周期性載荷作用下油池形態試驗觀察

劉耀，栗心明，金旭陽，楊萍，白清華，梁鵬

(青島理工大學機械與汽車工程學院，山東青島 266520)

滾動軸承在運行過程中，滾動體將周期性地進入和離開承載區域，使得滾動體與內外圈之間承受周期性的載荷變化。在載荷變化過程中，滾動體與內外圈接觸點處的彈流潤滑油膜狀態也將發生變化。在已有的研究中，研究人員主要對周期性載荷變化下接觸內部油膜特征進行了試驗觀察和數值模擬。KANETA等[1]通過試驗觀察到了沖擊載荷作用下的不同封油現象，認為載荷變化將引起局部油膜特征發生變化。SAKAMOTO等[2]對周期性載荷作用下的彈流油膜行為進行了試驗研究，發現載荷突增可在接觸區形成彎月形封油，載荷突減將導致氣穴產生，且交變載荷作用下的油膜行為與滑滾比存在關聯性。VENNER和WIJNANT[3]對時變載荷作用下的油膜變化過程進行了數值模擬，驗證了SAKAMOTO等[2]的試驗結果，并指出測試系統的動態特性對潤滑油膜特征存在潛在影響。上述研究主要針對接觸區內部的油膜特征，而對動態載荷作用下接觸區外部潤滑油池形態的研究較少涉及。

在實際應用中，滾動軸承往往處于乏油潤滑狀態下[4]，該狀態下接觸區內油膜狀態與周圍油池形態及入口供油條件的依賴性增強。自WEDEVEN等[5]首次采用光干涉方法觀察到乏油特征并以入口距離量化乏油程度后，HAMROCK和DOWSON[6]通過數值模擬計算給出了乏油膜厚經驗公式；CHEVALIER等[7]則以入口油層厚度來確定乏油狀態下的中心油膜厚度；CANN等[8]定義了一個表征乏油程度的量綱一化參數，研究了負載、速度、接觸面積大小、潤滑油黏度和表面張力對乏油的影響，預測了潤滑狀態從充分潤滑向乏油潤滑的轉化。上述研究均表明入口區潤滑劑分布與供給對乏油潤滑程度存在明顯影響。

接觸區入口供油狀態由潤滑劑的回填特性和油池形態決定，而潤滑劑的回填受到潤滑劑表面張力、潤滑劑的黏度、接觸區寬度和運行工況等多個參數決定[9]。LI等[10]通過化學修飾制備了潤濕性梯度表面，促進了潤滑劑的有效回填，使得潤滑狀態得到明顯改善。LIU等[11]通過物理修飾獲得潤濕性梯度表面，也增強了潤滑劑的回填。盡管經典的球-盤單點接觸簡化模型，可用來分析表面張力和毛細力作用下的潤滑劑回填機制，但因缺少軸承特征因素使得模型測量結果與真實軸承的服役特性之間存在較大差距。近期，江楠等人[12-13]在球-盤模型測試中引入滑滾比、接觸幾何特征等因素，發現潤滑劑的回填特性發生明顯改變。因周期性載荷變化將引起接觸區寬度的變化，是對潤滑劑的回填產生影響另一個軸承特征因素。因此，本文作者在原有的球-盤單點接觸測量裝置中，增設周期性變載單元，模擬滾動體進入和離開接觸區的載荷變化過程，觀察滾動體在該過程中油池形態演化特性，為分析動態載荷作用下軸承潤滑劑流動分布與回填特性提供支撐。

1 試驗部分

試驗在圖1所示的球-盤點接觸光干涉潤滑油膜測量裝置上進行。鋼球與藍寶石盤構成接觸副，伺服電機驅動藍寶石盤回轉并帶動球托上的鋼球轉動，實現接觸副的純滾運動。通過控制電機的脈沖數對電機轉速和卷吸速度進行調整。采用往復運行裝置，實現載荷的周期性變化，其載荷變化曲線如圖2所示。通過調整往復運動的頻率實現加載周期的調整，試驗在高頻和低頻2種工況下進行。接觸區周圍的油池形態及出口氣穴可以通過CCD相機進行采集并儲存。

圖1 測量裝置結構及測量原理

圖2 不同頻率下載荷隨時間變化

表1給出了試驗條件，為了便于復現乏油潤滑工況及對潤滑劑回填特性進行觀察，試驗在定量供油條件下進行，采用3種供油量。載荷在10～90 N的范圍內周期性變化。試驗卷吸速度設定在2～64 mm/s的范圍內，其目的是便于對潤滑油池形態和出口氣穴的變化進行定量觀察。試驗采用PAO 4為潤滑劑，其特性如表2所示。在試驗進行之前，對藍寶石盤和鋼球表面進行清潔，然后采用微量注射器將潤滑劑布置在鋼球與玻璃盤的接觸區，在施加較小載荷的情況下以較低的卷吸速度使玻璃盤和鋼球緩慢跑合，以保證潤滑油能夠均勻地分布在玻璃盤和鋼球的接觸區軌道上。

表1 試驗條件

表2 試驗用潤滑油性質

2 試驗結果及分析

2.1 周期性載荷下供油量對潤滑油池的影響

圖3中給出了卷吸速度為8 mm/s、載荷變化周期為4 s，供油量分別為0.2、0.4和0.6 μL下的光干涉圖像。可以看出，在3種供油量下隨著載荷從10 N增加至90 N，接觸區面積逐漸增加，油池外形隨供油量的增加而增大，接觸區出口氣穴區始終被油池包圍，油池形態為封閉態[14]。

圖3 不同供油量下油池和氣穴隨周期性載荷變化(ue=8 mm/s，Tc=4 s)

為了對入口供油狀態、油池形態和氣穴區進行量化分析，在圖3中定義l1為入口距離，即接觸區中心至入口油池邊緣的距離；l2為側油池寬度，即接觸區中心到油池側緣側的距離；l3為氣穴長度，即接觸區邊緣至氣穴尾部邊緣的距離。設a為接觸區半徑，則可得量綱一入口距離L1=l1/a，量綱一側油池距離L2=l2/a，量綱一氣穴長度L3=l3/a。圖4定量地給出了3個量綱一化參數隨載荷和供油量的變化曲線。從圖4(a)可以看出，量綱一入口油池距離隨著載荷的增加呈現出逐漸減小的趨勢。量綱一入口油池距離用來表征入口區供油狀態，并與接觸區油膜厚度相關聯。入口油池距離的減小趨勢，表明在滾動體進入承載區的過程中，入口區的供油狀態變差，將對潤滑狀態產生不利影響。圖4(a)還顯示，隨著供油量的增加，入口油池距離整體增加，表明入口供油狀態得到改善。

圖4 不同供油量下量綱一入口距離、側油池寬度和氣穴長度隨周期性載荷變化

圖4(b)中的側油池寬度隨著載荷的增加也呈現出衰減的趨勢。側油池寬度可用來表征毛細力作用下潤滑劑的局部回填效應，即潤滑劑在毛細力作用下填充接觸區外圍間隙的能力。由于赫茲接觸半徑a與載荷W的關系為a∝w1/3[15]，在載荷較小時a隨載荷的變化較明顯，因而圖4(b)中當載荷小于45 N時L2下降得較快。側油池寬度的減小表明了潤滑劑局部回填效應減弱，也將對潤滑狀態產生不利的影響。

圖4(c)顯示，量綱一氣穴長度隨著載荷的增加而減小，該趨勢與文獻[16]的觀察一致。氣穴長度可反映潤滑油膜的成膜能力，載荷較低時油膜厚度較高，相應的氣穴長度數值較大[16]。理論上，在相同的卷吸速度和相同載荷下，氣穴長度將為恒定值，但圖4(c)顯示當供油量達到0.6 μL時，量綱一氣穴長度明顯減小，表明接觸區外部的油池形狀和尺寸對氣穴長度也存在影響。在定量供油條件下，接觸區外圍油池尺寸由供油量決定，潤滑劑在毛細力作用下填充接觸間隙，其油池的外形與油池內外的壓力差相關，該壓力差對油池產生剪切力，進而影響氣穴區(負壓區)的形狀(長度)。當供油量較多時，接觸間隙的填充區域增大，油池內外的壓力差和剪切力減弱，使得量綱一氣穴長度減小。

2.2 周期性載荷下卷吸速度對潤滑油池的影響

圖5中給出了供油量為0.2 μL時，不同的卷吸速度下油池形態和氣穴隨周期性載荷的變化。可以看出，當卷吸速度為8 mm/s時，在載荷增加和減小過程中，氣穴始終被油池封閉，油池處于封閉態。當卷吸速度為12 mm/s時，隨著載荷的增加氣穴邊界逐漸逼近油池尾部邊緣，在最大載荷90 N時尾部油池被氣穴打開；隨著載荷減小，尾部油池又呈現出合并的趨勢，當載荷減小到最小載荷10 N時尾部油池合并，油池恢復到封閉態。當卷吸速度為64 mm/s時，油池被入口乏油區和出口氣穴區完全分離。隨著載荷的增大，兩側油池有向入口區延伸的趨勢，入口區供油條件得到一定程度的改善。這是由于在載荷增大過程中滾道寬度也逐漸增大，該過程中鋼球將運行于載荷增大前所形成的較窄滾道上，較窄滾道兩側的潤滑劑在當前滾動體碾壓作用下向入口區延伸。相反，在載荷減小的過程中，入口區油量減小，乏油程度加劇。

圖5 不同卷吸速度下油池形態和氣穴隨周期性載荷變化(0.2 μL，Tc=8 s)

為了定量分析不同卷吸速度下周期性載荷變化對油池形態和氣穴的影響，圖6給出了量綱一入口距離、側油池寬度和氣穴長度隨載荷的變化曲線。從圖6(a)可以看出，在卷吸速度為8和12 mm/s的條件下，量綱一入口距離隨著載荷的變化均呈現出先減小后增加的趨勢，表明潤滑狀態隨著載荷增大而變差，隨著載荷減小又得到恢復。由于在卷吸速度為64 mm/s條件下油池為分離態，因而入口距離無法從圖6(a)中給出。需要說明的是，在卷吸速度為8和12 mm/s的條件下油池整體較充盈，才會出現圖中的變化趨勢；而在卷吸速度為64 mm/s條件下，處于分離態的油池對兩側潤滑劑回填變得敏感，且速度較高玻璃盤旋轉一圈所用時間小于加載周期，將發生滾道重疊，進而對潤滑狀態產生影響。因而在圖6(b)中，盡管卷吸速度為64 mm/s條件下側油池寬度也呈現出先減小后增大的趨勢，因受到滾道重疊的影響，其潤滑狀態則呈現出先變好再變差的趨勢。

圖6 不同卷吸速度下量綱一入口距離、側油池寬度和氣穴長度隨周期性載荷變化

圖6(c)中卷吸速度為8 mm/s下量綱一氣穴長度隨載荷的變化呈現出先減小后增加的趨勢。卷吸速度為12 mm/s下先減小，然后因尾部油池破裂，氣穴長度已超出觀察范圍(圖中以虛線表示)，載荷減小后尾部油池合并，氣穴長度恢復到初始狀態。當卷吸速度較大時，潤滑劑受到的剪切力增強，氣穴長度在剪切力作用下增加，直至發生尾部油池破裂。因而，較大卷吸速度下氣穴長度整體增加。

2.3 載荷變化周期對潤滑油池的影響

圖7中給出了3種卷吸速度下潤滑油池隨不同載荷周期的變化。可以看出，在卷吸速度8 mm/s下油池始終處于封閉態，載荷變化周期較短時尾部油池的長度增加，而氣穴的長度減小。在卷吸速度為12 mm/s時，在Tc=16 s下載荷達到90 N時尾部油池破裂；而在Tc=8 s下載荷達到40 N時就發生了油池破裂。這是由于載荷變化周期較短時，接觸區兩側的潤滑劑向接觸間隙補充的時間縮短，使得尾部油池的寬度減小，而接觸半徑的增大又導致氣穴寬度增加，進而使尾部油池在較低載荷下就發生破裂。在卷吸速度為64 mm/s時，油池始終處于分離態，載荷周期對油池的影響不明顯。

圖7 不同卷吸速度下油池隨載荷周期的變化(0.2 μL)

圖8定量給出了3種卷吸速度下量綱一側油池寬度隨不同載荷周期的變化曲線。可見，隨著載荷的增加側油池寬度均呈現出下降的趨勢。長載荷變化周期下的側油池寬度，整體大于短周期下的側油池寬度，表明長載荷變化周期可為潤滑劑提供較長的回填時間。當油池處于封閉態時，卷吸速度增大使潤滑劑的回填量減小，進而側油池寬度減小，因而圖8中12 mm/s下的側油池寬度小于8 mm/s下的側油池寬度。而當油池處于卷吸速度較高的分離態時，受到滾道重疊的影響，潤滑劑的回填得到一定程度的增強，使得側油池寬度在64 mm/s下也整體呈現出一定程度的增大。

圖8 不同卷吸速度下量綱一側油池寬度隨載荷變化(0.2 μL)

3 結論

試驗觀察了周期性載荷的條件下，供油量、卷吸速度和載荷變化周期對油池形態、氣穴和潤滑劑回填的影響，得到以下結論：

(1)在速度較低時，油池處于封閉狀態，隨著載荷的增大量綱一入口距離、側油池寬度和氣穴長度均呈現出減小的趨勢，表明載荷的增大會使潤滑劑回填和潤滑狀態變差。

(2)隨著速度的提高，載荷增大將導致尾部油池破裂，載荷減小時尾部油池將發生合并。

(3)當卷吸速度足夠高時，油池處于分離態，受到滾道重疊的影響，載荷增加過程中潤滑狀態將得到改善，而載荷減小過程中潤滑狀態變差。

(4)載荷變化周期減小時，將導致尾部油池在較低載荷下發生破裂；載荷周期對分離態油池的影響較弱。