间歇运动条件下润滑脂膜厚分布的实验研究*

杜 洋 韩一鸣 王 静 梁 森

(1.青岛理工大学机械与汽车工程学院 山东青岛 266520；2.东华大学机械工程学院 上海 201620)

在现代机械中，间歇运动是一种常见的运动形式，如棘轮机构、槽轮机构、擒纵机构等均可实现间歇运动。这些机构主要应用于低速和轻载的工况下[1],例如应用在高速模切机上的一种固定凸轮连杆间歇机构[2]，或者应用在农业机械中的一种凸轮摆杆式的间歇移动烟苗移栽机成穴机构[3]。不管间歇运动的具体形式如何，其运动过程都是包含停歇时间段和非停歇时间段。做间歇运动的机器中的滚动轴承，其润滑状况是值得关注的。和弹流润滑的其他时变问题不同，迄今为止，对间歇运动进行的理论分析和实验研究还比较少。1998年，张翠凤和龚光寅[4]对圆柱凸轮间歇运动机构进行了摩擦学分析，提出了理论上2个接触表面间的润滑状态是同时要考虑油膜动压效应和挤压效应的非稳态弹流润滑，但在实际工况中，也会存在边界润滑或部分流体润滑状态。SPERKA等[5]从理论和实验的角度分析点接触弹性流体动力润滑在启停过程中的瞬态膜厚和压力分布。王飞等人[6-7]采用润滑油作为润滑介质实验研究了间歇运动条件下的弹流润滑油膜，并在理论上完成了数值模拟。吴多焕[8]对单向和双向2种间歇运动条件下不同工况中的弹流问题进行了数值模拟，分析了运动过程中油膜特性的变化。

往复运动可以视为间歇时间为零的间歇运动，因此其油膜变化规律对于间歇运动是存在借鉴意义的。WANG等[9-10]利用多重网格技术对往复运动下钢-钢线接触问题的热弹性动力流体润滑进行了完整的数值分析；同时还利用光干涉技术和理论分析，对点接触弹性流体动力润滑膜在纯滚动短行程往复运动下的变化进行了研究。WANG等[11]研究了纯滑动往复运动中的润滑脂膜变化，通过光干涉实验，讨论较长周期内的油膜分布，指出由于初始运动周期内润滑脂的增稠剂纤维团存在，影响了瞬态的膜厚分布。

润滑脂是一种常用的润滑介质，90%以上的滚动轴承都是采用脂润滑。KANAZAWA等[12]的研究表明，两接触表面在低速工况下，增稠剂的类型对润滑脂的膜厚起着决定性的作用。当卷吸速度低于临界速度时，纤维团在成膜过程中有着重要的影响，实际膜厚大于理论膜厚(仅考虑基础油做润滑剂时)。在临界速度以上时，润滑脂膜的厚度与基础油润滑的厚度相同，润滑脂膜随卷吸速度的变化而成经典的膜厚形状。DE LAURENTIS等[13]研究发现当卷吸速度低于某一临界速度时可形成相当厚的润滑脂膜厚，润滑脂膜厚度随卷吸速度的变化呈现一个V形。HAN等[14]对纯滚动往复运动时低速润滑脂膜的瞬态响应做了研究，验证了DE LAURENTIS等[13]的发现;并指出由于时变效应的影响，增稠剂纤维团的存在时间比稳态低速条件下存在的时间短得多。目前关于间歇运动工况下的脂润滑油膜厚度的变化，尚未见研究报道。

本文作者采用双光束干涉技术，使用Centoplex3润滑脂对间歇运动条件下润滑脂膜分布以及接触区内纤维团的变化情况进行了实验研究，考虑了卷吸速度和停歇时间变化对油膜形状和厚度的影响。

1 实验部分

实验是在光干涉试验台上进行的。整个实验装置由球-盘回转系统、加载系统、运动控制系统、光源系统、图像采集以及处理系统等组成。实验装置如图1所示，钢球和玻璃盘的直径分别为25.4和150 mm，在玻璃盘表面有厚度约为10 nm的镀铬层。

图1 实验台照片Fig 1 Photo of the test rig

实验载荷为30 N，实验温度为(24±1) ℃，实验后油膜厚度由DIIM软件[15]测量获得。实验使用的润滑脂是Centoplex3，其性能如表1所示。实验前用乙醇溶液彻底清洗圆盘、钢球和相关部件。

表1 Centoplex3润滑脂的性能参数Table 1 Properties of Centoplex3 grease

实验的运动条件是做梯形波的纯滚动间歇运动，滑滚比等于0。钢球和玻璃盘的速度变化如图2所示。假定两表面速度从一个恒定的初始速度运行0.5 s(=t2-t1)后开始经历1 s(=t3-t2)的匀减速，停歇ts(=t4-t3)，后再匀加速1 s(=t5-t4)，最后回到恒定速度并保持0.5 s(=t6-t5)。在充分供脂的条件下，共设置了4个停歇时间，分别为ts=0.1、0.3、0.5、1.0 s。为考虑卷吸速度对油膜厚度的影响，设定了3种恒定卷吸速度，分别为umax=0.1、0.2、0.4 m/s。

图2 表面速度的变化Fig 2 Variation of surface velocities

2 结果与讨论

为了便于理解，图3和图4分别给出了HAN等[14]在稳态纯滚动条件下润滑脂膜厚与卷吸速度的关系以及稳态低速轻载条件下获得的光干涉润滑脂膜分布图像及中截面膜厚曲线。接触区充满增稠剂纤维团，尽管速度很低，接触区内的膜厚大体上保持在0.18 μm左右。由于增稠剂纤维团分布不均，中截面曲线存在一定的波动。在稳态条件下，此种较厚的润滑脂膜可以维持相当长时间而不发生变化，因此对处于稳态工作条件下的滚动轴承是极为有利的。尽管HAN等[14]所用的载荷与文中实验不同，但实验发现在稳态条件下，如果速度相同或相似，载荷的增加对接触区纤维团的分布影响很小。

图3 稳态条件下润滑脂膜厚与卷吸速度的关系[14]Fig 3 Grease film thickness versus entrainingspeed under steady state[14]

图4 稳态条件下接触区内纤维团分布(umax=0.01 m/s，w=15 N)[14]Fig 4 Distribution of thicker fiber in contact under steady-state(umax=0.01 m/s,w=15 N)[14]

2.1 间歇时间ts=0.5 s时膜厚分布影响

图5(a)—(h)给出了ts=0.5 s的一个间歇运动周期内几个典型瞬时的光干涉油膜分布及中截面膜厚曲线对比。光干涉油膜分布图中从左至右，在匀速阶段两固体的表面速度分别为umax=0.1、0.2、0.4 m/s， 见图5(a)。 在图5中， 每一幅光干涉照片中均标注了当前卷吸速度。

图5(a)给出的是匀速阶段最后一个瞬时的结果，此时的3种卷吸速度分别为0.1、0.2和0.4 m/s。光干涉图像呈现经典的马蹄形，膜厚曲线变化也满足弹性流体动力润滑的特征，膜厚随着卷吸速度的增加而增加。图5(b)给出的是减速阶段即将结束的一个瞬时，3种工况下的卷吸速度已经变为0.01、0.02、0.04 m/s。在这样的卷吸速度下增稠剂纤维团均出现在接触区中。在0.01 m/s的光干涉图中，增稠剂纤维团最多，但数量相比于图4则少很多；在0.02 m/s的光干涉图中，增稠剂纤维团尺寸略大一些，但是数量较少；在0.04 m/s的光干涉图中增稠剂纤维团仅轻微可见。对应的中截面油膜厚度相比图5(a)有明显降低。图5(c)示出的是减速阶段结束瞬时及停歇阶段开始的瞬时的情况，3幅光干涉图中卷吸速度变为0，在减速阶段油膜变化受楔形项和挤压项的联合作用，楔形项和卷吸速度有关，卷吸速度越小，楔形项的影响就越小，而相对的挤压项的作用增强，导致图5(c)中有一部分润滑脂被封到接触区中，形成了凹陷油膜形状，并且凹陷油膜的深度与匀速阶段的卷吸速度的大小有关。这与王飞等人[6-7]和吴多焕[8]在油润滑实验和数值分析的结果一致。虽然在3幅光干涉图中，增稠剂纤维团的大小和位置不同，但对凹陷油膜的深度没有影响。在停歇阶段的图5(d)—(f)中，增稠剂纤维团虽然也存在接触区中，但可见接触区中的部分脂膜膜厚已变得非常小，说明接触区内除了增稠剂纤维团的存在，还存在一定比例的析出油，析出油流出接触区造成了油膜厚度的降低。随着间歇时间的增加，接触区内的增稠剂纤维团的尺寸也基本变小。增稠剂纤维团位置和尺寸的变化造成了接触区内脂膜厚的分布波动。图5(c)—(f)中，纤维团的数量均远少于图4，说明在间歇运动条件下，与往复运动的结果类似[14]，时变效应抑制了增稠剂纤维团进入接触区。图5(f)所示为停歇阶段的终点也是加速区间的始点的情况，在图5(g)中3种卷吸速度为0.045、0.09和0.180 m/s，马蹄形油膜形状重新出现。在卷吸速度为0.045和0.09 m/s的接触区中，仍存在少量增稠剂纤维团，但0.180 m/s的接触区内则完全没有增稠剂纤维团的存在。在图5(h)中，光干涉油膜形状和厚度基本已恢复到图5(a)的水平。

图5(a) 匀速阶段末卷吸速度的影响(t=0.50 s)Fig 5(a) The influence of entrainment velocity at the end of uniform velocity stage ( t=0.50 s)

图5(b) 匀减速阶段末卷吸速度的影响(t=1.40 s)Fig 5(b) The influence of entrainment velocity at the end of uniform deceleration stage(t=1.40 s)

图5(c) 间歇阶段始卷吸速度的影响(t=1.50 s)Fig 5(c) The influence of entrainment speed at the beginning of intermittent stage(t=1.50 s)

图5(d) 间歇阶段中卷吸速度的影响(t=1.61 s)Fig 5(d) The influence of entrainment speed in the middle of intermittent stage(t=1.61s)

图5(e) 间歇阶段中卷吸速度的影响(t=1.88 s )Fig 5(e) The influence of entrainment speed in the middle of intermittent stage(t=1.88 s )

图5(f) 间歇阶段末卷吸速度的影响( t=2.0 s )Fig 5(f) The influence of entrainment velocity at the end of intermittent stage( t=2.0 s )

图5(g) 匀加速阶段中卷吸速度的影响(t=2.45 s)

图5(h) 匀速阶段始卷吸速度的影响( t=3.0 s)Fig 5(h) The influence of entrainment speed at the beginning of uniform velocity stage(t=3.0 s)

图6给出了与图5(a)—(h)对应间歇运动过程中的中截面的中心膜厚和最小膜厚的变化。在非停歇阶段的相同瞬时，卷吸速度越大，中心膜厚和最小膜厚就越大。在停歇阶段，0.1和0.4 m/s的结果十分接近，而0.2 m/s下的中心膜厚和最小膜厚最大。0.2 m/s下的中心膜厚有一个向上的突变，这是由于接触区的正中心位置存在一个较大的纤维团聚集(如图5(d)所示)，属于偶然因素。王飞等人[6-7]和吴多焕[8]的实验和数值分析结果都显示，减速和加速阶段的润滑油膜变化都是光滑的，并且停歇阶段中心膜厚和最小膜厚差别明显。而当前的脂润滑中心膜厚和最小膜厚在减速和加速阶段光滑性略差，但是停歇阶段中心膜厚和最小膜厚差别不大，这是由于增稠剂纤维团的存在对接触区形成了保护。也就是说在停歇阶段由于增稠剂纤维团的随机存在会在一定程度上增大中心膜厚与最小膜厚，而不会出现如油润滑工况下停歇阶段中心膜厚和最小膜厚也下降的结果[3-5]。

图6 3种卷吸速度下的中心膜厚和最小膜厚对比(ts=0.5 s)Fig 6 Comparison of center film thickness (a)and minimum film thickness (b)under 3 different entrainment velocity (ts=0.5 s)

2.2 间歇时间ts=1.0 s时中心膜厚和最小膜厚变化

图7给出了间歇时间ts=1.0 s时中心膜厚和最小膜厚的变化。在减速阶段、停歇阶段和加速阶段3条曲线中都因为增稠剂纤维团的存在而出现了膜厚值波动现象，停歇阶段还存在突然增加的膜厚变化。在匀速阶段，3种卷吸速度下的膜厚值均与图6中结果相比略显不同，这是增稠剂纤维团在接触区中的存在和分布位置存在一定的随机性所致。在图7中，停歇阶段的中心膜厚和最小膜厚差别也不大。

图7 3种卷吸速度下的中心膜厚和最小膜厚对比(ts=1.0 s)Fig 7 Comparison of center film thickness (a) and minimum film thickness (b) under 3 different entrainment velocity (ts=1.0 s)

2.3 卷吸速度对中心膜厚和最小膜厚的影响

图8—10分别给出了不同间歇时间下匀速阶段在0.1、0.2、0.4 m/s这3种卷吸速度条件下的中心膜厚和最小膜厚的对比。可知，由于增稠剂纤维团的存在，在减速运动阶段后期、停歇阶段以及加速阶段，均存在油膜的波动甚至是突然增加。这也说明在间歇运动中，采用脂润滑是更有利的。分析文献[6-8]油润滑的结果可知,停歇阶段会造成接触区周围油膜压力的急剧升高和油膜的下降。这种压力升高不仅对于滚动轴承本身不利，对于滚动轴承所支撑的轴的可靠性也存在不利影响[16]。润滑脂中增稠剂纤维团的存在可以降低这种不利影响。

图8 不同间歇时间下中心膜厚和最小膜厚对比(umax=0.1 m/s)Fig 8 Comparison of central film thickness (a) and minimum film thickness (b) at umax=0.1 m/s under different intermittent time

图9 不同间歇时间下中心膜厚和最小膜厚对比(umax=0.2 m/s)Fig 9 Comparison of central film thickness (a) and minimum film thickness (b) at umax=0.2 m/s under different intermittent time

图10 不同间歇时间下中心膜厚和最小膜厚对比(umax=0.4 m/s)Fig 10 Comparison of central film thickness (a) and minimum film thickness (b) at umax=0.4 m/s under different intermittent time

3 结论

通过使用球-盘点接触试验台对润滑脂完成了做梯形波的纯滚动间歇运动实验，可以得出以下结论：

(1)匀速阶段的速度越大，非停歇阶段的凹陷油膜越厚，膜厚的整体变化趋势与卷吸速度成正相关。在非停歇阶段的相同瞬时，卷吸速度越大，中心膜厚和最小膜厚就越大。在停歇阶段由于增稠剂纤维团的随机存在会在一定程度上增大中心膜厚与最小膜厚。

(2)在整个运动周期内增稠剂纤维团的数量远小于稳态工况，特别是在卷吸速度较大和停歇时间较长时，说明时变效应抑制了增稠剂纤维团进入接触区。

(3)由于增稠剂纤维团的存在，在减速阶段后期，停歇阶段、加速阶段前期，中心膜厚和最小膜厚的变化存在一定的波动。但整体的变化趋势一致，在停歇阶段前期膜厚波动较大，但后期膜厚曲线趋于一致。

(4)随着停歇时间的延长， 油润滑的膜厚会逐渐降低。脂润滑膜厚变化虽然也存在这个趋势，但因增稠剂纤维团的存在，膜厚分布中会出现局部增厚的有益现象。考虑到停歇阶段的油膜较小也比较容易发生表面直接接触，采用脂润滑对设备的运转是有利的。