脂润滑滑动轴承拖动特性试验台的研制及试验分析

周健，杨伯原，李俊娟，刘刚强，闫晓凡

(河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003)

近年来，对于一些重要领域用滑动轴承拖动性的研究受到越来越多的关注，文献[1-3]报道了通过理论计算轴承摩擦力矩的方法和结果。欲获得较为准确的数据，则要求在不同载荷、温度、转速和润滑条件下测试轴承的摩擦力矩，以预估轴承的寿命和工作效率，判断轴承的缺陷和运行状态，为设计高可靠性、高效率及高精度轴承提供依据。但由于滑动轴承大多用于承受径向载荷，因结构所限，实际采集周向摩擦力时不可避免地会受到径向载荷的影响，所以测试此类滑动轴承的摩擦力矩非常困难。迄今为止的试验研究多局限于承受轴向载荷的滚动轴承，而对于承受径向载荷的滑动轴承，尚未见到能够准确测量摩擦力的装置。

下面介绍一种模拟低速、重载工况的工程机械力臂轴套类滑动轴承的试验装置。

1 总体方案及要求

1.1 总体设计方案

试验台的总体设计方案如图1所示。要求该试验装置能够准确、实时地测试出滑动轴承在不同载荷、温度、转速和润滑条件下摩擦力的大小和变化。

图1 试验台系统方案示意图

试验轴与套之间的静力学受力分析如图2所示。其中r为轴半径；R为套外径；e为半径间隙，e=R-r；F为摩擦力；N′为正压力；N为载荷，mg为轴承室的自重；P为测试力；α为接触偏角；O为轴心；O′为套中心；C为轴/套接触点；K为加载点。根据受力分析，可得静力学平衡方程为

图2 轴套静力学分析图

∑Fx=0，

Fcosα-P-N′sinα=0 ，

(1)

∑Fy=0，

(N-mg)-N′cosα-Fsinα=0，

(2)

∑Mo=0，

(3)

P由力传感器测得；N-mg，R，r皆为已知量。联立(1)～(3)式，可以求得摩擦力F及正压力N′。

1.2 技术要求

(1)工作温度由常温至235 ℃；(2)试件轴转速范围为100～400 r/min；(3)轴套副最大Hertz应力为280 MPa；(4)温度和速度参数应可实现无级可调；(5)试验数据能够实时地通过测试系统输出，力信号经测试系统最终由计算机界面显示，并能够实时予以保存，其他数据信号能够在相应的仪表上显示；(6)系统稳定性好，试验重复性好。

2 结构设计

2.1 结构组成

试验台主要由驱动装置、加载装置、温控系统和滑动轴承室组成。试验台结构如图3所示。

1—砝码；2—杠杆；3—加热棒孔；4—试件套；5—支撑套；6—试件轴；7—热电偶孔；8—力传感器；9—滚动轴承图3 试验台结构示意图

(1)驱动装置。试验台的动力由1台变频电动机提供，变频器的变频范围为0～100 Hz。通过调节变频器的频率，电动机可实现在75～450 r/min范围内恒扭矩输出。

(2)加载装置。采用杠杆加载，结构为3级杠杆串联，每一级杠杆的力放大比例为3∶1，则3级串联可以实现27∶1的载荷放大。通过这种结构可以有效地减少加载重量。加载方式为手动砝码加载，优点是冲击小、结构简单并且加载稳定。

(3)温控系统。由4根均布的功率为300 W的加热棒对轴套副加热。其工作状态由PID温度控制仪控制，使轴套副附近温度保持在所需的工况范围内。

(4)滑动轴承室。滑动轴承室是整个试验台系统的核心部分，主要由试件轴、试件套和支撑套组成。采用试件套和支撑套分离的结构，是为了便于试件的更换和节约试验成本。试件套和支撑套之间为紧配合。加热元件和热电偶安装在支撑套内。

为了减少加载砝码的重量，又能够满足轴套副Hertz应力的要求，除了加载系统采用上述的多级杠杆以外，还将试件轴的实际接触部位设计成2段狭窄的圆柱面。试件套和支撑套对应位置留有加脂孔，一次性加脂。轴承室结构如图4所示。

图4 轴承室结构简图

为了减少径向加载对滑动轴承摩擦力采集的影响，在杠杆的加载终端由1个滚动轴承将载荷沿试件径向传递到支撑套上。轴套副之间产生的摩擦力将使试件套做圆周方向转动，而与支撑套接触的刚性力传感器可阻止转动，并采集该摩擦力信号。因用于加载的滚动轴承与支撑套之间仅存在滚动的趋势，且滚动轴承的摩擦系数要比滑动轴承小1～2个数量级[4]，所以对滑动轴承摩擦力的影响十分微小，可忽略不计。另外，加载点应设置在与2个圆柱接触面等距的轴截面上，以保证2个接触面受力均等。

2.2 电控部分

电控部分主要对试件转速和工作温度进行设定、控制和调节。

(1)采用光电转速传感器对试件轴的转速进行采集并输出，并由XJP48T数字显示仪显示。改变试件轴的工作转速时，需要一边调节变频器的频率来改变电动机的转速，一边观察XJP48T数字显示仪所显示的数值，直至达到所需的工作转速。

(2)热电偶将温度信号传输到PID温度控制仪中。PID模块将其与预设置的工作温度值进行比较和分析，然后控制加热元件的工作状态，控制精度为±0.1 ℃，使系统稳定在设定的工作温度。

2.3 数据采集和处理部分

工作中轴套副之间的摩擦力以扭矩的形式传递到支撑套上，力传感器与支撑套为刚性接触，将力信号传输到YD-21动态电阻应变仪。应变仪同时将该信号并行输出，经数据线将其传输到数据采集卡，然后由软件系统对其进行处理，并在计算机界面上显示出摩擦力值。

RSS01力传感器的分辨率为额定载荷的0.1%；数据采集卡分辨率为12位，最高采样频率为90 kHz。数据采集软件程序用LabVIEW8.2编写，可以实现数据的实时采集、储存，以及数据曲线的实时动态显示。

3 试验数据分析

用上述试验台对牌号为129-1983的工程机械用润滑脂进行试验。对测得的数据进行处理后，绘出不同工况时的变化曲线如图5～图7所示。

图5 定转速下不同载荷时的拖动系数-温度曲线

图6 定载荷下不同温度时的拖动系数-转速曲线

图7 定温度下不同转速时的拖动系数-转速曲线

图5中的3幅曲线虽然转速条件不同，但无论从曲线形状还是拖动系数值的范围都十分相似，说明一定范围内的转速变化对该接触副的润滑状态影响很小[5]。从单条曲线走向的剧烈变化可看出温度的巨大影响。另外，图中明显的细节是：从常温到135 ℃，高载荷下的拖动系数明显高于低载荷下的拖动系数；而超过135 ℃之后，低载荷下的拖动系数却高于高载荷下的拖动系数。这说明该润滑脂中的极压添加剂在高温高压下能较好地发挥作用，而85～135 ℃应是其开始发挥作用的温度。同时说明该润滑脂的稠化剂和基础油在高温时的物理和化学性能比较稳定，能保持优良的润滑效果。

图6同样反映出速度对拖动系数有极小的影响。但却看到在不同载荷的情况下温度对拖动系数的影响显著。其规律是：当温度由常温逐渐上升时，拖动系数急剧上升，到135 ℃时达到最大值；而后温度继续上升，拖动系数却稍有降低。这说明该润滑脂虽然对温度也较敏感，但具有稳定的高温性能[6]。

图7十分清楚地显示出，虽然在不同的温度下轴套副的拖动系数值表现出较大的差异，但在任一许用温度下，只要速度与载荷的变化不超出许用范围，其拖动系数具有良好的稳定性。而且在135～235 ℃高温下拖动系数的稳定性更加突出。因此，该润滑脂具有在常温时拖动系数较低，较高温度时能保持稳定拖动系数的性能，是一种适用于很宽温度范围的性能优良的润滑剂。

4 结束语

试验表明，所设计的试验台完全满足预定的设计要求，具有很好的重复性和稳定性，测得的试验数据准确可靠，能够正确地反映出脂润滑滑动轴承在不同工况条件下的拖动特性；同时可得到润滑脂的润滑性能，在工程应用中具有十分重要的指导意义。