滚子圆环接触式光弹流试验装置的设计及初步实验研究*

(1.常州大学机械工程学院 江苏常州 213164;2.常州光洋轴承股份有限公司 江苏常州 213125;3.常州大学怀德学院 江苏靖江 214513)

随着《制造2025》计划的推进，以滚动轴承、齿轮为典型关键零部件的性能成为国内高速、重载领域发展的瓶颈。作为其支撑的基础理论滚子摩擦副线接触弹流，受到越来越多的学者关注。KUSHWAHA[1]、PANOVKO[2]、LIU[3]等对滚子摩擦副偏转角问题进行了研究，研究结果表明，随着偏转角的增大，最小油膜厚度降低，大径比滚子对于偏斜更为敏感。

近年来国内外关于有限长线接触弹流润滑理论方面的研究明显增多[4-9]，但是试验研究还较少。王鹏等人[10]根据光干涉原理在自制的圆盘试验台上测量了滚子副急停过程的弹流油膜变化，讨论了载荷对油膜厚度的影响。WANG等[11]利用多点线接触光弹流试验机研究了工况条件对乏油的影响。但是上述试验均是模拟推力轴承的，不能真实反映径向圆柱滚子轴承的成膜特性，因为推力式的球盘试验机在高速运转时，由于离心力的作用润滑油会往外迁移，与实际径向轴承的润滑状态不相符。因此，有必要研发圆环式的光弹流试验机。近期，WANG等[12]开发了球-圆环光弹流试验机，线速度可达50 m/s以上，证明了圆环式光弹流试验机的可行性。但是对于线接触的圆环式光弹流试验机还未建立，因此本文作者在课题组的研究基础上[13-14]，搭建了滚子圆环接触式光弹流试验平台，为高速、重载下滚子接触副弹流润滑的研究提供了实验数据。

1 旋转式试验装置

1.1 机械传动部分

根据波动光学原理，综合考虑各个方面的影响因素以及借鉴经典的光弹流试验装置，研发了滚子-圆环接触式光弹流润滑油膜测量试验台。需要指出的是试验机应能承受重载荷,才可有效观测滚子摩擦副端部的“边缘效应”[15]；并且在实际工程应用中，高速易引起振动导致干涉图像不清晰，因此试验机需提高精度，控制圆环的径向跳动。图1给出了设计的原理图，主要由机械部分(砝码、杠杆、圆环玻璃、连轴器、伺服电动机、加载机构等)、图像采集系统(图像采集、CCD显微镜、冷光源等)以及试验滚子组成。

图1 实验装置原理图Fig 1 Schematic diagram of experimental rig (a) general schematic diagram of experimental rig;(b)ring glass

实验装置中将经典试验机的透明玻璃由圆盘或长条形改成石英玻璃圆环，环的一端镶嵌在轴承套中并通过销连接以实现圆周运动，从而将原试验机的水平旋转运动或往复水平直线运动变为垂直旋转。圆柱试验滚子置于石英玻璃环的内径表面上，通过PLC对伺服电动机的控制，玻璃圆环可以实现匀速、变速、急停等多种运动工况。

加载机构由2个杠杆组成的杠杆机构完成加载，杠杆的加载端是由多个小轴承串联后，在其外面加上轴套形成2个细长的轴承与滚子直接接触，这样能保证实验滚子实现纯滚动。而在杠杆的另一端由托盘和挂钩连接，上面放加载砝码片。为了能获得足够大的载荷，杠杆加载比例设计成1∶8。

1.2 光学与图像采集系统

实验装置采用的透明材料是石英玻璃，圆环外径240 mm、内径200 mm，内表面镀有铬膜、反射率n<20%、透过率φ<60%；实验光源为氙气冷光源，通过一个中心波长为 600 nm的窄带滤光片；显微镜是 MZDH1065TC 型高倍率连续变倍单筒视频显微镜，具有高倍率、高分辨率的特点，可同时进行视频显示和目视观察，使用光纤同轴照明，工作距离 82 mm，变倍主体连续变倍范围 1X～6.5X，目视放大倍率10X～20X，显微镜一端安装普通CCD，获取润滑油膜变化的视频。

2 实验

2.1 实验条件

实验试件为圆柱滚子，直径为10 mm，全长为10.5 mm。为了能够获得好的干涉图像，滚子表面经手工抛光。实验在常温下进行((20±1)℃范围内)，可认为是等温条件下。实验装置全貌如图2(a)所示。图2(b)所示为其关键部件(石英玻璃圆环)及安装图。

图2 实验装置Fig 2 Photo of experimental rig (a)panorama of experimental rig;(b)ring glass and installation drawings

实验采用的润滑剂为高分子聚合物聚异丁烯(PB1300)，表1给出其特性指标。

表1 润滑剂的特性Table 1 Properties of lubricant

2.2 滚子动态实验结果

实验采用了2种载荷，分别为560和1 600 N，对应的最大接触应力分别为0.58和0.75 GPa。实验分析了4种不同卷吸速度下的油膜干涉图，速度分别为17.5、20、22.5、25 mm/s。

图3所示为载荷560 N下不同速度的油膜干涉图像，可见出口区有明显的颈缩现象。当滚子卷吸速度较低(ve= 12.5～17.5 m/s)时，可以明显观测到滚子平坦接触区，且因滚子制造误差而呈椭圆状；而卷吸速度较高(ve= 22.5～25.0 m/s)时，平坦接触区却难以观测。另外，由于载荷较轻，从4个图中都不能观测到滚子端部的“边缘效应”，端部油膜较厚，且随着卷吸速度的增加，滚子端部的油膜厚度亦增加，滚子端部的“边缘效应”消失，滚子中部接触区变窄。

图3 动态实验干涉图像(W=560 N)Fig 3 Interferogram in motion state(W=560 N)

图4所示为载荷1 600 N下不同速度时的油膜干涉图像，可以看出：无论滚子卷吸速度较低，还是较高时，都可以明显观测到滚子较大的平坦接触区。另外存在一个较为明显的特征，在各种速度情况下，滚子端部都具有清晰的马蹄形，即“边缘效应”较为显现。滚子中部和端部出现了不同的油膜形状，滚子端部的油膜厚度要小于滚子的中部，且位于出口一侧。此外，图4与图3也有着较大的差异，因为载荷的不同，滚子与接触面因相互挤压而产生的弹性形变量不同，重载下(W=1 600 N、p=0.75 GPa)滚子的弹性形变一直延伸到滚子端部，而轻载(W=560 N、p=0.58 GPa)下，滚子在轴向和径向上都有均匀的延伸，油膜干涉图像有时呈长方形状有时呈椭圆状(滚子制造误差导致)，端部效应均存在。但同等速度下，轻载下的平坦区油膜厚度比重载时厚，出口区颈缩现象亦比重载时明显。实验结果表明：载荷及速度对油膜形状和厚度十分敏感，滚子公差(尺寸公差、形状和位置公差)则会导致油膜变化剧烈。

图4 动态实验干涉图像(W=1 600 N)Fig 4 Interferogram in motion state(W=1 600 N)

3 结论及展望

(1)利用搭建的滚子-圆环接触式光弹流试验机研究了滚子在不同载荷与速度下的弹流特性。结果表明：在纯滚动状态下，随着速度的增加，滚子出口区的油膜颈缩现象越来越明显，颈缩宽度也明显变宽;当卷吸速度较高时，因滚子误差引起的振动会导致油膜出现波动。因此，滚子圆环接触式光弹流试验机能够为滚子摩擦副弹流润滑研究提供清晰的光干涉图像，后续可以为滚子轮廓的优化设计提供可靠的实验数据。

(2)在研究有限长线接触弹流润滑的问题时，不仅要考虑实验装置的精度，还要考虑试验滚子自身的精度，包括滚子的尺寸精度、形状位置精度和表面粗糙度。

(3)旋转式实验装置若采用圆柱滚子作为试验滚子，滚子两端直径一致，因此工作平稳，易实现高速，实验装置和试验滚子的精度越高，试验时的速度也可以越高；而采用圆锥滚子作为试验滚子时，滚子两端大小、直径不相等，滚子转动角速度相等，线速度不相等，难以协调，高速下易振动，设计实验装置时应考虑到这一问题。

(4)设计的实验装置只考虑了滚子卷吸速度变化情况下的等温弹流工况，变温变载等多种复杂工况的实验装置有待开发；另外，实验仅仅对一种特殊运动的工况进行了研究，更多运动状态下的研究有待下一步进行。