蔡 鍔,李 猛,2,3,彭朝林
(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院,陜西 西安 710064;2. 洛陽(yáng)LYC 軸承有限公司, 河南 洛陽(yáng) 471039;3. 西安交通大學(xué) 機(jī)械學(xué)院, 陜西 西安 710049)
機(jī)械設(shè)備摩擦副之間的磨損主要取決于它們的潤(rùn)滑狀態(tài),因此潤(rùn)滑狀態(tài)判別及其不同潤(rùn)滑狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制研究是摩擦學(xué)一個(gè)重要研究領(lǐng)域[1-4]。四球?qū)嶒?yàn)機(jī)是一種應(yīng)用十分廣泛的實(shí)驗(yàn)設(shè)備[5],通過(guò)在浸潤(rùn)于潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂中的下鋼球(數(shù)量3 個(gè))和上鋼球(數(shù)量1 個(gè))之間加載一定的載荷,然后以特定時(shí)間和轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)上鋼球后,測(cè)量下鋼球和上鋼球之間的接觸磨斑直徑,對(duì)潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂的承載能力和抗磨損性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]。四球機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠、實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性好等特點(diǎn),因此在大專院校和企事業(yè)單位的科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用。長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院于20 世紀(jì)80 年代從廈門(mén)材料實(shí)驗(yàn)機(jī)廠和90年代從濟(jì)南材料實(shí)驗(yàn)機(jī)廠分別購(gòu)置了1 臺(tái)杠桿式四球?qū)嶒?yàn)機(jī),它們是 “汽車運(yùn)行材料” 和 “汽車摩擦學(xué)基礎(chǔ)” 兩門(mén)本科主干課程的核心實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備,至今仍在正常使用,但隨著課程對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求日益提高,兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)機(jī)功能單一的問(wèn)題日益凸顯。例如,隨著彈流潤(rùn)滑[7]、邊界潤(rùn)滑[8-9]理論研究的興起與深入,設(shè)備的潤(rùn)滑狀態(tài)越來(lái)越受到學(xué)者們的關(guān)注,而這兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)機(jī)只能測(cè)量磨斑直徑,已經(jīng)無(wú)法滿足潤(rùn)滑理論和摩擦學(xué)更深層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科學(xué)研究的需求。
由于年代久遠(yuǎn),原廠已無(wú)法提供實(shí)驗(yàn)機(jī)的技術(shù)支持,因此在設(shè)備改造成本允許的條件下,本文自主對(duì)原設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí),增加其功能以延長(zhǎng)使用壽命。完整改造方案包括摩擦副的接觸電阻測(cè)量、摩擦副的摩擦因數(shù)測(cè)量、摩擦副的溫度測(cè)量與控制、實(shí)驗(yàn)機(jī)的振動(dòng)與噪聲測(cè)量、四球機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的精確測(cè)量等。改造后的四球機(jī)不僅能滿足本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中基礎(chǔ)潤(rùn)滑理論學(xué)習(xí)的要求,更可為相關(guān)科學(xué)研究提供低成本的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。特別是摩擦副的接觸電阻測(cè)量方案對(duì)通過(guò)同類實(shí)驗(yàn)設(shè)備研究評(píng)估潤(rùn)滑狀態(tài)具有一定的參考價(jià)值。
傳統(tǒng)杠桿式四球機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)施加不同大小的載荷進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn),然后測(cè)量磨斑直徑,通過(guò)比較實(shí)際磨斑直徑和赫茲補(bǔ)償直徑的大小,綜合評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的承載能力,其核心部件包括實(shí)驗(yàn)載荷加載機(jī)構(gòu)和主軸轉(zhuǎn)速控制單元,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠穩(wěn)定的特點(diǎn)。但實(shí)驗(yàn)機(jī)僅能粗略測(cè)量摩擦力及測(cè)量磨斑直徑,獲取的參數(shù)過(guò)于單一,而與潤(rùn)滑狀態(tài)緊密相關(guān)的多個(gè)參數(shù)無(wú)法采集和控制。因此,改造方案在保留核心部件的基礎(chǔ)上,增加設(shè)備相關(guān)參數(shù)采集和控制功能,并且參數(shù)測(cè)量通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和記錄,增強(qiáng)了設(shè)備實(shí)時(shí)及離線狀態(tài)下通過(guò)綜合參數(shù)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑狀態(tài)的能力。改造后的設(shè)備功能如圖1 所示,改造過(guò)程中所用的主要傳感器和控制部件如表1 所示。
圖1 改造后實(shí)驗(yàn)機(jī)功能圖
表1 改造所用傳感器及控制部件的基本信息
根據(jù)經(jīng)典Stribeck 曲線[10],根據(jù)潤(rùn)滑油的膜厚比(油膜厚度與表面粗糙度之比)和摩擦副的摩擦因數(shù)可將摩擦副的潤(rùn)滑狀態(tài)劃分為流體潤(rùn)滑、流體彈性動(dòng)力潤(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑,因此油膜厚度和摩擦因數(shù)測(cè)試對(duì)于判別潤(rùn)滑狀態(tài)具有重要意義。四球機(jī)的上下鋼球之間的接觸屬于點(diǎn)接觸形式,上鋼球在主軸帶動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),從而在上鋼球表面形成一個(gè)完整圓周的磨痕,同時(shí)在上下鋼球之間接觸區(qū)域形成一定厚度的油膜。該油膜厚度與潤(rùn)滑油的黏溫特性、主軸旋轉(zhuǎn)速度及鋼球之間施加的載荷緊密相關(guān)。比較相同實(shí)驗(yàn)條件下不同油品形成的油膜厚度及不同實(shí)驗(yàn)條件下同一油品油膜厚度的變化規(guī)律,對(duì)于評(píng)價(jià)不同油品的性能指標(biāo)具有重要意義,因此油膜厚度測(cè)試是重要的潤(rùn)滑理論研究基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。成熟的油膜厚度的測(cè)試方法[11]主要包括電阻法、電容法、光干涉法和超聲波法等。其中電阻法具有電路簡(jiǎn)單,成本低等優(yōu)點(diǎn)。Tillan[12]首次采用電阻法在四球機(jī)上進(jìn)行了油膜厚度測(cè)試,Kuo[3]也在四球機(jī)上測(cè)量了接觸電阻并推導(dǎo)了接觸電阻和磨斑直徑之間的經(jīng)驗(yàn)公式。由于不同型號(hào)四球機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)及載荷加載的結(jié)構(gòu)不同,現(xiàn)有文獻(xiàn)只給出了后端的電阻測(cè)量電路,而并未說(shuō)明前端連接電路,這給重復(fù)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)一定困難。
完整的測(cè)量電路示意圖如圖2 所示。如何穩(wěn)定可靠地從高速旋轉(zhuǎn)的主軸上獲取電信號(hào)是測(cè)量電路的關(guān)鍵,可采用根據(jù)主軸半徑定制導(dǎo)電滑環(huán)的方法解決,在考慮改造成本的前提下,也可采用圖2 中電機(jī)電刷連接主軸的簡(jiǎn)易方案,圖2 中電刷彈簧一端固定在主軸軸承端蓋螺釘上,刷頭一端與主軸外表面實(shí)現(xiàn)柔性接觸。同時(shí),為了將測(cè)量的接觸電阻部分與四球機(jī)其他部件絕緣隔離,油盒和止推軸承部分增加了橡膠墊片。主軸軸承使用的是滾動(dòng)軸承,滾動(dòng)體和內(nèi)外圈之間填充的是非導(dǎo)電特性的潤(rùn)滑脂,經(jīng)測(cè)量在主軸旋轉(zhuǎn)時(shí),主軸和機(jī)體部分之間的電阻大于1 MΩ(遠(yuǎn)大于所測(cè)量的接觸電阻),因此可認(rèn)為測(cè)量電路在上部分和機(jī)體之間實(shí)現(xiàn)了絕緣隔離。為了盡可能降低外部電源電壓波動(dòng)給測(cè)量結(jié)果造成的擾動(dòng),輸入電壓Ui采用干電池(1.5 V)供電,分壓電阻采用33 Ω,Ui和輸出電壓Uo端子同時(shí)接數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行電壓采集。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,此電路在摩擦副所產(chǎn)生的電壓不會(huì)擊穿潤(rùn)滑油膜而造成接觸電阻誤判[13]。由電路圖可知,接觸電阻
圖2 接觸電阻測(cè)量示意圖
由節(jié)1.1 可知,根據(jù)Stribeck 曲線,不同的摩擦因數(shù)對(duì)應(yīng)不同的潤(rùn)滑狀態(tài)。在長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,摩擦因數(shù)的突然改變往往預(yù)示著潤(rùn)滑狀態(tài)的改變,因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄摩擦因數(shù),并根據(jù)摩擦因數(shù)的改變而及時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施調(diào)整,同樣具有重要意義。原實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)量摩擦力矩采用彈簧測(cè)力機(jī)構(gòu),測(cè)試數(shù)據(jù)精度低,干擾大,且測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。本文采用S 型拉壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集卡的形式實(shí)現(xiàn)摩擦力的精確測(cè)量和數(shù)據(jù)保存,如圖3 所示。上下鋼球之間的摩擦力通過(guò)一端固定在機(jī)體,另一端使用鋼絲繩固定在底座上的傳感器進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)時(shí),鋼絲繩受到摩擦力的作用而繃緊,傳感器將隨摩擦力線性變化的電壓送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。摩擦因數(shù)大小與油盒底座直徑及鋼球直徑相關(guān),以標(biāo)準(zhǔn)鋼球直徑12.7 mm 計(jì)算,四球機(jī)摩擦因數(shù)計(jì)算公式[14]為
其中:f為傳感器測(cè)量值(單位N),n為施加的載荷(單位N),D為底座直徑(單位mm)。
圖3 摩擦因數(shù)測(cè)量示意圖
溫度是影響潤(rùn)滑油黏度的重要因素之一[15],進(jìn)而影響油膜的形成。四球機(jī)的摩擦副在不同溫度條件下也處于不同的潤(rùn)滑狀態(tài),研究比較摩擦副在不同溫度條件下的潤(rùn)滑狀態(tài)及在盡量接近實(shí)際工況溫度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)更具有實(shí)際意義。原實(shí)驗(yàn)機(jī)油盒并無(wú)加熱裝置,只能在室溫條件下實(shí)驗(yàn),限制了其使用條件。本文設(shè)計(jì)的摩擦副溫度與控制示意圖如圖4 所示。在原實(shí)驗(yàn)機(jī)油盒表面覆蓋硅膠加熱片進(jìn)行電加熱,溫度控制采用集成溫控電路,溫控算法采用PID(實(shí)際溫控精度0.1 ℃),當(dāng)檢測(cè)到實(shí)際溫度和設(shè)定溫度出現(xiàn)偏差時(shí),溫控器發(fā)出信號(hào),觸發(fā)繼電器,從而控制電加熱電路的通斷。溫度測(cè)量采用PT100 熱電阻傳感器(溫度測(cè)量上限500 ℃),安裝在油盒的底部,傳感器上端與油液直接接觸,四周間隙通過(guò)絕緣膠進(jìn)行密封。溫度控制器自帶RS485 通信接口,可通過(guò)該接口與計(jì)算機(jī)通信,實(shí)現(xiàn)測(cè)量值的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。
圖4 摩擦副溫度與控制示意圖
四球機(jī)主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)伴隨著較大幅值的振動(dòng)與噪聲,其主要振動(dòng)噪聲源包括:主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)、油盒中上下鋼球的點(diǎn)接觸及機(jī)體其他運(yùn)動(dòng)部件(傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸承、電氣部件等)的運(yùn)行。采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲信號(hào),挖掘與上下鋼球點(diǎn)接觸緊密相關(guān)的振動(dòng)和噪聲信號(hào)特征,對(duì)于判別油盒中鋼球的潤(rùn)滑狀態(tài)具有重要的參考意義。例如,在四球機(jī)潤(rùn)滑油承載能力測(cè)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,隨著加載砝碼的增加,部分有經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員將機(jī)體振動(dòng)幅值的突然增大,及伴隨出現(xiàn)的尖銳金屬接觸聲響作為油膜破裂、潤(rùn)滑油已經(jīng)達(dá)到最大承載能力的標(biāo)志之一??紤]測(cè)試成本及四球機(jī)工作在開(kāi)放環(huán)境,采用支架安裝傳感器測(cè)量四球機(jī)噪聲。同時(shí),振動(dòng)加速度傳感器通過(guò)磁力吸座安裝在靠近主軸的殼體上測(cè)量水平方向振動(dòng)。無(wú)論噪聲傳感器還是振動(dòng)加速度傳感器,都盡可能按照靠近油盒位置的原則進(jìn)行布置,這樣能盡量縮短振動(dòng)和噪聲的傳遞路徑,保留與潤(rùn)滑緊密相關(guān)的信號(hào)特征信息。
旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的軸承在升速和降速過(guò)程中,由于轉(zhuǎn)速的急劇變化,油膜厚度將受到影響,軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)也隨之改變,在此過(guò)程中潤(rùn)滑失效引起的設(shè)備工作異常問(wèn)題也是研究熱點(diǎn)之一。因此,綜合四球機(jī)主軸轉(zhuǎn)速和鋼球接觸電阻的變化來(lái)分析鋼球在升降速過(guò)程中潤(rùn)滑狀態(tài)的轉(zhuǎn)換問(wèn)題具有重要意義。原實(shí)驗(yàn)機(jī)缺少轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置,無(wú)法獲取主軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。本文在主軸外表面粘帖反光紙,采用激光轉(zhuǎn)速傳感器獲得傳感器階躍信號(hào),將此信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)后,通過(guò)編制峰值搜尋程序,自動(dòng)識(shí)別原始信號(hào)中的波峰時(shí)刻值,以此計(jì)算主軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。設(shè)搜尋的相鄰峰值對(duì)應(yīng)序號(hào)分別為t1和t2,主軸外表面一圓周均勻粘貼的反光紙數(shù)量為m,采集卡采樣率為Fs,則主軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速為, 轉(zhuǎn)速單位為r/min。
改造的四球機(jī)的實(shí)物照片如圖5 所示。以某品牌汽車全合成潤(rùn)滑油(標(biāo)號(hào)0W/40)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,在實(shí)驗(yàn)條件為載荷160 N、四球機(jī)轉(zhuǎn)速1 200 r/min、實(shí)驗(yàn)時(shí)間60 s、油盒溫度25 ℃的穩(wěn)定工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。截取其中的10 s 數(shù)據(jù),接觸電阻、振動(dòng)加速度、噪聲、摩擦因數(shù)結(jié)果如圖6 所示,由于試驗(yàn)載荷較小(該潤(rùn)滑油的承載能力在1 000 N 左右),試驗(yàn)轉(zhuǎn)速較高,可以看出上下鋼球的接觸電阻較大。此外,從接觸電阻的放大圖可以看出,接觸電阻會(huì)隨機(jī)地從較大值下降至0。這是由于試驗(yàn)溫度較高,潤(rùn)滑油黏度較低,因此形成的油膜厚度較小,當(dāng)油膜厚度偶爾小于鋼球的表面粗糙度時(shí),上下鋼球直接形成了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的金屬接觸,隨之帶來(lái)接觸電壓急速下降,導(dǎo)致接觸電阻接近0。此過(guò)程結(jié)束后,較薄的油膜和上下鋼球接觸點(diǎn)之間形成了RC 充電回路,接觸電壓重新上升,導(dǎo)致接觸電阻重新增大,但相比電壓下降時(shí)間,電壓上升時(shí)間略長(zhǎng)。以上現(xiàn)象在文[13]中得到了更為詳盡的解釋。
圖5 改造四球機(jī)實(shí)物圖
從圖6 可以看出噪聲、振動(dòng)及摩擦因數(shù)較為平穩(wěn),從時(shí)域上可以看到較為明顯的周期振動(dòng)成分。這是由于實(shí)驗(yàn)載荷遠(yuǎn)低于承載能力載荷,鋼球潤(rùn)滑狀態(tài)良好,實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)和噪聲主要受到電機(jī)、軸承等旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件的影響。當(dāng)實(shí)驗(yàn)載荷大于潤(rùn)滑油的承載能力時(shí),油膜不能完全形成時(shí),鋼球處于金屬直接接觸摩擦狀態(tài),可以預(yù)見(jiàn)其振動(dòng)會(huì)包含更多的沖擊振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)成分。
圖6 四球機(jī)測(cè)量結(jié)果圖
為了研究潤(rùn)滑狀態(tài)的改變。手動(dòng)設(shè)置四球機(jī)轉(zhuǎn)速由50 r/min 逐步上升至2 000 r/min,每種轉(zhuǎn)速持續(xù)時(shí)間10 s 左右,其他實(shí)驗(yàn)條件不變。為更加容易發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和接觸電阻之間的變化趨勢(shì),減少偶然因素的干擾,每100 個(gè)接觸電阻采集數(shù)據(jù)求取平均值,分析不同轉(zhuǎn)速條件下平均接觸電阻的變化趨勢(shì),結(jié)果如圖7 所示??梢钥闯鲭S著轉(zhuǎn)速的穩(wěn)步升高,平均接觸電阻也穩(wěn)步增大(圖中的兩次明顯突變是測(cè)量過(guò)程中的隨機(jī)干擾,分析時(shí)應(yīng)將其忽略),并且接觸電阻下降至0 的次數(shù)越來(lái)越少,這是由于隨著轉(zhuǎn)速的升高,由經(jīng)典Hamrock-Dowson 公式可知,油膜厚度在增加,鋼球之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)金屬接觸的次數(shù)在減少,鋼球的潤(rùn)滑狀態(tài)也由邊界潤(rùn)滑開(kāi)始逐步轉(zhuǎn)變,直至完全進(jìn)入流體潤(rùn)滑,此時(shí)其接觸電阻也不再下降。將接觸電阻明顯增大的過(guò)渡區(qū)域進(jìn)行放大,如圖8 所示,可以看出,從第29 s 左右開(kāi)始,隨著轉(zhuǎn)速由100 r/min 提高到200 r/min,其平均接觸電阻由0 迅速增大幾個(gè)數(shù)量級(jí),表明潤(rùn)滑狀態(tài)正在由金屬接觸為主的狀態(tài)向其他潤(rùn)滑狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。
圖7 四球機(jī)平均接觸電阻與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖
圖8 過(guò)渡區(qū)域平均接觸電阻與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖
改造后的四球機(jī)在 “汽車運(yùn)行材料” 課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了應(yīng)用。該課程中測(cè)量潤(rùn)滑油的承載能力是一個(gè)較為重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,在傳統(tǒng)四球機(jī)上按照加載砝碼、實(shí)驗(yàn)?zāi)p、測(cè)量鋼球磨班直徑、對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整砝碼的步驟,進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn),才能得到潤(rùn)滑油承載能力指標(biāo)值。實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁瑣,耗時(shí)費(fèi)力,由于學(xué)生缺乏對(duì)潤(rùn)滑油承載能力的直觀認(rèn)識(shí),在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易失去耐心,教學(xué)效果不佳。將改造后的四球機(jī)應(yīng)用在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中,設(shè)備具備多參數(shù)測(cè)量能力,每次加載砝碼實(shí)驗(yàn)后都能獲得對(duì)應(yīng)的接觸電阻、摩擦因數(shù)、振動(dòng)和噪聲指標(biāo)及油盒溫度等結(jié)果,并繪制出變化趨勢(shì)曲線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果形象直觀。通過(guò)觀察升速過(guò)程中主軸轉(zhuǎn)速與接觸電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系,學(xué)生對(duì)油膜的形成過(guò)程也有了較為形象的感觀認(rèn)識(shí),實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果得到了顯著的提升。
為了滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)和構(gòu)建潤(rùn)滑研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的需求,對(duì)原有四球機(jī)進(jìn)行了升級(jí)改造。通過(guò)升級(jí)原有參數(shù)測(cè)量裝置,增加多種類型傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備,使設(shè)備具備了多參數(shù)測(cè)量和記錄存儲(chǔ)的功能。改造后的設(shè)備在教學(xué)實(shí)踐中得到了應(yīng)用,其功能得到了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:測(cè)量的接觸電阻能夠正確反映四球的潤(rùn)滑狀態(tài)及其轉(zhuǎn)變,同時(shí)可以結(jié)合測(cè)量的其他參數(shù)對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估。此外本文提供的改造方案還具有改造成本低,易于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于國(guó)內(nèi)同類型四球機(jī)的升級(jí)改造具有一定的參考價(jià)值。