推力滚子轴承光干涉润滑油膜测试系统

2018-07-22鲍建辰刘成龙栗心明郭峰王建

轴承 2018年3期

鲍建辰，刘成龙，栗心明，郭峰，王建

(1.青岛理工大学机械工程学院，山东青岛 266520；2.泰安海纳轴研科技有限公司，山东泰安 271000)

滚动轴承的润滑特性影响其实际运行状态和寿命[1-3]，大多数的轴承损坏与润滑不良紧密相关，而润滑油膜厚度是表征轴承运行状况最直接的参数。国内外研究人员对不同工况下的润滑油膜厚度进行了试验测量和理论分析。文献[4]提出以玻璃盘代替轴承套圈形成多点球-盘接触装置，但是可操作性较差且图片分辨率低；文献[5]改进并设计了以螺栓为加载方式的多点球-盘测试装置，但由于存在螺纹角而形成偏载，影响试验结果且测量效果较差；文献[6]通过改变保持架的间隙，在球-盘接触光干涉油膜测量中研究了钢球与保持架之间间隙对润滑特性的影响；文献[7]研究了实际工况中运行轴承的乏油现象；文献[8]通过光干涉法初步研究了速度及载荷对轴承油膜厚度和形状的影响；文献[9]利用滚子与套圈间接触的弹流润滑数学模型，针对摆动工况下滚子副的润滑性能进行了系统的理论分析。

上述研究大都采用球-盘单点接触方式，这种模拟方式无法准确获取实际工况下的润滑信息。为此，文献[10]在上述研究基础上改进了多点接触球-盘装置，但无法保证玻璃盘端面与任意球均匀接触;文献[11]针对推力球轴承，通过钢球组方位角的调节实现不同的钢球承载状态，在偏载工况下对运动钢球的润滑膜厚和转速进行了研究；文献[12]则在该装置上分析了低速、均匀承载条件下推力球轴承波纹度和打滑率对轴承运转时润滑状态的影响，但由于原有系统刚性较差，引起的系统误差较大，且玻璃盘较小导致操作性较差，应用存在局限性。

综上所述，为克服已有测量装置的技术缺陷，通过平行并联调节装置实现了滚子与玻璃盘的接触均匀性，并增强了系统整体刚性以抑制系统的端跳和误差。采用该装置对推力滚子轴承线接触润滑油膜进行了初步测量，分析了运行工况对推力滚子轴承膜厚的影响。

1 测量系统的机械结构

测量系统的机械结构如图1所示。主要包括轴承驱动单元、加载单元、轴向跳动调节单元、光学测量单元和机架机构。该系统采用静止的玻璃盘代替滚动轴承座圈，与旋转的滚子组成了高副接触，如图2所示。

图1 推力滚子轴承油膜测量系统

图2 滚子组-盘接触示意图

1.1 轴承驱动单元

轴承驱动单元如图3所示，电动机通过联轴器与主轴连接，主轴与轴承夹具之间采用紧配合，通过调节螺钉调节夹具上座圈的水平度，主轴旋转时轴承座圈与主轴一同运转，带动滚子运动。

图3 轴承驱动单元

1.2 加载单元

加载单元主要包括加载杠杆、加载螺栓和平衡弹簧。加载杠杆前端通过轴向跳动调节单元与玻璃盘连接，杠杆支座固定在试验台架上，加载杠杆后端设计有平衡弹簧，试验中用来平衡加载杠杆自身质量。

1.3 轴向跳动调节单元(滚子组姿态角的调节)

轴向跳动调节单元用于调整玻璃盘的端面跳动及与滚子的均匀性接触，其结构如图4所示。玻璃盘通过十字万向节与加载杠杆连接，并与8个调节螺钉组成平行并联机构，可以调整玻璃盘的姿态角，使之与圆柱滚子均匀接触从而实现均匀加载。加载板通过加载弹簧实现柔性加载并进行轴向调节。

图4 轴向跳动调节单元

加载后，当运动的滚子滚过被观测接触区时，2个CCD实时进行图像采集并通过软件进行分析对比。由于图像较大的一端载荷大，可调节相对应一端的螺钉使玻璃盘均匀受载，继续上一步测量，当2次试验图像大小一致时，变换采集位置继续测量，直到每个干涉图像大小都相等时即可实现均匀加载。

1.4 光学系统

光学图像采集系统如图5所示，主要由红绿双色光源、显微镜、图像采集卡及计算机图像处理软件组成。测量原理为：首先，采用红绿双色激光作为入射光源，在滚子与玻璃盘接触处形成干涉图像；然后，经显微镜放大干涉图像并由CCD高速摄像机实时采集(最高帧频为10 000 FPS)；最后，通过图像采集卡和图像处理软件在计算机上显示干涉图像。光学测量系统可以观察并采集滚子的运转过程，通过DIIM软件[13]计算出油膜厚度。

图5 光学测量单元

2 试验测量

在不同载荷条件下，采用该测量系统对滚子与玻璃圆盘形成的多点线接触油膜的形状和厚度进行初步测量。

2.1 试验条件

试验采用的透明圆盘为K9玻璃盘，为实现红绿双色光干涉测量，玻璃盘表面加镀铬膜和二氧化硅膜，控制反射率约为20%，表面粗糙度Ra值为4 nm。使用FAG81126系列推力滚子轴承，外径170 mm，高度11 mm，滚子直径12 mm，素线长12 mm。试验时用玻璃盘代替轴承座圈，并调整8根螺钉使每个滚子都与玻璃盘均匀接触，实现均匀加载。试验的环境温度为(23±1) ℃，相对湿度为(50±5)%。试验用润滑油为PB1300，其特性见表1。测量单位长度载荷w为3.3～10.5 N/mm，卷吸速度u(距离轴承轴心150 mm的速度)为0～20 mm/s。

表1 试验用润滑油的特性

为避免用量过少造成乏油现象，经多次测量后确定本次试验中润滑油用量为2 mL。需要指出的是，与传统光干涉润滑油膜定点测量不同，本测量系统中滚子动态经过观察区的过程中，图像采集位置与滚动速度和滚子间距有关。为了捕获观察区域内的动态图像，采用高速摄像机(OLYMPUS i-SPEED TR)记录一系列油膜干涉图，处于左中右3个位置的干涉图略有差别，试验中选定视场中心处的干涉图为最佳位置来反算膜厚。

另外，由于试验用的滚子较长，处于不同位置的膜厚存在较大差别，这主要是由于卷吸速度沿滚子位置不同所致，同时与滚子的形状(凸度、修形)密切相关。为了表征膜厚的差别，将滚子干涉图像均分为3个区域分别进行油膜厚度测量，如图6所示(w=3.3 N/mm)。具体操作为：用标定块标定A，B，C区域的3点像素值，通过计算得到3点之间的距离。例如：给定卷吸速度u=2.4 mm/s，通过标定各点到轴心的实际距离，进而可计算出各点实际速度为uA= 2.16 mm/s,uB= 2.22 mm/s，uC= 2.28 mm/s。

图6 滚子干涉图像及采集区域

2.2 结果与讨论

不同单位长度载荷w和卷吸速度u下滚子进入观察区的油膜干涉图像如图7所示，图中干涉图像右侧为润滑油入口方向，左侧为出口方向。可以看出：载荷对润滑油膜厚度h的影响非常明显。在w=3.3 N/mm条件下，润滑油膜随速度的变化并未呈现出带有出口颈缩的典型弹流特征，这是由于较低的载荷引起的接触副弹性变形较小，此时润滑油膜以动压润滑机理为主。在w=7.5 N/mm和w=10.5 N/mm条件下，弹性变形使接触区明显变宽，进而随速度增加呈现出了典型的弹流油膜特征；当速度进一步增加时，弹性变形消失，润滑状态向动压润滑转化。

图7 不同载荷下推力滚子轴承的滚子干涉图像

给定u=2.22 mm/s时，w=3.3 N/mm和w=10.5N/mm工况下不同位置的油膜形状如图8所示。图中A，B，C分别代表了图6中3个区域内的油膜厚度h，载荷较小时，油膜弹流特征不明显，而载荷较大时呈现出口颈缩特征。w=3.3 N/mm条件下不同位置膜厚随速度变化的曲线如图9所示。由图8和图9可以看出：接触区A处的油膜厚度大于B处和C处的油膜厚度，这是因为滚子端部进行了修形，且滚子中间位置存在一定凸度。真实轴承滚子表面的波纹度和端部修形等可以通过对轴承的成膜等特性分析进行改进设计。

图8 不同位置油膜厚度曲线

图9 固定载荷条件下膜厚速度曲线

不同载荷工况下，推力滚子轴承的油膜厚度随速度的变化曲线如图10所示。从图中可以看出：随着速度的增大，油膜厚度呈线性增加趋势。而随着载荷增加，膜厚随速度变化趋势变缓，弹流特征明显。

图10 不同载荷工况下膜厚速度曲线

通过数值方法对相同工况下线接触油膜厚度进行了模拟，对比了不同速度下推力滚子轴承油膜厚度的计算值与试验值，膜厚随速度变化的曲线如图11所示。从图中可以看出：润滑状态处于弹流状态时，试验结果与数值仿真结果吻合性较好，且试验结果与Hamrock-Dowson的等温点接触弹流润滑中心膜厚公式的计算结果一致[13]。