滾動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)阻力測(cè)試方法研究

閆子健 金宇辰 時(shí)敬翔

摘要：滾動(dòng)軸承是機(jī)械工業(yè)及其他各行業(yè)廣泛使用的一種極其重要的零部件，其摩擦阻力直接影響到軸承的節(jié)能、壽命及可靠性。鑒于此，研究了軸心加載法的測(cè)試原理。首先對(duì)常用的滾動(dòng)軸承阻力測(cè)試方法進(jìn)行了對(duì)比分析，其次介紹了軸心加載法的測(cè)試原理，最后對(duì)軸心加載法的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了展示。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承阻力;阻力測(cè)試裝置;軸心加載法

中圖分類號(hào)：TH133.3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）01-0040-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.011

0? ? 引言

近年來，軸承摩擦阻力一直是學(xué)術(shù)界研究的焦點(diǎn)之一，軸承摩擦力矩的理論和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展迅速，研究成果已經(jīng)應(yīng)用于各種軸承的設(shè)計(jì)中，在很大程度上促進(jìn)了軸承技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步[1]。目前，對(duì)于各類軸承摩擦阻力相關(guān)問題的探討和研究，國內(nèi)外科研人員及技術(shù)工人已進(jìn)行數(shù)載，在軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、潤滑劑的合理選擇、減摩減噪、提升承載能力等方面取得了重大成果，在軸承摩擦阻力的理論分析、摩擦力矩的計(jì)算方法、測(cè)試阻力的裝置設(shè)計(jì)等方面都積累了許多經(jīng)驗(yàn)。

1? ? 軸承摩擦阻力的理論研究現(xiàn)狀

T. A. Harris[2]通過實(shí)驗(yàn)探究了軸承負(fù)載與軸承摩擦阻力的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在不考慮其他變量的條件下，隨著軸承載荷的增加，軸承的摩擦阻力也會(huì)增加。該研究只進(jìn)行了軸向載荷情況下的測(cè)試工作，忽略了徑向載荷。

T. Kitahara等人[3]測(cè)量了軸承同時(shí)受軸向載荷和徑向載荷時(shí)的摩擦阻力情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軸承的摩擦阻力主要受軸向分量影響，摩擦力矩在大負(fù)荷下會(huì)遞減，如果是在輕負(fù)荷的情況下，那么摩擦力矩會(huì)隨負(fù)荷的增加而增加，并且軸承的摩擦力矩也會(huì)隨軸向載荷的變化呈周期性變化。

C. R. Gentle等人[4]用實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)滾動(dòng)軸承的滾珠摩擦力和保持架阻力進(jìn)行了測(cè)量和理論模擬分析，獲得了理論模擬分析結(jié)果和測(cè)量結(jié)果，且該結(jié)果與簡單黏性剪切理論模型有良好的一致性。該模擬分析適用于他們之前測(cè)試的所有軸承。

R. I. Kobzova[5]和V. Wikstm等人[6]探究了不同溫度對(duì)脂潤滑形式的軸承摩擦阻力的影響。結(jié)果表明，在高溫下，潤滑脂的用量越大摩擦力矩越大;在較低溫下，潤滑劑不會(huì)影響運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)力矩，而會(huì)影響啟動(dòng)力矩。但二者的實(shí)驗(yàn)都缺乏不同條件的對(duì)照。

D. Goncalves[7]和T.Cousseau等人[8]使用摩擦力矩測(cè)量裝置測(cè)量了軸承使用不同配方的潤滑脂在不同溫度下工作的摩擦力矩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同軸承中使用不同的潤滑脂會(huì)有不同的摩擦力矩，且使用聚合物潤滑脂時(shí)的摩擦力比使用典型多用途鋰基潤滑脂小。

D. N. Olaru等人[9]利用雅西工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Tribometer CETR UMT-2實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試了僅存在三個(gè)滾珠和一個(gè)保持架時(shí)的軸承摩擦力矩，評(píng)估了滾珠與保持架之間的摩擦對(duì)軸承總阻力的影響。

夏新濤等人[10-11]基于灰色系統(tǒng)理論，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)證明，提出了一種軸承摩擦力矩壽命預(yù)測(cè)的方法，建立了一種可以以個(gè)體推斷總體的模型，為實(shí)現(xiàn)軸承長期工作中的摩擦力矩性能測(cè)試打下了基礎(chǔ)。

賈松陽等人[12]通過調(diào)整填脂量、加工表面質(zhì)量和粗糙度等參數(shù)，對(duì)深溝球軸承保持架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小了礦用托輥深溝球軸承的摩擦力矩。

河南科技大學(xué)鄧四二教授對(duì)多種軸承進(jìn)行了分析，其通過對(duì)角接觸球軸承的摩擦力矩特性的研究[13]，得到了關(guān)于該軸承的數(shù)學(xué)計(jì)算方法;通過對(duì)航天發(fā)動(dòng)機(jī)滾動(dòng)軸承系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析[14]，建立了高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子間耦合的滾動(dòng)軸承與雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，提出了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)與滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)之間的耦合。

2? ? 軸心加載法的基本原理分析

2.1? ? 軸心加載法的簡單原理

滾動(dòng)軸承摩擦力矩測(cè)試的軸心加載法基本原理如圖1所示。被測(cè)軸承（圖2）內(nèi)圈在驅(qū)動(dòng)軸的支承和帶動(dòng)下沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過夾具夾持軸承外圈，在夾具的下方掛有砝碼，上方通過拉壓傳感器來測(cè)試摩擦力矩。夾具下方的重量為W的砝碼就是施加給軸承的徑向載荷，這個(gè)徑向載荷與普通軸承受力是類似的，它由驅(qū)動(dòng)軸支承，作用線通過驅(qū)動(dòng)軸軸心，所以稱為“軸心加載法”。如果軸承是靜止的，摩擦力矩M=0，重力W通過軸心，傳感器上的拉力F=0。如果驅(qū)動(dòng)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承外圈和夾具會(huì)受到一個(gè)順時(shí)針方向的摩擦力矩M，而傳感器的拉力F會(huì)與這個(gè)力矩相平衡以阻止外圈轉(zhuǎn)動(dòng)。

滾動(dòng)軸承摩擦力矩的簡單計(jì)算公式為：

M=F×L1

式中：M為滾動(dòng)軸承的摩擦力矩;F為傳感器上測(cè)試得到的拉力;L1為夾具上的傳感器測(cè)試力臂。

2.2? ? 傳感器的初始拉（壓）力

拉壓傳感器是通過應(yīng)變片的變形來檢測(cè)拉壓力的，如果傳感器不能準(zhǔn)確地安裝在距離夾具上著力點(diǎn)為L3的位置上，夾具就會(huì)被傳感器拉（推）動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這會(huì)給傳感器造成一個(gè)初始拉（壓）力。這個(gè)初始拉（壓）力的大小正比于夾具的轉(zhuǎn)角，還正比于砝碼的大小。因?yàn)檫@個(gè)初始拉（壓）力是由于安裝誤差產(chǎn)生的，所以無法控制其大小，甚至無法控制其方向（拉還是壓）。

為了克服這種因?yàn)榘惭b誤差造成的初始拉（壓）力不穩(wěn)定問題，可以把傳感器安裝在一個(gè)移動(dòng)滑臺(tái)上，如圖3所示，這樣就可以通過移動(dòng)傳感器的位置來改變初始拉（壓）力的大小。

調(diào)節(jié)傳感器的位置，可以使傳感器所受到的初始拉（壓）力為零，看上去這個(gè)問題似乎這樣就已經(jīng)解決了。實(shí)際上，首先拉壓傳感器一般不適合在拉壓轉(zhuǎn)化狀態(tài)下工作，最好是在明確的拉力或壓力的加載方式下工作;其次夾具的平衡位置是難以確定的，因?yàn)檩S承有靜摩擦力矩，在夾具與其平衡位置偏離一個(gè)微小角度的情況下也可以處于靜止?fàn)顟B(tài)，這就使得平衡的準(zhǔn)確位置難以確定。

2.3? ? 預(yù)緊力

為了保證傳感器處于受拉力的狀態(tài)，可以把傳感器向左移動(dòng)，給傳感器施加一個(gè)預(yù)緊力F0，如圖4所示。施加預(yù)緊力以后，傳感器上受到的力F1將是軸承的摩擦力矩造成的拉力F與預(yù)緊力F0的合力。在預(yù)緊力不大的情況下，可以忽略預(yù)緊力造成的L1的變化，滾動(dòng)軸承摩擦力矩的計(jì)算公式可以表示為：

M=（F1-F0）×L1

式中：M為滾動(dòng)軸承的摩擦力矩;F1為傳感器上測(cè)試得到的拉力;F0為預(yù)緊力;L1為夾具上的傳感器測(cè)試力臂。

2.4? ? 預(yù)緊力計(jì)算

在驅(qū)動(dòng)軸靜止的條件下，把傳感器向左移動(dòng)，傳感器上的拉力會(huì)增加，移動(dòng)一定的距離后傳感器就會(huì)有一個(gè)確定的示數(shù)。但這個(gè)示數(shù)并不是預(yù)緊力，因?yàn)樗锩孢€包含有軸承的靜摩擦力矩。在靜止條件下，靜摩擦力矩可能是順時(shí)針方向的，也可能是逆時(shí)針方向的。

如果讓驅(qū)動(dòng)軸沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，夾具受到的摩擦力矩就是順時(shí)針方向的，這時(shí)傳感器的示數(shù)會(huì)增大，增大到一定值后就不再增加了，這個(gè)最大示數(shù)Fmax就是預(yù)緊力F0與靜摩擦力Fs的合力。如果讓驅(qū)動(dòng)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，夾具受到的摩擦力矩就是逆時(shí)針方向的，這時(shí)傳感器的示數(shù)會(huì)減小，減小到一定值后就不再繼續(xù)減小了，這個(gè)最小示數(shù)Fmin就是預(yù)緊力F0減去靜摩擦力Fs的數(shù)值。

預(yù)緊力的計(jì)算公式可以表示為：

F0=（Fmax+Fmin）/2

式中：F0為預(yù)緊力;Fmax為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最大拉力值;Fmin為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最小拉力值。

通常把獲取Fmax和Fmin數(shù)值的實(shí)驗(yàn)步驟叫做消除靜摩擦，簡稱“消摩擦”。

3? ? 測(cè)試裝置及測(cè)試結(jié)果

基于以上原理，設(shè)計(jì)了以下測(cè)試裝置，如圖5、圖6所示。

在負(fù)載為70 N時(shí)，在3種轉(zhuǎn)速條件下用軸心法加載裝置分別對(duì)被測(cè)軸承重復(fù)測(cè)試6次，再對(duì)讀取后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算得出測(cè)試結(jié)果。根據(jù)拉壓傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)，通過摩擦力矩公式計(jì)算得到的摩擦力矩如表1所示。

4? ? 分析與結(jié)論

本課題圍繞滾動(dòng)軸承摩擦阻力進(jìn)行了一系列研究工作，主要完成的內(nèi)容如下：

（1）總結(jié)歸納了國內(nèi)外專家的相關(guān)研究。

（2）總結(jié)了本實(shí)驗(yàn)裝置的原理：軸心加載法。該方法基于力矩平衡原理，裝置簡單，軸承安裝方便，測(cè)量精準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)不同載荷及轉(zhuǎn)速下的測(cè)試。

但本課題在某些方面仍有不足及發(fā)展空間：

（1）本課題只針對(duì)軸承工作中的轉(zhuǎn)速和徑向載荷兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行研究，希望以后可以增加軸向載荷、軸承有無潤滑劑、工作溫度等，對(duì)軸承阻力進(jìn)行多方面的測(cè)試，以取得更精確的結(jié)果。

（2）由于設(shè)計(jì)的局限性，測(cè)試時(shí)的最大轉(zhuǎn)速、最大載荷受到限制，不能實(shí)現(xiàn)更大轉(zhuǎn)速、載荷下的測(cè)試，希望以后能實(shí)現(xiàn)更大范圍的測(cè)量。

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收稿日期：2021-10-11

作者簡介：閆子?。?998—），男，河北張家口人，研究方向：機(jī)械工程。

金宇辰（2000—），男，北京人，研究方向：機(jī)械工程。

時(shí)敬翔（1999—），男，河北唐山人，研究方向：機(jī)械工程。