基于因素分离法的脂润滑深沟球轴承摩擦研究*
时间：2023-01-26 09:25:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
林福严 王绥振 代 田 程 洁，2
(1.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院 北京 100083；
2.中国矿业大学(北京)煤矿智能化与机器人应用应急管理部重点实验室 北京 100083)
滚动轴承是广泛用于各种机械设备的支撑传动部件，其摩擦性能对整个机械系统的能耗、寿命及运行可靠性有着重要的影响。由于滚动轴承中各构件运动关系比较复杂，尤其在脂润滑条件下其摩擦机制十分复杂，在多个因素的共同作用下可能演变出许多难以预测的变化规律，因此有必要用因素分离法研究脂润滑深沟球轴承的摩擦机制和规律。
因为滚动轴承的摩擦机制太过复杂，过去常用经验公式来描述轴承的摩擦特性，如早期一般使用两参数模型[1]，把摩擦力矩表示为与载荷相关的摩擦力矩和与速度相关的摩擦力矩2个部分。在较新的SKF型录手册[2]中把摩擦力矩分成了4个部分：滚动力矩、滑动力矩、密封力矩和拖曳损失。这些经验公式在描述轴承摩擦的外特性方面有一定参考价值，至今在许多文献中还在广泛应用[3-6]。但这些公式的主要作用不是为了研究摩擦机制，公式里各部分的摩擦并不是和具体摩擦副的摩擦机制直接相关的，比如其滚动摩擦的主要参变量是润滑油的黏度与转速的乘积，而拖曳损失更是只和轴承的浸油深度有关，不适宜于分析脂润滑轴承的摩擦机制。
研究人员提出了一些滚动轴承的摩擦机制。TOWNSEND等[7]认为摩擦力矩的起源有弹流润滑(EHL)区域的旋转摩擦、区域外润滑剂的旋转摩擦、把滚珠前端润滑剂挤出的滚动阻力、EHL区的横向滑动摩擦、滚珠公转中的流体拖曳阻力以及滚动过程中钢的弹性滞后损失等6个方面。AIHARA[8]认为圆锥滚子轴承的摩擦主要由滚动体与内外圈的滚动摩擦(弹性滞后和EHL滚动阻力)、滚子端部与内圈的滑动摩擦、滚子与保持架的滑动摩擦以及由于润滑剂黏性产生的拖曳损失4部分组成。张葵和李建华[9]、邓四二等[10]、WANG等[11]都认为滚动轴承的摩擦机制由弹性滞后、差动滑动、自旋滑动、球和保持架摩擦、保持架和导圈摩擦以及润滑膜黏性损失6部分组成，而夏新涛等[12]则认为球轴承乏油条件下的摩擦是由不包括润滑膜黏性损失的5个部分造成的。李松生等[13]基于热弹流润滑理论建立了高速微型球轴承摩擦力矩的计算模型，将轴承的摩擦分为弹性滞后摩擦、弹性流体动压摩擦、差动滑动摩擦、自旋滑动摩擦、球与保持架间的摩擦和保持架与引导挡边间的摩擦。从这些研究可以看到，人们对摩擦机制的认识还不统一,许多摩擦机制的定义也没有具体到有关摩擦副上，对于轴承中各类摩擦副的摩擦比重没有给出清晰的结论。
本文作者首先以矿山带式运输机托辊常用带有密封圈的脂润滑6204深沟球轴承为例，对轴承的结构和摩擦(运动)副进行了分析，对摩擦阻力的主要来源机制进行了探讨和归类；
然后用因素分离法设计了一种用同批次轴承进行带密封、无密封、无润滑以及微润滑条件下的摩擦实验，逐次剥离部分因素的摩擦分量对摩擦总量的影响，以便更深入和准确地认识相关的摩擦机制和规律；
最后对实验结果进行了分析和讨论，研究了各类摩擦的相对比例。
典型的深沟球轴承在结构上主要由内圈、外圈、滚动体、保持架、密封端盖以及润滑脂组成，见图1。
图1 深沟球轴承的结构组成
滚动轴承的摩擦是由多个摩擦副在不同运动速度、载荷、介质环境等多种因素的作用下，由多种不同的摩擦机制产生的。对于密封盖固定于外圈的深沟球轴承，其摩擦副主要包括滚动体与内圈、滚动体与外圈、滚动体与保持架、保持架与内圈、保持架与外圈、密封盖与滚动体、密封盖与保持架以及密封盖与内圈8个摩擦副。
根据具体运动方式、受力和介质的不同，每个摩擦副上还可能会有几种不同的摩擦机制(摩擦分量)在同时起作用。比如一个滚珠与一个座圈组成的摩擦副可能存在的摩擦机制包括：①由于滚动运动产生的滚动摩擦，滚动摩擦中包括弹性滞后摩擦、钢铁材料的黏性分子力造成的摩擦、配对材料变形不匹配造成的雷诺微滑移摩擦，以及由切向力造成的接触区局部微滑动摩擦等4种不同的滚动摩擦的子机制；
②由于滚珠与滚道在横向上曲率接近，滚动中会产生希斯科特(Heathcote)滑动，许多文献中的差动滑动指的就是这种滑动，它造成的是一种滑动摩擦；
③滚珠与座圈相对运动时黏性介质所产生的黏性摩擦，这种黏性摩擦主要是摩擦副拖动接触区周围的润滑剂运动而产生的阻力。黏性摩擦并不是用EHL理论计算得到的接触区的摩擦力，因为在真实接触区中滚动接触点是不运动的，表面间油膜的黏性阻力不会消耗机械能。用润滑理论计算得到的接触点的黏性摩擦阻力大于滚动摩擦阻力才能保证接触点不动，才能保证摩擦副是滚动副。如果真实接触区形成了润滑膜，并且其黏性滑动阻力很小，那么滚珠就只能在滚道里滑动了，这与实际情况是不符的，因此文中不考虑滚珠与座圈的滑动摩擦机制。
根据带密封的深沟球轴承的摩擦副及其运动和介质情况，可知，其产生摩擦阻力的主要机制包括以下13项：(1)滚动体与内圈的滚动摩擦；
(2)滚动体与内圈的希斯科特滑动摩擦；
(3)滚动体与内圈的黏性摩擦；
(4)滚动体与外圈的滚动摩擦；
(5)滚动体与外圈的希斯科特滑动摩擦；
(6)滚动体与外圈的黏性摩擦；
(7)滚动体与保持架之间的滑动摩擦；
(8)滚动体与保持架的黏性摩擦；
(9)保持架与外圈的黏性摩擦；
(10)保持架与内圈的黏性摩擦；
(11)密封端盖与滚动体的黏性摩擦；
(12)密封端盖与保持架的黏性摩擦；
(13)密封端盖与内圈的黏性摩擦(假设密封端盖是固定在外圈上)。
为了便于进行因素分离的实验研究，文中把这些摩擦阻力分为4类：第一类是密封摩擦，由第(11)、(12)和(13)构成，在非接触密封条件下主要是密封端盖与其他零件的黏性摩擦；
第二类是黏性摩擦，由第(3)、(6)、(8)、(9)、(10)项构成，它指的是除去密封以外的黏性摩擦；
第三类是滑动摩擦，主要包括第(2)、(5)、(7)项；
第四类是滚动摩擦，主要包括第(1)和第(4)项。
2.1 实验方法
文中采用力矩平衡测量法进行摩擦力矩测量，实验装置原理如图2所示[14]。被测轴承装夹在实验夹具中，在夹具下端通过加载砝码对轴承实现径向加载。以CA6140A车床为驱动装置带动驱动轴转动，可实现多级转速调节。驱动轴转动会在被测轴承上产生摩擦力矩，这个摩擦力矩由拉力传感器来平衡，拉力传感器的读数与其力臂的乘积反映了被测轴承在给定载荷与转速条件下的摩擦力矩。拉力传感器为CFBLSM型高精度拉压传感器，最大量程为49 N，精度为0.03%(FS)。
图2 实验装置的测量原理[14]
根据脂润滑轴承的实验规律[15]，实验过程中首先给拉力传感器施加一个10 N左右的预紧力，并通过手摇驱动轴向左和向右旋转来测量、计算并消除静摩擦对预紧力的影响。实验开始后通过数据采集装置连续记录传感器的拉力，经过20 min运转后实验数据一般会稳定下来，然后继续运转到30 min停机。如果停止旋转并再次消除静摩擦后预紧力能恢复到原值，则以第20～30 min之间的数据平均值作为一次测试的传感器拉力测试数据。传感器上的拉力测试数据减去预紧力后，与力臂的乘积就是被测轴承的摩擦力矩。每个实验重复进行3次，以3次测试数据的平均值作为测试结果。在180 r/min和500 N载荷下的多次实验测试表明，该实验方法的测试数据误差小于5%。
2.2 实验材料
文中实验所用轴承全部是同一个批次生产的HRB-6204轴承。除了原厂带密封的轴承外，为了通过因素分离法分离出不同的摩擦阻力，通过去除密封端盖、润滑脂和微量涂油的方法，文中又分别制备出了3种不同的轴承。相关的制备和处理方法如表1所示。
表1 实验轴承及其处理方法
无密封轴承相比于带密封轴承主要是拆除了密封端盖，基本上可以认为带密封轴承比无密封轴承多出的摩擦力矩是由于密封的摩擦造成的。无润滑轴承和无密封轴承的区别主要是去除了润滑脂，在无润滑轴承中没有润滑脂造成的黏性摩擦力，这样比较两者摩擦力的差别就可以得出轴承中的黏性摩擦力的分量。在滚动轴承中滚动摩擦和滑动摩擦是难以完全分离的，考虑到润滑对减小滑动摩擦更有效，可以认为微润滑主要降低了滑动摩擦；
同时可知润滑一般不会完全消除摩擦，因此可以推断滑动摩擦分量会大于微润滑造成的摩擦降低值。这样就可以通过这4种不同类型的摩擦来分离不同因素的影响，粗略地对比和评价各种摩擦分量的不同作用。
3.1 实验结果
对各类轴承分别在180、560、1 000 r/min转速和100、500、1 200 N载荷下进行了实验测试，结果如图3所示。可以看到：各类轴承的摩擦力矩都随着载荷的上升而上升，随着转速的增加而增加，这与前人的研究结果大致相同。
图3 4类轴承摩擦力矩随载荷和转速的变化
3.2 密封摩擦
根据前文的分析，可认为在相同的实验条件下，带密封轴承与无密封轴承的摩擦力矩的差值，是由于密封端盖的黏性摩擦造成的，可以把这个摩擦分量叫做密封端盖的摩擦，简称密封摩擦。
图4示出了密封摩擦力矩及其在轴承摩擦中的占比。从图4(a)可以看到，在测试条件范围内，实验轴承的密封摩擦在1.5～6.0 N·mm之间。密封摩擦随转速的增加而增加，随载荷的上升略有上升，但变化较小。因为密封摩擦主要是由于介质的黏性摩擦引起的，根据牛顿黏性摩擦定律，黏性摩擦力和速度梯度成正比，速度增加摩擦力增加；
而载荷增加可能会使局部密封间隙减小，也可能使速度梯度增加。从4(b)可以看出，对于所实验的轴承，密封摩擦在轴承的全部摩擦中占比在5%～18%之间，低速重载下占比较小，高速轻载下占比较大。
图4 密封摩擦力矩及其在轴承摩擦中的占比
3.3 黏性摩擦
无密封轴承的摩擦力矩与无润滑轴承的摩擦力矩的差值是由于润滑脂的黏性摩擦造成的，故可以把这类摩擦分量称为黏性摩擦。图5所示是黏性摩擦力矩的大小及其在无密封轴承摩擦中所占的比例。从图5(a)可看出，黏性摩擦力矩随速度的提高而上升，载荷较小时上升较快，载荷较大时上升较慢。在100 N载荷下黏性摩擦较小，而在500和1 200 N载荷下两者的黏性摩擦接近。黏性摩擦力矩随速度上升而上升的规律容易理解，而黏性摩擦力矩随载荷变化的原因可能比较复杂。因为黏性摩擦力矩是5个摩擦副上的黏性摩擦力的总和，在较大载荷作用下各摩擦副结构的变形可能是影响其黏性摩擦力矩的重要原因。
在实验条件下，黏性摩擦力矩在无密封轴承总摩擦力矩中所占的比例很大，如图5(b)所示，在1 200 N 的较大载荷下其最小比例约64%，在100 N 的较小载荷下所占比例接近85%。这表明黏性摩擦是滚动轴承摩擦力矩的主要来源，这一规律和文献的研究结果是吻合的[16]。
图5 黏性摩擦力矩及其在无密封轴承中的摩擦占比
3.4 滑动摩擦和滚动摩擦
无润滑轴承的摩擦是由滚动摩擦和滑动摩擦共同造成的。6204深沟球轴承具有滚动体和内、外圈组成的2个滚动摩擦副，还有滚动体与保持架之间的滑动摩擦、滚动体与内圈的希斯科特滑动摩擦以及滚动体与外圈的希斯科特滑动摩擦3个滑动摩擦副。因无法把这些摩擦副完全分离开来，所以只能测量滚动摩擦和滑动摩擦力矩的总和。无密封轴承的摩擦力矩减去黏性摩擦力矩后的差值就是由滚动摩擦和滑动摩擦产生的摩擦力矩。根据图5(b)可以得到：在1 200 N的较大载荷下滚动摩擦和滑动摩擦力矩的总和在无密封轴承的总摩擦力矩中所占比例最大，约为36%，在100 N的较小载荷下所占比例约为15%。
润滑可以减小滑动摩擦，但不能减小滚动摩擦，所以无润滑轴承与微润滑轴承的摩擦力矩的差值主要是滑动摩擦力矩的减小量。图6(a)所示是不同载荷下滑动摩擦减小量随转速变化的情况。因为滑动摩擦和载荷成正比，而速度不是主要影响因素，所以在小载荷下滑动摩擦减小量小，在大载荷下滑动摩擦减小量大，而转速的影响较小。
从图6(b)可以看到，滑动摩擦减小量在滚动摩擦和滑动摩擦总和中所占的比例在26%～40%之间。因为微润滑不可能完全消除滑动摩擦，所以滑动摩擦减小量只是滑动摩擦力矩的一部分，滑动摩擦力矩的总量一定大于滑动摩擦减小量，这就是说滑动摩擦在滚动摩擦和滑动摩擦的总和中所占的比例一定是大于26%和40%的。这说明滚动体与保持架之间的滑动摩擦、滚动体与内圈的希斯科特滑动摩擦以及滚动体与外圈的希斯科特滑动摩擦也是滚动轴承摩擦中的重要分量。
图6 滑动摩擦力矩减少量及其在滚动与滑动摩擦总和中的占比
(1)分析深沟球轴承的结构组成和轴承运动过程中存在的8个摩擦副，首次提出了滚动轴承摩擦的13种基本摩擦机制，并将这些机制归为滚动摩擦、滑动摩擦、黏性摩擦以及密封摩擦4大类。
(2)提出了一种研究滚动轴承摩擦的因素分离方法。该方法使用同批次的深沟球轴承，通过去除密封端盖、去除润滑脂和施加微量润滑油，分别开展了带密封、无密封、无润滑以及微润滑条件下的摩擦实验。通过该方法减少了影响因素分离出了密封摩擦和润滑剂黏性摩擦的作用分量。
(3)实验结果表明，在实验的载荷和转速条件下，密封摩擦占被测轴承全部摩擦的5%～18%，黏性摩擦占无密封轴承总摩擦的64%～85%；
除去这些黏性摩擦之外，滑动摩擦也是滚动轴承摩擦中的重要分量。
