定量供油下球-环/球-盘接触形式润滑特性对比

李桂枝,白清华,栗心明,杨 萍,郭 峰,金旭阳

(青岛理工大学 机械与汽车工程学院,山东 青岛 266520)

滚动轴承作为机械装备的常用零件，广泛应用于机械、汽车和航空等领域，是一种典型的高副接触.为了便于对高副接触区润滑油膜成膜机制进行研究，在理论模型和试验观察中，常采用球-盘接触形式.早在上世纪60年代，Gohar等[1]开发了球-盘接触形式的润滑油膜测量装置，并采用光干涉技术对弹流润滑油膜进行了测量.此后数十年内，尽管光学测量技术不断改进，但球-盘接触的核心机械结构仍被广泛应用.例如，Huang等[2]使用球-盘试验装置在乏油条件下对不同类型的润滑脂进行测试，并对膜厚分布进行分析.Li等[3]研究滚动接触中润滑脂油膜随玻璃盘旋转圈数的演化过程.Liang等[4]采用球-盘试验机探索离心效应对油池形状与油膜厚度的影响.Woloszynski等[5]通过球-盘试验机研究纳米级波纹结构对弹流油膜厚度和摩擦系数的影响.刘成龙等[6]在球-盘试验机上开展润滑脂纤维结构对弹流油膜的研究.

近期，球-环接触形式的润滑油膜测量装置也被开发出来用于分析滚动轴承的润滑状态.球-环接触测量装置相对于传统的球-盘接触测量装置，接触形式更接近滚动轴承中滚动体与其外圈接触的几何形式，且润滑剂受离心力作用的流动与真实轴承类似，因而测量结果易于与真实滚动轴承相关联，为轴承润滑性能的研究及设计提供相对直接的数据支撑.采用该接触形式，Zhang等[7]研究油膜厚度随卷吸速度变化的行为；崔伟勤等[8]对高速下润滑机理进行分析，得出高速下膜厚下降的主要原因是滑滚比的存在.此外，诸如双圆盘试验机[9]和四球试验机[10]等均被用以开展机械零部件润滑状态的研究.一些学者还对多种试验机测量结果进行了对比分析，Bergseth等[11]对比球盘和双圆盘试验机以评估表面/润滑剂相互作用的行为差异.Liu等[12]比较球盘和双圆盘试验机在相同操作条件下测量的牵引曲线，发现随着滚动体尺寸的增加，摩擦系数降低.这些研究表明了不同接触形式可对接触区润滑状态产生不同影响.

实际上，球-盘接触与球-环接触的几何特征差异引起接触区周围不同的微间隙，使毛细力的作用发生变化，影响接触区附近的油池形态，进而对接触区内的润滑状态产生不同影响，该差异对限制性供油条件下润滑状态影响更加突出.此外，球-盘接触与球-环接触在速度较高时，离心力作用方向不同，也会对润滑剂的流动产生影响.但目前仍缺少因两种接触形式不同诱发的润滑特征差异研究，因而本文中对两种接触形式的润滑特征进行对比，以明确接触几何参数对润滑剂流动及润滑状态的影响.

1 试验装置与试验条件

1.1 试验装置

试验在自行研制的球-盘接触试验机和球-环接触试验机上进行，其中球-盘试验机开发较早已广泛应用，其具体测量示意图及工作原理可参考文献[13].球-环试验机测量系统如图1所示，其主要功能是测量不同试验工况下的油膜厚度与摩擦系数.球-环试验机主要组成包括四部分：球环驱动部分、图像采集部分、摩擦力采集部分和球环接触部分.球-环接触区上方放置显微镜和CCD面阵相机，用于干涉图像的采集，采用双色光调制光强法[14-15]测量油膜厚度.玻璃环和钢球分别由伺服电机驱动，最大转速可达3 000 r/min.接触区产生的摩擦力由球驱系统上的拉压传感器采集测量.

Fig.1 Schematic diagram of the ball-on-ring test machine图1 球-环试验机示意图

上述两套试验装置的主要差异是接触形式不同，一种是球-盘接触(Ball-on-disc)，文中记为BOD；另一种是球-环接触(Ball-on-ring)，文中记为BOR.

1.2 试验条件

试验用玻璃环和玻璃盘材质均为K9，摩擦副表面镀Cr+SiO2膜，表面粗糙度为8 nm；玻璃环内径110 mm，选定玻璃盘接触区回转半径为55 mm；试验用钢球材质为GCr15钢，直径25.4 mm，表面粗糙度为14 nm.

试验环境温度为22±1 ℃，卷吸速度(ue)分为两个区间，即0～512 mm/s定义为低速区间，576～2 048 mm/s定义为高速区间.为了使得两种接触形式的工况参数相同，试验中两种接触形式最大赫兹接触应力均为0.48 GPa，对应BOD和BOR接触形式的载荷分别为24和40 N.试验选用PAO6、PAO20和PAO40三种基础油，其性能参数列于表1中，每次试验供油量为0.5 mL.

表1 试验用润滑油特性Table 1 Properties of lubricants used in experiments

2 结果与讨论

2.1 低速区间试验结果

图2是PAO6润滑油在BOD与BOR两种接触形式下的低速试验结果，其中图2(a)为光干涉图像，图2(b)为相应的膜厚随卷吸速度变化曲线图.可以看出，两种形式下的干涉图像特征存在明显的差异，由于玻璃盘与玻璃环的曲率不同，BOD和BOR的接触区分别呈现为圆形和椭圆形.同时，接触曲率不同也使入口区动压效应产生差别，进而影响两种接触形式下的成膜特性，其中BOD的润滑油膜厚度较高.图2(b)中定量对比了两种接触形式下膜厚随卷吸速度的变化曲线图，可见，两种接触形式下的膜厚均随卷吸速度的增加而线性增加，这与Hamrock-Dowson公式(H-D公式)理论预测趋势相符[16]，同时，BOD接触方式的最小膜厚(hmin)与中心膜厚(hc)均大于BOR接触方式.

为了考察黏度对两种接触形式下油膜特征的影响，图3中采用PAO20润滑油对比了BOD与BOR两种接触形式下的试验结果.从图3中可以看出，其变化规律与图2类似，BOD接触形式的最小膜厚与中心膜厚均高于相同工况下BOR接触形式的膜厚.当润滑油黏度(PAO40)进一步增加时，图4(a)显示以BOR接触形式时，随着卷吸速度的增加在入口区出现乏油，如ue=448 mm/s和ue=512 mm/s时图中白色虚线所示，而在相同条件下的BOD接触形式的入口区并未发生乏油.与干涉图相对应，图4(b)显示BOR接触形式下的膜厚增加存在1个临界值(如绿框标识)，受到入口区乏油影响，超过该临界值后膜厚随着卷吸速度的增加而减小，而BOD接触形式的膜厚仍然随着卷吸速度的增加而线性增加.

图5所示为黏度随膜厚增加率的变化曲线，其中Δh=hBOD-hBOR，水平虚线是H-D公式理论计算Δh/hBOR的结果.依据H-D公式，膜厚增加率可由式(1)表示.

式中：k1和k2分别为BOD和BOR接触形式下的椭圆率；Rx1和Rx2分别为两种接触形式沿x方向的曲率半径；w1和w2分别为两种接触形式下的载荷.由式(1)计算得到的膜厚增加率如图5中水平虚线所示.在式(1)中(w1/w2)-0.067项的数值约为1，因而可以忽略载荷差别的影响，膜厚增加率的数值主要由接触形式的几何特征决定，即曲率半径和椭圆率.图5中显示在理论上BOD接触的膜厚比BOR接触增加了约37%，这主要是由于BOD接触的入口区几何形状所形成的动压效应优于BOR接触，且BOR接触的侧泄效应较强.但式(1)是在充分供油条件下导出的，并未考虑定量供油条件以及黏度对滚道两侧润滑剂流动及接触副入口区供油的影响.试验中采用定量供油条件，润滑剂在滚道两侧的油脊低于充分供油工况，对润滑剂的回填有限，而且增加润滑剂黏度导致滚道两侧润滑剂流动性变差，更不利于润滑剂的回填.对BOR接触形式而言，沿垂直卷吸方向的压力梯度较大，较易导致润滑剂向滚道两侧流失，但润滑剂回填又受到润滑剂随黏度增加流动性变差的抑制作用，较易出现乏油.因此，在图5中试验测量的膜厚增加率随着黏度增加呈现减小的趋势，在PAO40润滑油工况下，当速度大于288 mm/s时，因BOR接触入口乏油的出现，导致膜厚增加率明显增加.需要说明的是，膜厚增加率对两种接触形式下膜厚的变化较敏感，使试验测量数值出现波动性，尤其在低速和低黏度条件下波动性较强.

Fig.2 Comparison of test results of PAO6 lubricating oil under BOD and BOR contact forms at low speeds图2 PAO6润滑油在BOD与BOR两种接触形式下的低速试验结果对比

Fig.3 Comparison of test results of PAO20 lubricating oil under BOD and BOR contact forms at low speeds图3 PAO20润滑油在BOD与BOR两种接触形式下的低速试验结果对比

Fig.4 Comparison of test results of PAO40 lubricating oil under BOD and BOR contact forms at low speeds图4 PAO40润滑油在BOD与BOR两种接触形式下的低速试验结果对比

Fig.5 Effect of viscosity on the increase rate of film thickness图5 黏度对膜厚增加率影响

2.2 高速区间试验结果

为了观察高速条件下离心力作用方向对两种接触形式下膜厚的影响，图6示出了PAO6润滑油的测量结果.从图6(a)中可以看出，BOD接触形式在卷吸速度为960 mm/s时入口乏油边界开始出现，卷吸速度增至1 472 mm/s时入口乏油边界开始与接触区边缘发生交叉，为了避免进一步乏油对玻璃盘表面产生磨损，未进行更高速度试验.而对于BOR接触形式，在整个测试速度范围内并未出现乏油，这与低速阶段观察到的试验现象相反.从图6(b)可见，两种接触形式的膜厚曲线在速度为1 280 mm/s时出现交叉.定义膜厚交叉点所对应的速度为临界速度，当卷吸速度小于临界速度时，BOD接触形式膜厚要大于BOR接触形式；相反，当卷吸速度大于临界速度时，BOD接触形式膜厚要小于BOR接触形式，其原因是大于临界速度之后BOD接触形式入口区出现乏油，导致其接触区膜厚降低.

为了进一步观察黏度对入口乏油的影响，图7给出了PAO20润滑油在BOD与BOR两种接触形式下的试验结果.由图7(a)的光干涉图像可以看出，相对于PAO20润滑油工况，BOD接触形式下入口乏油出现时对应的卷吸速度增加到1 280 mm/s，乏油边界与接触区边缘发生交叉所对应的速度增加到1 856 mm/s.理论上，黏度的增加容易出现乏油现象，而在整个测试速度范围内，BOR接触形式的试验中仍然未出现入口乏油，这说明高速条件下离心力作用对成膜机制产生了有利影响.

Fig.6 Comparison of test results of PAO6 lubricating oil under BOD and BOR contact forms at high speeds图6 PAO6润滑油在BOD与BOR两种接触形式下的高速试验结果对比

Fig.7 Comparison of test results of PAO20 lubricating oil under BOD and BOR contact forms at high speeds图7 PAO20润滑油在BOD与BOR两种接触形式下的高速试验结果对比

2.3 机理分析

由上述试验结果可以看出，两种类型的接触副在低速和高速条件下分别呈现出不同的润滑特性，下面对导致润滑结果差异性的机理进行分析.

2.3.1 低速条件下两种接触形式润滑特性的差异

由表2中列出的两种接触形式下的几何参数可以看出，两种接触形式的椭圆比不同(若规定沿卷吸方向为x轴，垂直于卷吸方向为y轴)，其中BOD接触形式椭圆比为ke=1 (曲率半径Rx=12.7 mm)，BOR接触形式椭圆比ke=0.848 (曲率半径Rx=16.5 mm).由于入口动压效应由∂h/∂x(沿x方向的几何收敛特性)值决定，而∂h/∂x值随Rx数值的减小而增加，有利于润滑油膜的形成.同时，垂直于卷吸方向的压力梯度∂p/∂y值决定了润滑油的侧泄，且∂p/∂y值随着椭圆比ke的减小而增大，易造成润滑剂向两侧流失.上述两种因素在入口充分供油时均利于BOD接触形式润滑油膜的建立，因而图2～图4的试验结果均显示BOD的膜厚较大.此外，对BOR接触形式而言，当润滑油黏度较高时，因润滑剂在压力梯度下流失量明显大于其回填量，导致了入口乏油的出现，受此影响BOD接触形式的膜厚将明显高于BOR接触形式.

表2 两种接触形式的几何参数Table 2 Contact geometry of two configurations

此外，随着卷吸速度的增加，离心力也会对两种接触形式下润滑剂的流动产生影响.为了便于对离心力作用分析，图8给出了两种接触形式的示意图.由图8(a)可以看出，BOD接触形式下，当玻璃盘高速旋转时，所产生的离心力沿着玻璃盘的径向方向，即垂直于卷吸速度方向.而图8(b)显示，BOR接触形式下，当玻璃环高速旋转时，所产生的离心力沿着玻璃环的径向方向，即与卷吸速度的方向正交.BOD接触形式下，在一定卷吸速度范围内离心力作用将会使内侧油脊(靠近玻璃盘回转中心一侧)内的润滑油向滚道迁移回填，利于润滑油膜的建立.而对于BOR接触形式，离心力作用方向垂直于接触表面，在相同的卷吸速度范围内离心力作用对润滑剂流动影响较弱，这也是BOR接触形式较易出现乏油的原因.

2.3.2 高速条件下两种接触形式润滑特性的差异

在高速条件下，离心力作用明显增强，是造成两种接触形式下润滑特性产生差异的主要原因.为了便于分析不同速度下离心力对BOD接触形式下润滑剂流动的影响，图9给出了BOD形式接触区润滑油分布随卷吸速度变化示意图.随着速度的增加，润滑剂的流动可分为I、II和III阶段.其中第I阶段，离心力作用较弱，滚道两侧的油脊几乎呈现对称分布，在II阶段，外侧油脊(离回转中心较远的一侧)受到离心力较大，在离心力作用下消退较快，内油脊受到离心力作用较小，但润滑剂正好迁移到滚道上，从而延缓了入口乏油的出现，该阶段滚道两侧的油脊呈现出非对称性；第III阶段对应于高速工况，离心力作用明显增强，此时内侧润滑剂也因被持续地甩出而逐渐减小，最终不能起到向滚道补充润滑剂的作用，接触区入口产生明显供油不足而导致乏油.尽管增大黏度在一定程度上延缓这一过程，但不可避免会出现乏油现象，显然，BOD在高速条件下的乏油现象为第III阶段离心力的作用所致.对于BOR接触形式而言，高速条件下润滑剂由于受到离心力作用，从而更易于附着在玻璃环壁面，且钢球甩出的润滑剂也恰好落于滚道上，即离心力作用下润滑剂产生再分布，对润滑油膜的建立产生有利影响，因而，BOR形式在整个测试速度范围内未出现乏油现象.

Fig.8 Schematic diagram of BOR and BOD contact form图8 BOR与BOD接触形式示意图

Fig.9 Schematic diagram of BOD contact area changing with entrainment speed图9 BOD接触区随卷吸速度变化示意图

3 结论

采用球-盘接触和球-环接触两种测量方式，观察了定量供油条件下因接触形式不同所造成的润滑特性的差异，并分析了导致差异性的内在机理，得出如下的结论：

a.在低速条件下，BOD接触形式的润滑油膜厚度始终大于BOR接触形式，由几何特征所产生的不同动压效应和侧泄效应是导致润滑特性差异的主要原因.

b.在高速条件下，离心力作用大于几何特征的影响，BOD接触形式易出现入口乏油，而BOR接触形式在整个测试速度范围内未出现乏油，造成两种接触形式下润滑特性的明显差异.

c.黏度对两者接触形式的润滑特性产生不同影响，在低速高黏度条件下，BOR接触形式易出现乏油，高速高黏度条件延缓了BOD接触形式下乏油的出现.