基于推力軸承結構的潤滑膜厚與摩擦因數測量系統*

池京銀 栗心明 劉 耀 楊 萍 白清華 郭 峰 梁 鵬

(青島理工大學機械與汽車工程學院 山東青島 266520)

潤滑是減小滾動軸承摩擦磨損的有效方式，因此研究滾動軸承的潤滑性能，在揭示潤滑機制的基礎上對軸承結構、供油結構、表面特性和潤滑介質進行改進設計，對于提升軸承服役性能和延長使用壽命尤為必要。現有的針對滾動軸承潤滑性能的試驗研究方法大體分為兩類：臺架測量方法和模型測量方法[1]。通過臺架測量方法提取的滾道軸承綜合潤滑信息，與其真實服役特性具有較強相關性，但弊端是無法將各測量因素剝離[2]，難以直接對潤滑機制進行有效分析。模型測量方法簡化了軸承接觸形式，常采用球-盤等效接觸方式對單一因素的影響進行定量考察，并與光干涉技術相結合，實現了接觸區內部潤滑特征的可視化，可對潤滑機制進行直接分析[3]。但模型測量方法忽略了滾動軸承數個特征因素，如保持架效應[4]、滾動體數目[1]以及接觸幾何特征[5]等，其測量結果與軸承真實服役特征相關性較弱，且模型測試方法多數情況下與軸承真實服役工況不匹配[6]。因而，由模型測量所得到的機制和結論難以有效地向真實軸承轉化，甚至2種測量方法所得結果相互矛盾。

近期，本文作者所在課題組嘗試將軸承特征因素引入到模型測量方法中，研究發現當考慮自旋效應[4]、滑滾比[7]、接觸幾何特征和滾道不重合等因素時[8]，潤滑劑的回填特征和潤滑狀態明顯發生改變。但上述研究僅引入了軸承單一因素，仍無法模擬全軸承中多因素耦合作用下的潤滑特性。顯然，既具有全軸承特征因素又能實現潤滑油膜的可視化測量，是對軸承潤滑性能進行評估的有效方法。本文作者所在課題組在該方面進行了前期嘗試，開發了推力滾動軸承潤滑油膜測量裝置[9]，該裝置以玻璃盤代替軸承座圈，在保持全軸承特征因素的基礎上實現了潤滑油膜的光學可視化測量。但原有的測量裝置存在以下局限性：因采用杠桿加載方式難以實現較高載荷下的試驗；難以捕捉高轉速下滾動體干涉圖像；無法對摩擦力進行測量。因此有必要開發一種新的基于推力軸承結構的潤滑油膜與摩擦力測量裝置，以克服上述測量局限性。

此外，推力滾動軸承本身作為一種摩擦學測量裝置的標準試樣，在摩擦學多個研究方向中得到應用。例如，FAG FE8軸承試驗機中[10]，以推力軸承為試樣用來評價潤滑劑性能[11]、表面磨損行為[12]、摩擦化學膜的形成機制[13]和軸承材料的白蝕裂紋[14]等。近期，國外學者采用改進的推力軸承結構對潤滑脂的摩擦學特性開展了研究。COUSSEAU等[15]通過改進的四球機結構，開發了推力球軸承摩擦測量儀，并對可生物降解潤滑脂摩擦力矩進行了測量，建立了潤滑脂的特性與實驗結果之間的相關性。采用該測量儀，COUSSEAU等[16]通過測量摩擦力矩和溫升，對不同類型潤滑脂摩擦學性能進行了評估，分析了基礎油與稠化劑的相互作用對摩擦力矩的影響。IANU等[17]采用改進的推力球軸承測量裝置對潤滑劑的摩擦扭矩進行測量和分析，考慮了接觸幾何特征、潤滑劑黏度等對摩擦力矩的影響，并基于測量數據建立摩擦力矩模型。由此可見，基于推力軸承結構的測量裝置可用來對潤滑劑特性、表界面特性、材料疲勞特性等進行測量評估。但此類測量裝置都集中于摩擦力矩或溫升測量，在潤滑油膜厚度方面的測量研究明顯不足，對潤滑油膜成膜機制缺少直接的評價手段。

因此，本文作者在克服原有基于推力球結構的潤滑油膜測量裝置局限性的基礎上，設計開發了新的測量系統。該測量系統集成了已有裝置潤滑油膜測量和摩擦力矩測量的優勢，實現了油膜可視化測量、滾動力矩測量、運動學與動力特征測量的兼容，可用于模擬不同參數影響下的真實推力軸承潤滑特征。該測量系統的建立對于研究全軸承內部潤滑介質分布演化、軸承潤滑狀態、軸承力學特性提供一種新的評價手段，同時為測量裝置的規范化與標準化積累數據。文中將對該測量系統的結構和原理進行介紹，并通過初步試驗來驗證其可行性。

1 測量裝置

1.1 測量裝置結構

基于推力軸承結構的潤滑油膜與摩擦扭矩測量系統，用來對推力全軸承或多個滾動體接觸條件下的潤滑油膜和摩擦力矩進行測量，其機械主體結構如圖1所示。該測量系統主要包括座圈驅動單元、玻璃盤(軸圈)回轉單元、摩擦力矩測量單元、徑向加載單元、圖像采集單元和支撐單元等。其中，座圈驅動單元用于驅動推力軸承座圈的回轉，其實現過程為伺服電機通過同步帶驅動主軸回轉，進而帶動固定于回轉主軸上的軸承座圈轉動，通過調節伺服電機脈沖參數可對座圈回轉速度進行精確控制，進而實現不同速度工況下的膜厚與摩擦力矩測量。玻璃盤(軸圈)回轉單元用于實現玻璃盤(軸圈)的被動回轉，即軸承座圈回轉帶動軸承滾動體轉動，在滾動體轉動產生的滾動摩擦力作用下驅動玻璃盤(軸圈)回轉或產生回轉趨勢。需要說明的是，當進行膜厚測量時需用玻璃盤代替軸承的軸圈；當進行摩擦力矩測量時，需用傳感器限制軸圈的回轉，將軸圈回轉趨勢轉化為摩擦力矩，其測量原理與方法將在后文詳細介紹。

圖1 測量裝置整體結構

圖1所示的加載方式與原有測量裝置中的加載方式明顯不同，原有裝置采用杠桿原理對玻璃盤(軸圈)進行加載，其弊端在于大載荷下加載臂易彎曲變形且加載砝碼數量有限。為了克服該局限性，采用了如圖2所示的整體平移式加載方式，即對軸承座圈及其驅動單元進行整體加載，其實現過程是保持玻璃盤(軸圈)軸向位置不動，通過加載器(可采用升降平移臺或螺紋式千斤頂)帶動座圈驅動單元整體上移，使滾動體加載到玻璃盤(軸圈)上。通過在加載桿上設置加載彈簧1和在加載器上方設置加載彈簧2來實現柔性加載，其中加載彈簧2上方裝有壓力傳感器，可實時顯示載荷數值。當測量系統處于卸載狀態時，加載單元整體置于支撐板上，此時加載器不承受載荷，避免加載器長時間承載影響測量精度。為了標定加載單元的自重，需觀察滾動體與玻璃盤的接觸狀態，當滾動體與玻璃盤處于似接觸非接觸狀態時，可視為滾動體剛剛與玻璃盤接觸，此時傳感器顯示的數值為加載單元自重，傳感器置零后可以得到凈加載數值。

圖2 加載單元結構

圖像采集單元用于實現試驗過程中光干涉圖的采集和存儲，主要包括顯微鏡及其支撐與調節單元、CCD、光源等。

1.2 測量方法與原理

1.2.1 潤滑油膜測量方法與原理

在原測量裝置中[9]采用了高速攝像機對滾動體與玻璃盤接觸區內的油膜干涉圖像進行采集，由于滾動體時刻運動且不斷經過攝像機視場，當運行速度較高時高速攝像機的采集幀率不足，無法獲取清晰的油膜干涉圖像。為了解決高速條件下油膜干涉圖像采集局限性，采用了如圖3所示的改進措施。具體地，采用相對運動的原理，在高速測量過程中限制保持架的回轉，則滾動體的位置和公轉速度被限制住，僅能進行自轉運動，此時玻璃盤需在滾動體的驅動下轉動。因滾動體被限制在固定位置，極大地提高了接觸副的運動速度，且僅采用常規的CCD便可實現高速工況下油膜干涉圖像的穩定采集。但因保持架被固定，僅能對單個滾動體的潤滑油膜進行測量。

圖3 潤滑油膜與摩擦力測量方法

潤滑油膜的測量采用多光束干涉原理，以紅綠雙色激光為入射光源，通過顯微鏡入射到接觸區形成干涉圖像，經CCD相機采集到采集卡并儲存到計算機上。采用自主開發的DIIM軟件[18]對光干涉圖進行離線數據處理，得到油膜厚度和油膜形狀。

1.2.2 摩擦力測量方法與原理

摩擦力的測量方法如圖3所示，在保持架處于自由運動狀態下，采用2個拉壓傳感器限制玻璃盤驅動軸的回轉運動，則軸承座圈運動帶動鋼球運動后，各接觸點所產生的滾動摩擦力將使玻璃盤產生回轉趨勢，該回轉趨勢作用到拉壓傳感器上，轉化為軸承運動的摩擦力。傳感器獲得的摩擦力通過USB5935數據采集卡傳輸到計算機上，所得數據實時顯示到測量界面中。在測量之前，對其中一個傳感器施加預載荷，使玻璃盤產生微小轉動角度，以消除由玻璃盤驅動軸承產生的摩擦力系統誤差。

圖4 摩擦力采集原理

(1)

則各滾動體接觸點處的摩擦力為

(2)

通過式(1)和式(2)可分別得到軸承總摩擦力矩和單個滾動體與玻璃盤接觸點處的摩擦力。

1.3 測量流程

如上所述，該測量系統可實現潤滑油膜厚度和摩擦力矩的測量，其測量流程如圖5所示。

圖5 測量流程

具體的測量流程由測量工況決定。(1)當軸承運轉速度較低(一般低于300 mm/s)時，滾動體的公轉速度較低，可進行膜厚與摩擦力同步測量，該模式下需用傳感器限制玻璃盤的轉動，且需采用高速攝像機采集油膜干涉圖。(2)當軸承轉速較高時，需將膜厚與摩擦力單獨進行測量，膜厚測量時限制保持架運動而使玻璃盤自由旋轉，采用常規CCD即可采集干涉圖像；摩擦力(矩)測量時采用拉壓傳感器限制玻璃盤運動，而使保持架自由旋轉。圖5中綠色框所示為膜厚測量模塊，藍色框所示為摩擦力矩測量模塊。

2 試驗測量

2.1 試驗條件

為了驗證測量系統與測量方法的可行性，在該測量系統上對潤滑油膜和摩擦力矩進行了測量。試驗采用型號為TRB52320推力球軸承座圈，采用了3個滾動體，軸圈由玻璃盤替代。試驗所用玻璃盤材質為K9玻璃，盤表面粗糙度Ra約為10.0 nm，直徑為150.0 mm，接觸盤面鍍有Cr膜和SiO2膜，泊松比為0.208，彈性模量為81.0 GPa。滾動體材質為GCr15鋼，G5精度，表面粗糙度Ra為14.0 nm，直徑為25.4 mm，泊松比為0.3，彈性模量為210.0 GPa。試驗工況如表1所示。

試驗采用黏度等級為ISO VG 100的礦物油FVA3為潤滑劑。該油品為德國傳動技術協會(Forschungsvereinigung Antriebstechnik eV，FVA)標準參考油，也是流變基礎研究普遍采用的潤滑油，其特性如表2所示。

每次試驗前用石油醚和無水乙醇將玻璃盤與鋼球清洗干凈。玻璃盤安裝調平后，給玻璃盤施加較小載荷，將潤滑劑補充到滾動體與玻璃盤接觸點處，并讓玻璃盤進行低速工況下的預跑合，確保潤滑劑能夠均勻分布在球和盤表面，隨后施加載荷至試驗所需載荷。需要說明的是，試驗中載荷傳感器顯示的數值為總載荷wtotal，則每個滾動體所承受的載荷為wtotal/n，n為滾動體數量。表1中所示載荷為單個滾動體所承受的載荷。

2.2 測量結果

圖6 單點、多點和理論接觸膜厚值對比(30 N)

圖7給出了滾動體在載荷為10、20和30 N下的潤滑油膜隨速度的變化。可見，新的測量系統可使卷吸速度達到1 024 mm/s，且仍可得到穩定的油膜干涉圖像，遠超出原測試系統的卷吸速度范圍。從圖7(a)所示的油膜干涉圖可以看出，在3種載荷條件下潤滑油膜隨速度的增加逐漸呈現出經典的彈流油膜特征。其中，載荷為10 N的條件下，油膜潤滑狀態有向動壓油膜轉化的趨勢。為了定量分析3種載荷下油膜隨卷吸速度的變化規律，圖7(b)給出了油膜厚度隨卷吸速度的變化曲線。可以看出，在雙對數坐標下潤滑油膜厚度隨卷吸速度基本呈現出線性增加趨勢。在載荷為10 N的條件下，潤滑油膜厚度在低速階段高于20和30 N的工況，而在速度較高時低于20和30 N的工況。這主要由兩方面原因引起，一是接觸副彈性變形對潤滑油膜的成膜機制影響較大，在速度較高時10 N載荷下向動壓潤滑轉化，呈現出的彈性變形恢復較明顯，入口油膜壓力和接觸區面積減小，導致入口潤滑油膜黏度隨壓力的變化減弱，同時接觸區面積的減小使潤滑劑存儲的空間減小，對潤滑油膜的建立起到了削弱作用。二是因玻璃盤是在滾動體的驅動下轉動，當速度較高時膜厚的增加，使剪應變率和油膜拖拽力減弱，滾動體和玻璃盤之間出現打滑[20-21]，導致實際的卷吸速度減小。上述兩方面原因使得載荷為10 N下的油膜厚度在速度較高時反而較小。

圖7 不同載荷下膜厚隨卷吸速度變化

為了觀察不同工況下的接觸區摩擦因數變化趨勢，圖8給出了3種載荷下摩擦因數隨速度的變化曲線。可以看出，當卷吸速度低于512 mm/s時，摩擦因數隨卷吸速度變化趨勢整體與Stribeck曲線一致，呈現出先減小后增加的趨勢。而當卷吸速度高于512 mm/s時，3種載荷下曲線均呈現出一定的下降，并有趨向于定值的趨勢。這主要是由于在速度較高時，隨著油膜厚度的增加油膜的剪應變率減小，油膜的拖拽力減弱，出現滾動體打滑現象，使得實際的卷吸速度減小(滾動體公轉速度減小)。而圖8中橫坐標為名義卷吸速度，其數值大于接觸點實際卷吸速度。另一方面，滾動體打滑將使潤滑油膜的剪切和熱稀效應增加，也將導致摩擦因數降低。推力軸承在較高速下的打滑現象不可避免，該方面的定量研究將在后期展開。圖8中還顯示隨著載荷的增加，摩擦因數呈現出整體下降的趨勢。這是由于在文中的載荷范圍內，摩擦因數與載荷服從反比例關系(摩擦因數為摩擦力與載荷的比值)。在實際工程中，接觸區壓力將達到GPa數量級，其摩擦力數值將顯著增加，不同載荷下的摩擦因數曲線將呈現出不同的變化趨勢。

圖8 摩擦因數隨卷吸速度變化

3 結論

(1)介紹了基于推力軸承結構的潤滑油膜與摩擦力測量系統的結構組成與功能。相對于原有測量裝置，提高了速度和載荷測量范圍，并增加了摩擦力測量功能。

(2)測量系統采用保持固定與自由回轉2種模式，配合玻璃盤固定和自由回轉，可實現低速條件下的潤滑油膜厚度與摩擦力同步測量，高速條件下的潤滑油膜厚度和摩擦力的獨立測量。

(3)通過初步的潤滑油膜厚度測量以及與單點接觸測量結果對比，驗證了該測量系統可在較大的速度范圍內對潤滑油膜進行可靠測量。

(4)摩擦因數測量結果顯示在一定速度范圍內，摩擦因數曲線與Stribeck曲線一致，在速度較高的條件下出現滾動體打滑現象，但仍可得到較穩定的測量數據，對該現象的定量研究將在后續工作中深入展開。