表面速度異向下的點接觸潤滑油膜試驗機(jī)研制及膜厚測量*

鹿賀偉 張建軍 劉成龍 郭 峰

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 山東青島 266520)

隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，復(fù)雜精密的傳動部件對潤滑技術(shù)提出了更高的要求。在彈流潤滑領(lǐng)域，諸如齒輪、軸承等許多高副接觸的零部件工作在高速、重載嚴(yán)苛工況下，對此類零部件的接觸區(qū)潤滑油膜形態(tài)、中心厚度、摩擦力等數(shù)據(jù)的觀測，是揭示此類傳動方式下的潤滑成膜機(jī)制，發(fā)展?jié)櫥鲂Ъ夹g(shù)的重要手段。

點、線接觸作為部分錐齒輪的接觸方式，其在實際工作狀態(tài)下接觸表面的運(yùn)動方向較為復(fù)雜，如傳動系統(tǒng)中的準(zhǔn)雙曲面齒輪和螺旋齒輪等，其接觸副嚙合處兩固體表面速度方向呈現(xiàn)一定夾角，通常稱這種運(yùn)動狀態(tài)為表面速度異向。而在表面速度異向工況下，部件之間的摩擦力，潤滑油膜形狀與厚度都會發(fā)生相應(yīng)的變化[21-22]。對于這種具有更為普遍意義的兩固體接觸表面速度異向工況而言，現(xiàn)有的彈流潤滑油膜測量設(shè)備中，尚沒有專門用于速度異向條件下的膜厚和摩擦力同時測量的有效方案。為實現(xiàn)表面速度異向下摩擦力和油膜的測量，本文作者研制了一種表面速度異向下的點接觸潤滑油膜試驗機(jī)，可以同時測量不同表面速度工況下的潤滑油膜和摩擦力。另外，在試驗機(jī)上進(jìn)行卷吸速度與滑動速度正交下的限量供油實驗，初步探究了表面速度夾角以及卷吸速度等因素對潤滑油膜的影響規(guī)律，同時對乏油邊界擴(kuò)展、熱效應(yīng)等因素對潤滑油膜的影響進(jìn)行了分析。

1 實驗裝置搭建

設(shè)計的實驗裝置是利用等厚光干涉原理，根據(jù)相干光疊加在接觸區(qū)內(nèi)形成的具有不同光強(qiáng)的明暗干涉條紋，結(jié)合MBI(Mulity-Beam Intensity )[13]膜厚處理軟件，推算得出相應(yīng)位置的潤滑油膜厚度。與國內(nèi)其他點接觸光彈流潤滑油膜測量實驗臺不同，設(shè)計的實驗裝置利用定點環(huán)形回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，可在固定鋼球與玻璃盤接觸區(qū)的前提下，通過旋轉(zhuǎn)鋼球驅(qū)動電機(jī)在弧形軌道上的位置，實現(xiàn)表面速度異向的實驗條件構(gòu)建；設(shè)計的表面速度異向下點接觸摩擦力測量裝置，利用旋轉(zhuǎn)軸承將鋼球受到的部分摩擦分力轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅魇艿降恼龎毫?，結(jié)合摩擦力合力公式，可在接觸副表面相對速度方向隨角度變化的條件下實現(xiàn)摩擦力實時測量。

1.1 光干涉測量系統(tǒng)

圖1給出了實驗裝置的光干涉測量系統(tǒng)原理，鋼球與玻璃盤分別通過伺服電機(jī)驅(qū)動，兩者間隙形成厚度為h的潤滑油膜。入射光在油層上下不同界面間發(fā)生反射，形成光干涉圖像，通過顯微鏡將不同明暗條紋的光干涉圖像傳遞給高速數(shù)字CCD。利用膜厚測量軟件MBI測量各個點的光強(qiáng)，結(jié)合光強(qiáng)與膜厚公式，得到不同位點的潤滑油膜厚度。

圖1 光干涉測量裝置結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 定點環(huán)形回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計

圖2給出了實驗裝置的定點環(huán)形回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理，以及相應(yīng)的速度矢量模型。在定點環(huán)形回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，玻璃盤速度方向固定，通過改變鋼球速度方向，實現(xiàn)鋼球與玻璃盤表面速度夾角的改變。實驗裝置的位移臺上固定有弧形軌道，弧形軌道旁刻有與接觸點同圓心的弧形行程標(biāo)尺，可輔助角度定位。鋼球驅(qū)動電機(jī)座憑借固定在底座附近的V形滑塊與軌道配合移動，可在0～90°任意角度內(nèi)變化速度方向。電機(jī)座前側(cè)增加棘輪緊固機(jī)構(gòu)，配合緊固塊調(diào)節(jié)V形滑塊與軌道之間的最大靜摩擦力，實現(xiàn)電機(jī)座的自由移動與鎖緊。配合伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)模式，將玻璃盤與鋼球速度夾角變化范圍擴(kuò)大至0～180°。

圖2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理

以玻璃盤正轉(zhuǎn)為例說明角度變化原理，當(dāng)玻璃盤、鋼球驅(qū)動電機(jī)處于正轉(zhuǎn)模式，驅(qū)使鋼球驅(qū)動電機(jī)沿弧形軌道運(yùn)動，使其旋轉(zhuǎn)過一定角度δ后緊固，此時鋼球與玻璃盤線速度之間夾角隨之變?yōu)棣?；鋼球?qū)動電機(jī)在弧形軌道的位置不改變，使鋼球處于反轉(zhuǎn)模式，此時鋼球與玻璃盤線速度的夾角變?yōu)槌跏冀嵌圈牡难a(bǔ)角，即180°-δ，從而實現(xiàn)全角度下表面速度異向的點接觸彈流潤滑工況模擬。

1.3 摩擦力測量原理

圖3給出了實驗裝置的摩擦力測量裝置原理，以及表面速度異向下摩擦力的測量方法。在表面速度異向工況下，由于玻璃盤與鋼球之間線速度夾角不固定，相對速度方向隨著夾角的變化而變化，球盤系統(tǒng)的摩擦力方向與鋼球和玻璃盤之間的相對運(yùn)動方向相反，難以直接測量，故將摩擦力f合分解為沿著鋼球線速度方向的分力f1與垂直于鋼球線速度方向的分力f2。

鋼球與玻璃盤之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，接觸表面之間受到的摩擦力會阻礙相對運(yùn)動趨勢，因此玻璃盤與鋼球兩接觸表面所受到的摩擦力大小相等、方向相反，故只需對一個接觸表面的摩擦力進(jìn)行求解即可。鋼球受到摩擦力后，通過聯(lián)軸器將摩擦力傳遞到伺服電機(jī)，隨后伺服電機(jī)將摩擦力通過螺釘傳遞到與之固連的旋轉(zhuǎn)底座，最終由旋轉(zhuǎn)底座通過內(nèi)部回轉(zhuǎn)軸承將摩擦力轉(zhuǎn)化為繞底座定軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動趨勢。該定軸旋轉(zhuǎn)趨勢被設(shè)置在旋轉(zhuǎn)底座底部的高精度壓力傳感器捕捉，得到垂直于鋼球運(yùn)動方向的摩擦分力f1。根據(jù)方向大小皆已知的f1，以及方向已知的f合與f2，通過矢量三角形法則確定實際摩擦力f合。為方便計算，給出了f合與其余參數(shù)的關(guān)系公式如式(1)—(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：ub為鋼球線速度；ud為玻璃盤線速度；δ為鋼球與玻璃盤線速度夾角；f1為壓力傳感器所測垂直于鋼球方向的摩擦分力。

其中式(1)對應(yīng)δ為銳角，ubub，鋼球在此方向上的運(yùn)動滯后于玻璃盤，故鋼球受到的摩擦分力f1與其線速度ub同向。式(2)對應(yīng)δ銳角，ub>udcosδ時的摩擦力合力公式，此時玻璃盤在鋼球線速度方向上的分量udcosδ與ub同向，且ub>udcosδ，玻璃盤在此方向上的運(yùn)動滯后于鋼球，故鋼球受到的摩擦分力f1與其線速度ub反向。式(3)對應(yīng)δ為鈍角時的摩擦力合力公式，其矢量分析圖如圖3(b)所示，此時，玻璃盤在鋼球線速度方向上的分量udcosδ與ub反向，故鋼球受到的摩擦分力f1必然與其線速度ub反向；當(dāng)δ為0°或為180°時，傳感器所測摩擦分力f1即為實際摩擦力值，此時摩擦力方向與鋼球線速度方向共線。

圖3 摩擦力測量矢量圖

1.4 實驗裝置主體結(jié)構(gòu)

實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。絲杠1通過軸承座2固定在臺架一側(cè)，將絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)槠揭婆_沿導(dǎo)軌的直線運(yùn)動，實現(xiàn)鋼球與玻璃盤的接觸點位置的調(diào)整；玻璃盤3通過壓蓋4固定在回轉(zhuǎn)主軸5上，在驅(qū)動電機(jī)6的帶動下隨主軸旋轉(zhuǎn)；顯微鏡7通過與臺架固連的連接板固定在玻璃盤3的正上方，其上安裝光電耦合器8，以實現(xiàn)與計算機(jī)的圖像信息傳輸；鋼球9通過聯(lián)軸器10與驅(qū)動電機(jī)11相連，隨電機(jī)輸出桿旋轉(zhuǎn)；電機(jī)11通過螺釘連接在旋轉(zhuǎn)底座12上，旋轉(zhuǎn)底座12內(nèi)部軸承將鋼球承受的摩擦力傳遞到底部傳感器，得到摩擦分力數(shù)值；旋轉(zhuǎn)底座12通過底部V形滑塊與固定在位移臺上的弧形軌道13連接，沿著弧形導(dǎo)軌進(jìn)行定接觸點的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，實現(xiàn)鋼球與玻璃盤線速度之間的夾角變化；杠桿機(jī)構(gòu)14通過支架與驅(qū)動電機(jī)11固結(jié)為一體，在杠桿施力點放置砝碼，則受力點高度抬升，實現(xiàn)鋼球?qū)ΣＡПP下表面的加載。

圖4 實驗裝置結(jié)構(gòu)

2 部分典型油膜測量結(jié)果與分析

選取PAO40潤滑劑，限量供油5 μL，在實驗過程中保持卷吸速度與滑動速度始終垂直(ub=ud)，觀測了表面速度異向限量供油條件下潤滑劑的成膜行為及油膜形態(tài)特征。實驗卷吸速度范圍為8～128 mm/s，速度夾角δ分別為0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°，PAO40潤滑劑黏度為0.78 Pa·s(20 ℃)，密度為0.842 kg/m3(20 ℃),載荷為20 N，對應(yīng)赫茲接觸應(yīng)力為0.451 MPa。圖5給出了潤滑油膜光干涉圖像。

圖5 潤滑油膜形狀隨角度和卷吸速度的變化

圖5中光干涉圖像條紋清晰，在較低的卷吸速度下，夾角δ為0°～60°時，接觸區(qū)中心區(qū)域膜厚平坦，出口區(qū)膜厚急劇下降，出現(xiàn)出口頸縮現(xiàn)象;隨著卷吸速度增加，接觸區(qū)呈現(xiàn)經(jīng)典彈流潤滑“馬蹄形”油膜特征。與球盤定向點接觸實驗不同，相同卷吸速度下，夾角δ改變導(dǎo)致接觸區(qū)乏油邊界逐漸消失，潤滑油膜形態(tài)沿著卷吸速度方向呈現(xiàn)出不對稱特征，這些現(xiàn)象表明線速度夾角δ的改變對限量供油下接觸區(qū)潤滑狀態(tài)及潤滑油膜形態(tài)影響極大。

為方便對比不同角度下的潤滑狀態(tài)，圖5中以黃色虛線表示油池邊界，代表油池形狀與范圍。入口處為乏油邊界，出口處為氣穴邊界。在限量供油條件下，當(dāng)達(dá)到一定條件(速度和夾角)時，油池入口和出口邊界相連，如圖5中紅色虛線框中的光干涉圖像所示。從接觸區(qū)外側(cè)的乏油邊界可以看出，當(dāng)夾角δ為0°時，鋼球與玻璃盤滾道重合，大部分潤滑劑被擠壓至接觸區(qū)兩側(cè)，并未直接參與接觸區(qū)潤滑成膜，此時潤滑油膜主要由兩部分組成，即粘附在滾動體表面的潤滑劑,以及滾道兩側(cè)由于毛細(xì)力自發(fā)回填的潤滑劑。而這兩部分潤滑劑由于供油量不足，其本身油量也較小，僅能在低速下形成有限的入口油池；當(dāng)速度增加時，自發(fā)回填被抑制，乏油邊界進(jìn)一步接近接觸區(qū)邊緣，接觸區(qū)進(jìn)入完全乏油狀態(tài)。隨夾角δ增加，鋼球運(yùn)動方向偏轉(zhuǎn)，2個接觸表面的4個油池側(cè)帶存在交叉區(qū)域，該區(qū)域為潤滑劑向入口區(qū)的遷移提供了途徑。其中一個接觸表面潤滑劑被擠壓至接觸區(qū)兩側(cè)，通過另一表面滾道的交叉區(qū)域運(yùn)輸至接觸區(qū)入口參與潤滑，此時潤滑油膜主要由三部分組成，除了滾動體粘附潤滑劑及毛細(xì)力自發(fā)回填潤滑劑以外，由速度交叉效應(yīng)運(yùn)輸?shù)臐櫥瑒┮矃⑴c成膜,從而導(dǎo)致乏油邊界消失，接觸區(qū)由乏油潤滑向富油潤滑狀態(tài)變化；當(dāng)夾角δ增加至鈍角，乏油邊界再度出現(xiàn)，但入口區(qū)依舊存在充盈油池，接觸區(qū)仍然處于富油潤滑狀態(tài)，說明在限量供油下，角度增加可直接促進(jìn)潤滑狀態(tài)在乏油潤滑與富油潤滑狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。

以圖6所示的δ為30°與150°下的油膜厚度曲線為例，說明不同夾角δ下，潤滑油膜形態(tài)變化對應(yīng)的油膜厚度曲線形態(tài)向非對稱性的變化。其中橫坐標(biāo)x方向為垂直于卷吸速度方向，因在光干涉圖像中，當(dāng)夾角δ為鈍角時，該截面上包含了明顯向鋼球運(yùn)動方向出口處偏移的油膜形態(tài)，可以清晰表達(dá)非對稱的油膜特征，所以將膜厚曲線截面規(guī)定為垂直于卷吸速度方向。由于表面速度異向下潤滑油膜形態(tài)在銳角與鈍角時存在較大差異，且根據(jù)實驗初始定義，互為補(bǔ)角下的工況中，其鋼球與玻璃盤線速度相同，僅有鋼球速度反向的差異，因此采用夾角δ為30°與150°下的典型油膜曲線進(jìn)行說明。容易發(fā)現(xiàn)，在夾角δ為30°與150°下的膜厚曲線中，整體油膜厚度都隨著卷吸速度增加而增加，但在曲線形態(tài)上存在差異。當(dāng)夾角δ為30°時，油膜厚度曲線始終以坐標(biāo)零點為中心對稱，對應(yīng)于光干涉圖像中始終沿著卷吸速度方向?qū)ΨQ的圖像。當(dāng)夾角δ為150°，卷吸速度為16 mm/s以下時，油膜輪廓呈現(xiàn)中心區(qū)域平坦，兩側(cè)為最小膜厚區(qū)域的經(jīng)典彈流形態(tài)，其油膜厚度曲線呈現(xiàn)以坐標(biāo)零點為中心的對稱形態(tài)。隨著卷吸速度增加，夾角δ對潤滑油膜形態(tài)的影響逐漸明顯，可以看出，當(dāng)卷吸速度增加至64 mm/s以上時，垂直于卷吸速度截面的油膜厚度曲線呈現(xiàn)出左高右低的形態(tài)，表明此時接觸區(qū)左側(cè)的潤滑油膜厚度高于右側(cè)油膜，該現(xiàn)象對應(yīng)于圖5所示光干涉圖中的潤滑油膜形態(tài)沿著卷吸速度方向不對稱的特征。其主要原因是夾角增加的同時滑動速度明顯增加，導(dǎo)致熱效應(yīng)更加明顯，而接觸副兩界面導(dǎo)熱性質(zhì)不同，因熱黏度楔效應(yīng)引起不同表界面附近潤滑劑黏度變化，即鋼球表面?zhèn)鳠嵝再|(zhì)更好，故溫度較低，其表面附近潤滑劑黏度較高，流動性較差，而引起潤滑劑在靠近鋼球運(yùn)動方向的堆積。

圖6 隨卷吸速度增加垂直于卷吸速度方向的膜厚曲線

圖7給出了7種不同角度下的油膜厚度隨速度變化曲線。

圖7 不同角度下中心膜厚隨速度變化

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，低速下不同角度的中心膜厚差別不大；在卷吸速度達(dá)到64 mm/s以上時，隨著夾角δ增加，中心油膜厚度曲線明顯增高，尤其以30°與45°膜厚最高。這是由于速度夾角出現(xiàn)，玻璃盤與鋼球運(yùn)動滾道交疊，其上部分潤滑劑得以遷移至接觸區(qū)參與潤滑，從而提高了潤滑劑的利用率，入口區(qū)形成充盈油池，接觸區(qū)進(jìn)入富油潤滑狀態(tài)，導(dǎo)致中心膜厚提高。隨著夾角增加至鈍角，中心油膜厚度出現(xiàn)明顯的減小趨勢。因為卷吸速度相同時，球盤速度夾角δ增加，滑動速度隨之顯著增加，從而導(dǎo)致運(yùn)動過程中產(chǎn)生的熱量更多，此時熱效應(yīng)更加明顯，潤滑劑隨溫度升高，黏度降低更加顯著，引起油膜厚度降低，這也解釋了為何即使δ為150°下入口區(qū)仍舊存在充盈油池，但是其中心膜厚依舊低于處于乏油潤滑狀態(tài)的0°。

3 結(jié)論

(1)研制表面速度異向下的點接觸潤滑油膜試驗機(jī)，該試驗機(jī)使用多光束干涉法對接觸區(qū)圖像進(jìn)行觀測，通過與鋼球電機(jī)底座相連的弧形軌道調(diào)節(jié)鋼球線速度方向，結(jié)合電機(jī)反轉(zhuǎn)模式實現(xiàn)全角度下表面速度異向的點接觸彈流潤滑工況模擬；通過旋轉(zhuǎn)軸承將球盤系統(tǒng)摩擦分力轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅魇艿降恼龎毫ΓY(jié)合摩擦力合力公式，實現(xiàn)表面速度異向下的點接觸摩擦力測量。

(2)通過研制的試驗機(jī)在不同接觸固體表面速度夾角下觀測到了清晰的光干涉圖像，接觸區(qū)中央平坦，出口區(qū)膜厚縮小出現(xiàn)出口頸縮現(xiàn)象，在較高卷吸速度下得到了經(jīng)典的馬蹄形彈流潤滑特征。

(3)限量供油條件下，由于滾道交叉區(qū)域為潤滑劑向入口區(qū)的遷移提供了途徑，夾角δ從0°增加到150°，接觸區(qū)乏油邊界消失，由乏油狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦挥蜐櫥瑺顟B(tài)；受入口油池以及熱效應(yīng)共同作用，潤滑油膜中心厚度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；受熱黏度楔效應(yīng)影響，潤滑油膜形態(tài)呈現(xiàn)出沿著卷吸速度方向不對稱形態(tài)。