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。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(guó)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(rùn)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.AHaais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.KitHhHaH等人測(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(jiǎn)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.KobzovH和V.wikst
m等人探究了不同溫度對(duì)脂潤(rùn)滑形式的軸承摩擦阻力的影響。結(jié)果表明,在高溫下,潤(rùn)滑脂的用量越大摩擦力矩越大:在較低溫下,潤(rùn)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.GoncHlves和T.CousseHu等人使用摩擦力矩測(cè)量裝置測(cè)量了軸承使用不同配方的潤(rùn)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(rùn)滑脂會(huì)有不同的摩擦力矩,且使用聚合物潤(rùn)滑脂時(shí)的摩擦力比使用典型多用途鋰基潤(rùn)滑脂小。
D.N.OlHau等人利用雅西工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)室的TaibometeaCETRUMT-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(zhǎng)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),減小了礦用托銀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,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,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(jiǎn)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)。
圖1軸心加載法簡(jiǎn)單原理
圖2測(cè)試用軸承
滾動(dòng)軸承摩擦力矩的簡(jiǎn)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L(zhǎng)3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。
圖3測(cè)試傳感器的初始拉(壓）力
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:
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。
圖4施加預(yù)緊力
1.4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(jiǎn)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。
圖5測(cè)試裝置
圖2測(cè)試用傳感器
在負(fù)載為70N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(guó)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(jiǎn)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(rùn)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。
