低温下润滑剂对微型轴承启动摩擦力矩的影响

2011-07-25姜绍娜陶德华陈晓阳顾家铭

轴承 2011年9期

姜绍娜，陶德华，陈晓阳，顾家铭

(1.上海大学机械自动化学院，上海 200072;2.上海天安轴承有限公司，上海 200233)

对于航天航空等设备用的微型轴承，低温启动摩擦力矩是一项十分重要的性能指标，其大小及波动性不仅影响系统能量的传递，还影响着系统信号传递的准确性[1]。微型轴承的启动摩擦力矩测试仪种类繁多，通常配有各种控制系统，结构较为复杂，制造成本高，在各种苛刻的环境温度条件下进行试验时，温度不易控制，测试低温下的启动力矩重复性差，且容易损坏测试仪器。在此开发出一种测试装置，可保证相同的轴向载荷均匀地作用在被测轴承上，并能在各种苛刻的低温环境下测试各种润滑剂的摩擦扭矩。

1 测试装置

1.1 结构

图1所示为低温启动摩擦力矩测试装置。将被测轴承安装在轴两端的套筒内，两端分别用左、右端盖定位固定在支座上，靠近被测轴承处钻孔放入温度传感器用于测温。为了保证每次测量施加的轴向载荷相同，在左端盖内安装弹簧，弹簧的长度及刚度根据预紧力大小设定，弹簧座与内挡圈导向槽发生点接触，轴向力通过内挡圈可均匀地施加在被测轴承上。轴的伸出端用2个紧定螺钉固定直径为80 mm的平衡轮，该紧定螺钉两端配有2个平衡螺母微调平衡轮的偏心，当砝码放入托盘，平衡轮一旦转动，便可测得被测轴承的启动摩擦力矩。将该装置放入一个环境温度低于测试温度并能够迅速降温的冷控箱内(冷控箱可达-70 ℃)，当温度传感器达到测试温度即可打开冷控箱盖子进行测试。

1—冷控箱；2—支座；3—温度传感器；4—内挡圈；5—弹簧座；6—弹簧；7—左端盖；8—固定螺钉；9—套筒；10—轴；11—定位螺钉；12—被测轴承；13—右端盖；14—平衡轮；15—紧定螺钉；16—平衡螺母；17—托盘；18—砝码图1 低温摩擦力矩测试装置

1.2 测试原理及过程

由图1可知，测得的启动摩擦力矩为2组被测轴承的启动摩擦力矩之和M，尽管平衡螺母可消除一定的偏心，但因系统误差导致的偏心力矩ΔM仍不可避免。假设正转时测得启动摩擦力矩值为

M正=M+ΔM，

(1)

则反转时测得启动摩擦力矩值为

M反=M-ΔM，

(2)

故两组被测轴承的启动摩擦力矩之和为

(3)

轴承在启动过程中摩擦力矩值并不恒定，有时会存在大点或死点。常温下测试相对简单，往往多次测量取平均值，而对于本试验装置，冷控箱在降温及测试过程中起着关键的作用，由于测试过程温度极低，达到待测温度需打开冷控箱盖子，此时降温系统需要保持工作状态，保证其降温要求并能及时吸收空气中的水蒸气，防止混入轴承影响润滑剂的性能。为此应尽量减少测量次数，故测试数据一般以最小启动摩擦力矩为准。

由于被测轴承的清洁度对摩擦力矩影响明显，故要求轴承从存储到测试都要规范，防锈油、汽油均要按要求严格过滤。为清除轴承内杂质，测试轴承需先去磁，用无水酒精清洗2～3遍，再用过滤汽油清洗3遍。然后烘干，除净轴承内残存的汽油，以防降温时其凝固影响测试精度。最后用试针加3滴润滑剂于被测轴承中，预热至50 ℃并保持30 min,以消除润滑剂内应力。

先在常温下测试轴承的启动摩擦力矩，记录数据后放入冷控箱内，然后在不同的低温下测试启动摩擦力矩。更换不同润滑剂的测试均须重复上述操作步骤。测试过程中使用的砝码均由高精度天平测试仪标定，砝码最小精度为0.01 g，放置砝码时产生的冲击力会影响测试结果，故砝码要轻拿轻放。

2 测试样品

被测轴承的结构参数见表1。

表1 轴承结构参数

润滑剂对轴承摩擦力矩的影响非常大，润滑应能在各种工况条件下使轴承工作表面保持适当的油膜，从而保持小而稳定的摩擦力矩，提高轴承的工作寿命[2]。试验的油品为：(1)特4，特5精密仪表油(简称特4#，特5#油)是由有机硅油复合而成的合成油，是高精密仪表轴承原用的油品，黏度低，具有很好的黏温性能[3]；(2)低黏度聚醚润滑油及68#聚醚型合成油，具有优良的黏度指数，68#聚醚的黏度指数>180。通过四球机试验已证明特5#油耐磨性较差，而68#聚醚型合成油有较好的耐磨性[4]，有利于提高轴承的工作寿命。各种润滑剂具有各自不同的优势，流变性能对比见表2。

表2 各种合成油品的流变性能对比

3 试验分析

3.1 与YZC-II的比较试验

由于试验机为纯机械装置，结构相对简单，而被测轴承精度高、摩擦力矩值很小，故对装置零部件的加工精度要求高，为检测其可靠性，在室温下(8 ℃)与常用的YZC-II摩擦力矩测试仪进行结果比对。随机抽取5套轴承，润滑剂为特4#油，对轴承施加5 N的轴向载荷，用YZC-II测试仪测得的启动摩擦力矩值见表3。采用该试验装置，在室温下采用相同的条件 (轴向载荷5 N，润滑剂为特4#油)多次测量每组轴承最小启动摩擦力矩值约为50～60 μN·m，即平均每套轴承的最小启动摩擦力矩值约为25～30 μN·m，与表3对应的最小值29.14～36.74 μN·m相比，两种仪器测试结果有一定的吻合性。

表3 YZC-II启动摩擦力矩测试结果 μN·m

3.2 润滑油的低温性能试验

为了测试低温下润滑剂的性能，随机抽取3组(每组2套)轴承，分别对表2中的4种润滑剂进行测试。表4为轴向载荷为1 N时3组轴承在不同温度下的启动摩擦力矩测试结果，表5为第1组轴承在轴向载荷为5 N时的测试结果。

表4 不同温度下3组轴承启动摩擦力矩值 μN·m

表5 第1组轴承启动摩擦力矩测试结果 μN·m

值得注意的是，在低温测试过程中，因轴承降温过程时间长，润滑剂无流动性，启动摩擦力矩值偏大，一旦启动后再次测量，摩擦力矩就会稍微下降(呈现非Newton流体特性)。

由表4、表5可知，当轴向载荷增大时，启动摩擦力矩也相对增加，但润滑剂的低温特性规律保持一致，4种润滑剂在室温下的启动摩擦力矩值相差不大。特4#，特5#润滑剂的低温性能较好，在-50～- 60 ℃下启动过程中稍微滞后且数值变化不大，同时，力矩数值的重复性说明该装置低温下测试效果的可靠性。尽管文献[4]中的四球机试验表明低黏度聚醚和68#聚醚常温下有较好的耐磨性，但由于倾点低于-55 ℃，在-40 ℃时启动过程变得相对缓慢，降至-50 ℃时启动摩擦力矩值波动较大，故其低温性能相对较差。