滚动轴承旋转阻力测试方法研究

闫子健 金宇辰 时敬翔

摘要：滚动轴承是机械工业及其他各行业广泛使用的一种极其重要的零部件，其摩擦阻力直接影响到轴承的节能、寿命及可靠性。鉴于此，研究了轴心加载法的测试原理。首先对常用的滚动轴承阻力测试方法进行了对比分析，其次介绍了轴心加载法的测试原理，最后对轴心加载法的实际测试数据进行了展示。

关键词：滚动轴承阻力;阻力测试装置;轴心加载法

中图分类号：TH133.3  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）01-0040-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.011

0    引言

近年来，轴承摩擦阻力一直是学术界研究的焦点之一，轴承摩擦力矩的理論和实验研究发展迅速，研究成果已经应用于各种轴承的设计中，在很大程度上促进了轴承技术的发展和进步[1]。目前，对于各类轴承摩擦阻力相关问题的探讨和研究，国内外科研人员及技术工人已进行数载，在轴承的结构设计优化、润滑剂的合理选择、减摩减噪、提升承载能力等方面取得了重大成果，在轴承摩擦阻力的理论分析、摩擦力矩的计算方法、测试阻力的装置设计等方面都积累了许多经验。

1    轴承摩擦阻力的理论研究现状

T. A. Harris[2]通过实验探究了轴承负载与轴承摩擦阻力的关系。实验数据表明，在不考虑其他变量的条件下，随着轴承载荷的增加，轴承的摩擦阻力也会增加。该研究只进行了轴向载荷情况下的测试工作，忽略了径向载荷。

T. Kitahara等人[3]测量了轴承同时受轴向载荷和径向载荷时的摩擦阻力情况。实验结果表明，轴承的摩擦阻力主要受轴向分量影响，摩擦力矩在大负荷下会递减，如果是在轻负荷的情况下，那么摩擦力矩会随负荷的增加而增加，并且轴承的摩擦力矩也会随轴向载荷的变化呈周期性变化。

C. R. Gentle等人[4]用实验装置对滚动轴承的滚珠摩擦力和保持架阻力进行了测量和理论模拟分析，获得了理论模拟分析结果和测量结果，且该结果与简单黏性剪切理论模型有良好的一致性。该模拟分析适用于他们之前测试的所有轴承。

R. I. Kobzova[5]和V. Wikstm等人[6]探究了不同温度对脂润滑形式的轴承摩擦阻力的影响。结果表明，在高温下，润滑脂的用量越大摩擦力矩越大;在较低温下，润滑剂不会影响运行状态的动态力矩，而会影响启动力矩。但二者的实验都缺乏不同条件的对照。

D. Goncalves[7]和T.Cousseau等人[8]使用摩擦力矩测量装置测量了轴承使用不同配方的润滑脂在不同温度下工作的摩擦力矩。实验结果表明，相同轴承中使用不同的润滑脂会有不同的摩擦力矩，且使用聚合物润滑脂时的摩擦力比使用典型多用途锂基润滑脂小。

D. N. Olaru等人[9]利用雅西工业大学机械工程学院摩擦学实验室的Tribometer CETR UMT-2实验台测试了仅存在三个滚珠和一个保持架时的轴承摩擦力矩，评估了滚珠与保持架之间的摩擦对轴承总阻力的影响。

夏新涛等人[10-11]基于灰色系统理论，通过理论分析和实验证明，提出了一种轴承摩擦力矩寿命预测的方法，建立了一种可以以个体推断总体的模型，为实现轴承长期工作中的摩擦力矩性能测试打下了基础。

贾松阳等人[12]通过调整填脂量、加工表面质量和粗糙度等参数，对深沟球轴承保持架进行了优化设计，减小了矿用托辊深沟球轴承的摩擦力矩。

河南科技大学邓四二教授对多种轴承进行了分析，其通过对角接触球轴承的摩擦力矩特性的研究[13]，得到了关于该轴承的数学计算方法;通过对航天发动机滚动轴承系统的动态分析[14]，建立了高压转子和低压转子间耦合的滚动轴承与双转子系统动力学方程，提出了转子动力学与滚动轴承动力学之间的耦合。

2    轴心加载法的基本原理分析

2.1    轴心加载法的简单原理

滚动轴承摩擦力矩测试的轴心加载法基本原理如图1所示。被测轴承（图2）内圈在驱动轴的支承和带动下沿顺时针方向转动，通过夹具夹持轴承外圈，在夹具的下方挂有砝码，上方通过拉压传感器来测试摩擦力矩。夹具下方的重量为W的砝码就是施加给轴承的径向载荷，这个径向载荷与普通轴承受力是类似的，它由驱动轴支承，作用线通过驱动轴轴心，所以称为“轴心加载法”。如果轴承是静止的，摩擦力矩M=0，重力W通过轴心，传感器上的拉力F=0。如果驱动轴顺时针转动，轴承外圈和夹具会受到一个顺时针方向的摩擦力矩M，而传感器的拉力F会与这个力矩相平衡以阻止外圈转动。

滚动轴承摩擦力矩的简单计算公式为：

M=F×L1

式中：M为滚动轴承的摩擦力矩;F为传感器上测试得到的拉力;L1为夹具上的传感器测试力臂。

2.2    传感器的初始拉（压）力

拉压传感器是通过应变片的变形来检测拉压力的，如果传感器不能准确地安装在距离夹具上着力点为L3的位置上，夹具就会被传感器拉（推）动而旋转一个角度，这会给传感器造成一个初始拉（压）力。这个初始拉（压）力的大小正比于夹具的转角，还正比于砝码的大小。因为这个初始拉（压）力是由于安装误差产生的，所以无法控制其大小，甚至无法控制其方向（拉还是压）。

为了克服这种因为安装误差造成的初始拉（压）力不稳定问题，可以把传感器安装在一个移动滑台上，如图3所示，这样就可以通过移动传感器的位置来改变初始拉（压）力的大小。

调节传感器的位置，可以使传感器所受到的初始拉（压）力为零，看上去这个问题似乎这样就已经解决了。实际上，首先拉压传感器一般不适合在拉压转化状态下工作，最好是在明确的拉力或压力的加载方式下工作;其次夹具的平衡位置是难以确定的，因为轴承有静摩擦力矩，在夹具与其平衡位置偏离一个微小角度的情况下也可以处于静止状态，这就使得平衡的准确位置难以确定。

2.3    预紧力

为了保证传感器处于受拉力的状态，可以把传感器向左移动，给传感器施加一个预紧力F0，如图4所示。施加预紧力以后，传感器上受到的力F1将是轴承的摩擦力矩造成的拉力F与预紧力F0的合力。在预紧力不大的情况下，可以忽略预紧力造成的L1的变化，滚动轴承摩擦力矩的计算公式可以表示为：

M=（F1-F0）×L1

式中：M为滚动轴承的摩擦力矩;F1为传感器上测试得到的拉力;F0为预紧力;L1为夹具上的传感器测试力臂。

2.4    预紧力计算

在驱动轴静止的条件下，把传感器向左移动，传感器上的拉力会增加，移动一定的距离后传感器就会有一个确定的示数。但这个示数并不是预紧力，因为它里面还包含有轴承的静摩擦力矩。在静止条件下，静摩擦力矩可能是顺时针方向的，也可能是逆时针方向的。

如果让驱动轴沿顺时针方向转动，夹具受到的摩擦力矩就是顺时针方向的，这时传感器的示数会增大，增大到一定值后就不再增加了，这个最大示数Fmax就是预紧力F0与静摩擦力Fs的合力。如果让驱动轴逆时针转动，夹具受到的摩擦力矩就是逆时针方向的，这时传感器的示数会减小，减小到一定值后就不再继续减小了，这个最小示数Fmin就是预紧力F0减去静摩擦力Fs的数值。

预紧力的计算公式可以表示为：

F0=（Fmax+Fmin）/2

式中：F0为预紧力;Fmax为顺时针转动时的最大拉力值;Fmin为逆时针转动时的最小拉力值。

通常把获取Fmax和Fmin数值的实验步骤叫做消除静摩擦，简称“消摩擦”。

3    测试装置及测试结果

基于以上原理，设计了以下测试装置，如图5、图6所示。

在负载为70 N时，在3种转速条件下用轴心法加载装置分别对被测轴承重复测试6次，再对读取后的数据进行分析计算得出测试结果。根据拉压传感器所测数据，通过摩擦力矩公式计算得到的摩擦力矩如表1所示。

4    分析与结论

本课题围绕滚动轴承摩擦阻力进行了一系列研究工作，主要完成的内容如下：

（1）总结归纳了国内外专家的相关研究。

（2）总结了本实验装置的原理：轴心加载法。该方法基于力矩平衡原理，装置简单，轴承安装方便，测量精准，可以实现不同载荷及转速下的测试。

但本课题在某些方面仍有不足及发展空间：

（1）本课题只针对轴承工作中的转速和径向载荷两个点进行研究，希望以后可以增加轴向载荷、轴承有无润滑剂、工作温度等，对轴承阻力进行多方面的测试，以取得更精确的结果。

（2）由于设计的局限性，测试时的最大转速、最大载荷受到限制，不能实现更大转速、载荷下的测试，希望以后能实现更大范围的测量。

[参考文献]

[1] 郑传统，徐绍仁，杨德卿，等.球轴承摩擦力矩的研究现状与发展[J].轴承，2009（8）：52-56.

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[3] KITAHARA T，OKAMOTO J.Friction Torque of Instrument Ball Bearings under Combined Radial and Thrust Load[J].Journal of Japan Society of Lubrication Engineers，1983，28（4）：279-286.

[4] GENTLE C R，PASDARI M.Measurement of Cage and Pocket Friction in a Ball Bearing for Use in a Simulation Program[J].A S L E Transactions，1985，28（4）：536-541.

[5] KOBZOVA R I，KLIMOV K I，SHUL'ZHENKO I V.Influence of Temperature on Static Frictional Torque of Grease-lubricated Bearings[J].Chemistry and Technology of Fuels and Oils，1974，10（3/4）：227-229.

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[12] 贾松阳，王朋伟，文婧，等.托辊用深沟球轴承减摩设计[J].轴承，2019（11）：7-9.

[13] 邓四二，李兴林，汪久根，等.角接触球轴承摩擦力矩特性研究[J].机械工程学报，2011，47（5）：114-120.

[14] 邓四二，付金辉，王燕霜，等.航空发动机滚动轴承-双转子系統动态特性分析[J].航空动力学报，2013，28（1）：195-204.

收稿日期：2021-10-11

作者简介：闫子健（1998—），男，河北张家口人，研究方向：机械工程。

金宇辰（2000—），男，北京人，研究方向：机械工程。

时敬翔（1999—），男，河北唐山人，研究方向：机械工程。