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(dòng)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(dòng)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(diǎn)、線接觸作為部分錐齒輪的接觸方式，其在實(shí)際工作狀態(tài)下接觸表面的運(yùn)動(dòng)方向較為復(fù)雜，如傳動(dòng)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(dòng)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(huì)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(shí)測量的有效方案。為實(shí)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(diǎn)接觸潤滑油膜試驗(yàn)機(jī)，可以同時(shí)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行卷吸速度與滑動(dòng)速度正交下的限量供油實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(shí)驗(yàn)裝置搭建

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)接觸光彈流潤滑油膜測量實(shí)驗(yàn)臺不同，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置利用定點(diǎn)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(dòng)電機(jī)在弧形軌道上的位置，實(shí)現(xiàn)表面速度異向的實(shí)驗(yàn)條件構(gòu)建；設(shè)計(jì)的表面速度異向下點(diǎn)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ΓY(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(shí)現(xiàn)摩擦力實(shí)時(shí)測量。

1.1 光干涉測量系統(tǒng)

圖1給出了實(shí)驗(yàn)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(dòng)，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(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)，結(jié)合光強(qiáng)與膜厚公式，得到不同位點(diǎn)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(diǎn)環(huán)形回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2給出了實(shí)驗(yàn)裝置的定點(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)鋼球與玻璃盤表面速度夾角的改變。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)同圓心的弧形行程標(biāo)尺，可輔助角度定位。鋼球驅(qū)動(dòng)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(dòng)，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(shí)現(xiàn)電機(jī)座的自由移動(dòng)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(dòng)電機(jī)處于正轉(zhuǎn)模式，驅(qū)使鋼球驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿弧形軌道運(yùn)動(dòng)，使其旋轉(zhuǎn)過一定角度δ后緊固，此時(shí)鋼球與玻璃盤線速度之間夾角隨之變?yōu)棣?；鋼球?qū)動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)全角度下表面速度異向的點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)，接觸表面之間受到的摩擦力會(huì)阻礙相對運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(shí)際摩擦力f合。為方便計(jì)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(dòng)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(shí)的摩擦力合力公式，此時(shí)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(dòng)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(shí)的摩擦力合力公式，其矢量分析圖如圖3(b)所示，此時(shí)，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?yàn)?80°時(shí)，傳感器所測摩擦分力f1即為實(shí)際摩擦力值，此時(shí)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(shí)驗(yàn)裝置主體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)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(dòng)變?yōu)槠揭婆_沿導(dǎo)軌的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋼球與玻璃盤的接觸點(diǎn)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(dòng)電機(jī)6的帶動(dòng)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(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的圖像信息傳輸；鋼球9通過聯(lián)軸器10與驅(qū)動(dòng)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(diǎn)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)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(dòng)電機(jī)11固結(jié)為一體，在杠桿施力點(diǎn)放置砝碼，則受力點(diǎn)高度抬升，實(shí)現(xiàn)鋼球?qū)ΣＡПP下表面的加載。

圖4 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程中保持卷吸速度與滑動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(diǎn)接觸實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(shí)潤滑油膜主要由兩部分組成，即粘附在滾動(dòng)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(shí)，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(dòng)方向偏轉(zhuǎn)，2個(gè)接觸表面的4個(gè)油池側(cè)帶存在交叉區(qū)域，該區(qū)域?yàn)闈櫥瑒┫蛉肟趨^(qū)的遷移提供了途徑。其中一個(gè)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(shí)潤滑油膜主要由三部分組成，除了滾動(dòng)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?yàn)榇怪庇诰砦俣确较?，因在光干涉圖像中，當(dāng)夾角δ為鈍角時(shí)，該截面上包含了明顯向鋼球運(yùn)動(dòng)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(shí)存在較大差異，且根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)，油膜厚度曲線始終以坐標(biāo)零點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)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(shí)，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(shí)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(shí)滑動(dòng)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(dòng)性較差，而引起潤滑劑在靠近鋼球運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(dòng)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?yàn)榫砦俣认嗤瑫r(shí)，球盤速度夾角δ增加，滑動(dòng)速度隨之顯著增加，從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱量更多，此時(shí)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(diǎn)接觸潤滑油膜試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)全角度下表面速度異向的點(diǎn)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(shí)現(xiàn)表面速度異向下的點(diǎn)接觸摩擦力測量。

(2)通過研制的試驗(yàn)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?yàn)闈櫥瑒┫蛉肟趨^(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)。