。PTFE易在與之對摩的物體表面形成轉移膜,對極端環境的適應能力、摩擦因數重復性較好,可提高接觸副的耐磨性[2]。MoS2為層狀結構,低溫下抗磨和潤滑性能良好,純MoS2在潮濕空氣中易潮解而失去潤滑作用,但對環境溫度不敏感,有較寬的溫度適應范圍[3-4]。

固體潤滑劑在軸承中的有效應用已得到廣泛驗證:文獻[5-6]在渦輪泵用軸承套圈表面濺射65%(質量分數,下同) MoS2和35%三氧化二銻 (Sb2O3)組成潤滑薄膜及制備厚度約1 μm的高頻濺射PTFE薄膜,以提高軸承在干摩擦狀態下的潤滑特性;文獻[7]使用類金剛石(DLC)薄膜和C-MoS2薄膜對軸承滾道表面改性,摩擦力矩和溫升測試結果表明軸承套圈上預鍍固體潤滑薄膜可以有效降低軸承摩擦力矩;文獻[8]通過試驗考察潤滑狀態、沖擊頻率、沖擊力和滑動速度等因素對9Cr18軸承鋼表面MoS2固體潤滑膜失效形式的影響,結果表明潤滑條件對摩擦力矩影響較大,且油潤滑相較干摩擦能夠顯著降低固體潤滑膜的表面摩擦力矩;文獻[9]開發了一種低溫渦輪泵用角接觸球軸承(采用純PTFE保持架與軸承套圈溝道上沉積Ag基潤滑涂層),研究了軸承內、外圈表面PTFE轉移膜的形成、變化以及磨損狀態,結果表明自潤滑軸承能在高速、重載、低溫環境下穩定運轉。以上研究對低溫環境下固體潤滑軸承的可靠性進行了評估,并研究了固體潤滑膜的傳遞機理。

摩擦力矩作為軸承的一項重要性能指標,直接決定了軸承的摩擦功耗、溫度、噪聲和振動,并最終影響運動系統的運轉精度和壽命[10],而在低溫環境下,軸承的摩擦力矩會急劇增加,從而導致軸承的摩擦功耗、溫度增加,影響軸承的壽命。文獻[11]測試了軸承在低溫環境下的摩擦力矩,發現低溫處理后軸承運轉摩擦力矩比常溫跑合后的有所升高;文獻[12]采用有限元軟件分析了角接觸球軸承的低溫摩擦特性,指出潤滑介質黏度系數對軸承的低溫摩擦特性影響較大;文獻[13]構建了低溫滾動軸承全液膜潤滑和啟動摩擦力矩的求解模型,并開展液氮環境下的低溫滾動軸承試驗,得到了啟動過程不同轉速下特定低溫軸承的啟動摩擦力矩,并基于此提出保證軸承瞬態安全啟動的最小徑向預載設計指標。上述研究主要針對低溫環境下潤滑劑對軸承摩擦力矩的影響,但對超低溫環境,特別是浸泡在液氮中的不同固體潤滑劑涂層軸承的摩擦力矩變化研究較少。

液氮環境下固體潤滑軸承摩擦力矩測試受環境,固體潤滑膜的制備方式及磨損壽命的影響,目前開展的研究較少。本文采用M9908B摩擦力矩試驗機,模擬軸承浸泡在液氮環境下的應用場合,研究低速下由MoS2和PTFE固體潤滑劑制備的固體潤滑軸承的動態摩擦力矩變化規律。

1 試驗

1.1 試驗軸承制備

試驗軸承為7204AC角接觸球軸承(P4級),基本參數見表1。軸承套圈表面清洗擦拭后噴涂MoS2和PTFE固體潤滑劑,如圖1所示:噴涂后套圈溝道表面固體潤滑膜分布均勻,MoS2膜呈烏黑色、無光澤、質軟,涂層厚度約為8 μm;PTFE膜呈乳白色、無光澤、質軟,涂層厚度約為10 μm。最后,對制備好固體潤滑膜的軸承采用外圈加熱的方式進行合套,每種涂層軸承各3套,分別編號(MoS2涂層軸承記為1#,2#,3#;PTFE涂層軸承記為11#,12#,13#)并作為待測軸承進行精度和摩擦力矩測試。

1.2 涂層噴涂前后軸承精度測試

溝道噴涂涂層會影響溝形,因此需要檢測噴涂后軸承內、外圈溝道的圓度。軸承旋轉精度反映軸承的動態特性,通過測量軸承噴涂后的徑向跳動和端面跳動評估軸承旋轉精度。本文采用Y9000G圓度測量儀測量套圈溝道圓度,B613旋轉精度測量儀測量軸承的徑向跳動量和端面跳動量,涂層噴涂前后軸承套圈溝道圓度測量結果見表2,取噴涂MoS2和PTFE的軸承各一套,分別測量5次旋轉精度,結果見表3。

表2 涂層噴涂前后軸承套圈溝道圓度變化

表3 涂層噴涂后軸承旋轉精度

1#軸承溝道噴涂MoS2后,內、外圈圓度值由0.24,0.58 μm分別變化為1.61,4.02 μm,其余軸承圓度值也均有較大變化。與P4級角接觸球軸承的旋轉精度(端面跳動量為5 μm,徑向跳動量為4 μm)相比,3#,12#軸承噴涂涂層后的端面跳動和徑向跳動均有明顯變化。由以上結果可知噴涂工藝對軸承圓度和旋轉精度影響較大。因此,在固體潤滑軸承正式使用前應進行充分跑合,分析跑合階段的摩擦力矩,使軸承在使用前達到穩定狀態。

1.3 試驗設備

使用M9908B摩擦力矩試驗機(圖2)測量試驗軸承的摩擦力矩。試驗機采用平衡測量法,將試驗軸承的內圈安裝在空氣主軸上,空氣主軸與力矩傳感器連接,外圈與驅動軸上的外端蓋連接;當驅動機構帶動外圈旋轉時,由于摩擦力矩的存在,內圈會隨外圈一起轉動,力矩傳感器阻礙內圈旋轉,此時力矩傳感器與試驗軸承的摩擦力矩保持動態平衡,力矩傳感器的力矩即為試驗軸承的摩擦力矩。參照標準GB/T 32562—2016《滾動軸承 摩擦力矩測量方法》,確定軸承摩擦力矩測試工況為軸向施加載荷10 N、軸承轉速5 r/min。

1—空氣主軸;2—液氮;3—試驗軸承;4—外更換件;5—鎖緊螺母;6—升降手輪;7—升降銷軸;8—升降卡套;9—驅動主軸;10—載荷塊;11—液氮導管;12—自增壓液氮泵;13—液氮儲蓄罐。

2 試驗結果與分析

2.1 不同潤滑劑涂層下的軸承摩擦力矩

常溫和液氮環境下,在無涂層、MoS2涂層、PTFE涂層潤滑下測得的軸承摩擦力矩變化曲線如圖3—圖5所示,試驗時軸承先順時針旋轉2圈,再逆時針旋轉2圈。

圖3 無涂層軸承摩擦力矩隨旋轉角度的變化

由圖3可知:常溫與液氮環境下無涂層軸承的摩擦力矩相差較大,這是因為液氮環境下軸承低溫收縮引起游隙變化, 導致軸承接觸角、 載荷變化[13],進而使摩擦力矩增大,且軸承零件與液氮間的攪拌力矩也會引起摩擦力矩改變。此外,文獻[14]研究角接觸球軸承摩擦力矩隨結構變化的規律表明,保持架的兜孔間隙減小也會增大保持架與鋼球之間的摩擦,從而引起軸承摩擦力矩的增大,與試驗結果具有一致性。

由圖4可知:液氮環境下MoS2涂層固體潤滑軸承摩擦力矩波動較常溫環境下的大,且順時針下的摩擦力矩較逆時針下的大。這是因為試驗啟動時軸承順時針旋轉,MoS2涂層在鋼球與溝道的滾動碰撞下逐漸形成轉移膜,逆時針旋轉時MoS2轉移膜分布均勻,對軸承起到減摩作用,從而使固體潤滑軸承摩擦力矩降低且波動減小。由此可以看出,轉移膜的分布會影響軸承摩擦力矩變化。相關研究表明,在航天軸承應用中,用于擺動工況下的固體潤滑軸承在極限位置會產生轉移膜的堆積,導致摩擦力矩變大且不穩定[15],與本文研究結果具有一致性。

圖4 MoS2涂層固體潤滑軸承摩擦力矩隨旋轉角度的變化

由圖5可知:PTFE涂層固體潤滑軸承摩擦力矩隨旋轉角度變化基本在平均值附近波動,且逆時針旋轉下的摩擦力矩明顯低于順時針下的摩擦力矩。這是由于鋼球在溝道上的旋轉輾壓作用使鋼球表面形成轉移膜并在溝道表面產生分布均勻的明顯環狀痕跡,從而可知潤滑涂層在軸承轉動過程中形成轉移膜并分布在鋼球上起到潤滑效果,降低了軸承的摩擦力矩。

圖5 PTFE涂層固體潤滑軸承摩擦力矩隨旋轉角度的變化

2.2 不同跑合時間下的軸承摩擦力矩

對軸承進行跑合以使涂層過渡層均勻致密化,從而降低摩擦因數,獲得具有小而穩定摩擦力矩的固體潤滑軸承[16]。分別在液氮環境下與常溫環境下測量每種軸承(各3套)跑合過程中的摩擦力矩,得到軸承摩擦力矩平均值隨跑合時間的變化曲線,如圖6所示。

圖6 固體潤滑軸承摩擦力矩平均值隨跑合時間的變化

由圖6可知:隨著軸承跑合時間的增加,無涂層軸承的摩擦力矩基本穩定,有涂層軸承的摩擦力矩均逐漸降低直至平穩;液氮環境下,無涂層軸承的摩擦力矩始終高于常溫下,而有涂層軸承的摩擦力矩先高于常溫下后低于常溫下;PTFE涂層軸承、MoS2涂層軸承和無涂層軸承的摩擦力矩依次降低,這主要與噴涂固體潤滑劑前后軸承精度變化有關,由表2和表3可知,套圈溝道圓度和軸承旋轉精度均有變化,從而影響了軸承的動態性能;順時針旋轉時,液氮環境下MoS2涂層軸承摩擦力矩在跑合360 s時逐漸低于常溫下的摩擦力矩,液氮環境下PTFE涂層軸承摩擦力矩在跑合480 s時才開始低于常溫下的摩擦力矩,逆時針測量得到的試驗數據與順時針趨勢一致,因此液氮環境下MoS2摩擦因數較低,PTFE次之。

3 討論

3.1 超低溫對結構變形的影響

軸承的工作性能與軸承“間隙”的存在有著重要關系。首先,軸承作為旋轉支承件,通常與軸和軸承座配合使用,內部間隙會受裝配公差量的變化而變化;其次,熱脹冷縮是材料的固有特性,內部間隙會受工作溫度的影響而變化。固體潤滑軸承浸泡在液氮環境中,整體溫度可達-190 ℃,導致軸承結構變形,從而改變軸承“間隙”,本節主要分析軸承游隙和兜孔間隙在液氮環境中由于結構變形而引起的變化,從而定性分析結構變形對摩擦力矩的影響。

軸承浸泡在液氮中時采用測量工具直接測量軸承游隙和兜孔間隙的方法不可行。因此,本文采用有限元方法模擬軸承在超低溫環境下的變形,進而計算軸承游隙和兜孔間隙的變化量,即

Δp=Δpe-Δpi-2Δpw,

(1)

Gr=Gr0+Δp,

(2)

Δε=Δpε-Δpw,

(3)

ε=ε0+Δε,

(4)

式中:Δp為軸承游隙變化量;Δpi為內圈變形量;Δpe為外圈變形量;Δpw為鋼球變形量;Gr為軸承徑向游隙;Gr0為軸承原始徑向游隙;Δε為兜孔間隙變化量;Δpε為兜孔變形量;ε為兜孔間隙;ε0為原始兜孔間隙。

設置環境溫度、初始溫度和軸承內外圈、鋼球、保持架材料的膨脹系數等參數,采用ANSYS Workbench對軸承進行熱-結構耦合分析,模擬軸承零件在超低溫環境下的變形。對軸承模型施加溫度載荷,并限制軸承端面軸向自由度,提取由溫度引起的軸承零件的變形量,進而計算軸承工作過程中的游隙變化量。已知軸承原始徑向游隙為0.091 mm,軸承外圈、內圈、鋼球和保持架的整體變形如圖7所示,沿軸承套圈壁厚方向提取變形可得溝底位置的變形量,負值為尺寸減小,正值為尺寸增加,外圈溝底尺寸變形量為-30.22 μm,內圈溝底尺寸變形量為-13.50 μm,鋼球徑向變形量為16.50 μm,所以由軸承溫度變化引起的軸承游隙變化量為-49.72 μm;保持架兜孔軸向總變形量為-19.90 μm,鋼球軸向變形量為-15.30 μm,可得兜孔間隙變形量為-4.60 μm。

(a) 外圈變形量

3.2 流體引起的攪拌力矩

軸承浸泡在超低溫液氮中時處于完全液體潤滑,鋼球公轉時受到流體的繞流阻力,自轉時受到流體的攪拌摩擦力矩,則每個鋼球受到的繞流阻力Fd和攪拌摩擦力矩M分別為

(5)

M=vFd,

(6)

式中:Cd為繞流阻力系數,根據雷諾數進行選取,見文獻[17];ρ為液氮的質量密度,取808.32 kg/m3;Dw為鋼球直徑;Dpw為球組節圓直徑;Ωm為鋼球公轉角速度;v為鋼球線速度。

3.3 小結

綜上所述,影響試驗軸承動態摩擦力矩變化的因素有以下幾種:低溫引起軸承結構變形,導致軸承游隙、兜孔間隙減小;軸承浸泡在液氮中,流體與軸承零件相互作用產生攪拌力矩;溝道表面涂層改變了溝道基本形狀(精度)且固體潤滑劑膜厚進一步減小了游隙,從而引起軸承摩擦力矩的增加。

4 結論

制備MoS2和PTFE涂層固體潤滑軸承,對涂層噴涂前后軸承的旋轉精度、圓度、游隙值進行檢測評估,并在液氮環境下開展摩擦力矩試驗,得到主要結論如下:

1)試驗先順時針旋轉再逆時針旋轉時,逆時針旋轉測得的MoS2,PTFE涂層固體潤滑軸承摩擦力矩較順時針旋轉時小。

2)無涂層軸承摩擦力矩在液氮環境下明顯高于常溫下,有涂層軸承摩擦力矩隨著測試時間的增加先升高后降低。

3)液氮環境下,MoS2涂層固體潤滑軸承比PTFE涂層固體潤滑軸承的動態摩擦力矩低,摩擦性能好,而PTFE涂層固體潤滑軸承摩擦力矩波動性較小。