為了保護(hù)全球環(huán)境和抑制全球變暖，尤其是在汽車和機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能技術(shù)發(fā)展多年來已取得了進(jìn)步。據(jù)報(bào)道，用于泵、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等工業(yè)電動(dòng)機(jī)的電能消耗估計(jì)約占日本總消耗的40%；因此，提高工業(yè)電動(dòng)機(jī)的能效至關(guān)重要。滾動(dòng)軸承廣泛用于電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)支承，并采用脂潤(rùn)滑。潤(rùn)滑脂有助于延長(zhǎng)軸承使用壽命；然而，存在一種沖突，即由于軸承運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的潤(rùn)滑脂阻力造成的能量損失(或轉(zhuǎn)矩)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的效率下降。Nitta等指出，滾動(dòng)軸承能量損失的原因大致可分為潤(rùn)滑劑的攪拌阻力、黏滯滾動(dòng)阻力、球與溝道之間的摩擦阻力、球與保持架之間的摩擦阻力。Cousseau等采用滾動(dòng)軸承摩擦力矩模型研究了潤(rùn)滑脂對(duì)推力球軸承的影響。為了降低能量損失，選擇低黏度的基礎(chǔ)油有助于減小黏滯滾動(dòng)阻力。此外，軸承溝道周圍的潤(rùn)滑脂在很大程度上影響潤(rùn)滑脂的攪拌阻力，因此，軸承中潤(rùn)滑脂的流動(dòng)性對(duì)電動(dòng)機(jī)的效率起著至關(guān)重要的作用。

潤(rùn)滑脂的流動(dòng)性可用成溝和攪拌狀態(tài)來說明。在攪拌狀態(tài)下，潤(rùn)滑脂被運(yùn)動(dòng)的零件(如球)剪切，并由于拖曳損失造成軸承轉(zhuǎn)矩高。這種連續(xù)的潤(rùn)滑脂剪切使軸承溫度升高。潤(rùn)滑脂剪切導(dǎo)致潤(rùn)滑脂軟化，造成潤(rùn)滑脂從軸承中泄漏。相比之下，在成溝狀態(tài)下，大部分潤(rùn)滑脂被推離運(yùn)行溝道。由于清除了潤(rùn)滑脂，由潤(rùn)滑脂剪切產(chǎn)生的拖曳損失減少。因此，軸承轉(zhuǎn)矩達(dá)到穩(wěn)定的低值。在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的初始階段，潤(rùn)滑脂以攪拌狀態(tài)潤(rùn)滑，但可快速轉(zhuǎn)變到成溝狀態(tài)，這就有望開發(fā)節(jié)能潤(rùn)滑脂。

為了解潤(rùn)滑脂的流動(dòng)性，需對(duì)軸承中的潤(rùn)滑脂進(jìn)行可視化，然而，對(duì)軸承內(nèi)部進(jìn)行無損觀察的方法有限。Noda等研究了軸承中的潤(rùn)滑脂分布,并通過X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)成像捕捉了攪拌與成溝狀態(tài)之間的瞬態(tài)現(xiàn)象。然而，觀察需要一些特殊材料，如氟樹脂、氟樹脂碳纖維復(fù)合材料以及用于軸承保持架、套圈和球的玻璃，因?yàn)镕e等重元素吸收X射線的能力很強(qiáng)。因此，可以說難以采用X射線觀察鋼制軸承中由輕元素組成的潤(rùn)滑脂。Haruyama等采用帶有熒光顆粒的潤(rùn)滑脂可視化了軸承中的潤(rùn)滑脂分布。在這種情況下，可見光需要透過軸承，因此，必須采用由透明材料制成的外圈，對(duì)潤(rùn)滑脂進(jìn)行激光照射，并觀察潤(rùn)滑脂的熒光。

相比之下，中子成像不需要這種特殊材料進(jìn)行無損觀察。與X射線相比，中子與輕元素(如H和C)之間的相互作用較強(qiáng)，而與重元素(如Fe)之間的相互作用較弱。因此，中子能通過鋼制軸承并識(shí)別軸承中的潤(rùn)滑脂。此外，中子能量低，輻照對(duì)潤(rùn)滑脂的影響可忽略不計(jì)。中子的這些特性適合于無損觀察常規(guī)軸承中的潤(rùn)滑脂行為，并有助于了解潤(rùn)滑脂的流動(dòng)性。本研究的目的是采用中子成像技術(shù)可視化軸承中的潤(rùn)滑脂分布。通過對(duì)具有不同軸承轉(zhuǎn)矩特性(其決定節(jié)能性能)的潤(rùn)滑脂進(jìn)行比較,探討了潤(rùn)滑脂流動(dòng)性的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 潤(rùn)滑脂樣品

本研究中采用了2種鋰基潤(rùn)滑脂A和B，分別選用復(fù)合鋰和單鋰皂作為增稠劑。復(fù)合鋰由12-羥基硬脂酸鋰和壬二酸鋰組成,單鋰皂由硬脂酸鋰組成。這2種潤(rùn)滑脂通常采用黏度等級(jí)為VG32的API Ⅰ類基礎(chǔ)油,其是由石蠟、環(huán)烷和芳烴組成的礦物油。每種潤(rùn)滑脂的成分和部分性能見表1。

表1 樣品潤(rùn)滑脂

1.2 軸承轉(zhuǎn)矩

為了評(píng)估潤(rùn)滑脂的節(jié)能性能,在原軸承摩擦力矩試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了軸承試驗(yàn)。每次測(cè)量均采用新的6204軸承。在將試驗(yàn)潤(rùn)滑脂用于軸承之前,用無鉛汽油清洗軸承,以去除填充的潤(rùn)滑脂。軸承填充2g的試驗(yàn)潤(rùn)滑脂,約相當(dāng)于軸承空間體積的35%。軸承的空間體積定義為可填充潤(rùn)滑脂的***大體積。

填充試驗(yàn)潤(rùn)滑脂的軸承內(nèi)圈安裝著在試驗(yàn)機(jī)主軸上。在對(duì)軸承施加徑向和軸向載荷后,將一根連接到測(cè)力傳感器的線連接到軸承座上,以檢測(cè)軸承轉(zhuǎn)矩。軸承組件被放置在一個(gè)箱體內(nèi),通過空氣對(duì)流來控制溫度。在箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在25℃后,主軸以分步增加的間隔速度旋轉(zhuǎn)(200,500,1000和2000 r/min)。200,500和1000 r/min的測(cè)量時(shí)間為5min,2 000 r/min的測(cè)量時(shí)間為30min。

1.3 中子成像

在中子成像前,填充每種潤(rùn)滑脂樣品的軸承以2 000 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)不同時(shí)間,見表2。在日本質(zhì)子加速器研究中心(J-PARC)材料與生命科學(xué)試驗(yàn)設(shè)施(MLF)中,采用RADEN對(duì)軸承中分布的潤(rùn)滑脂進(jìn)行了中子射線照相和CT測(cè)量。RADEN是一種利用強(qiáng)脈沖中子束進(jìn)行能量分辨和常規(guī)中子成像的儀器。將填充潤(rùn)滑脂的軸承樣品固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上并進(jìn)行中子束輻照。穿透樣品的中子通過厚度為0.10 mm的LiF/ZnS閃爍屏轉(zhuǎn)換為可見光,然后由像素為2 048×2 048的水冷CCD相機(jī)拍攝。在射線照相觀察中,沿軸承軸向輻照中子,視場(chǎng)為80 mm×80 mm,相機(jī)曝光時(shí)間約為30 s,得到的透射圖像空間分辨率約為60 μm。對(duì)于CT觀察,將樣品從0°旋轉(zhuǎn)至360°,每隔0.6°旋轉(zhuǎn)獲得600張透射圖像,采用濾波反投影法重建三維切片圖像。

表2 用于中子成像的軸承的準(zhǔn)備

2 結(jié)果和討論

2.1 軸承轉(zhuǎn)矩

通過軸承轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)確定了潤(rùn)滑脂的節(jié)能性能。填充潤(rùn)滑脂A與B的軸承在不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩對(duì)比如圖1所示。與含鋰皂增稠劑的脂B相比,含復(fù)合鋰基增稠劑的脂A在所有轉(zhuǎn)速下均顯示出更低的軸承轉(zhuǎn)矩。該結(jié)果可能表明在這些試驗(yàn)條件下脂A以成溝狀態(tài)潤(rùn)滑,脂B以攪拌狀態(tài)潤(rùn)滑。為了明確該假設(shè),進(jìn)行了下節(jié)所述的中子成像。

2.2 中子成像

填充2種潤(rùn)滑脂的軸承運(yùn)轉(zhuǎn)后的中子射線照相圖像如圖2所示。由普通相機(jī)拍攝的無潤(rùn)滑脂軸承的照片也顯示在圖2左側(cè)。對(duì)這些圖像進(jìn)行處理,使灰度值隨著中子透射率的降低而變亮,以便于理解與后述CT結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此,淺色表示存在中子透射率低的潤(rùn)滑脂，深色表示存在中子透射率高的金屬零件。在標(biāo)記為0 min的圖中觀察到：在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)前，2種潤(rùn)滑脂***初定位在保持架表面。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)0～60 min，潤(rùn)滑脂分布發(fā)生了變化。關(guān)注運(yùn)轉(zhuǎn)60 min后的潤(rùn)滑脂分布,觀察到潤(rùn)滑脂的不同流動(dòng)性取決于增稠劑類型。在脂B的外圈邊緣觀察到潤(rùn)滑脂(如圖2中的灰色圓圈所示),相比之下,脂A的大部分停留在保持架表面。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)60 min后填充脂B(而不是脂A)的軸承發(fā)生防塵蓋漏油,這與成像結(jié)果對(duì)應(yīng)。

軸承軸向和徑向的中子CT圖像如圖3所示。在運(yùn)轉(zhuǎn)60 min后觀察填充2種潤(rùn)滑脂的軸承,以詳細(xì)研究潤(rùn)滑脂的流動(dòng)性。軸承中間平面的軸向視圖如圖3左側(cè)所示。與射線照相的結(jié)果相似,脂A主要在保持架表面觀察到,在保持架表面的脂B少于脂A。如射線照相圖像所示,潤(rùn)滑脂和/或從脂B泄漏的基礎(chǔ)油在外圈邊緣發(fā)現(xiàn),而不是在保持架表面。粘附在球上的脂B也被觀察到。圖3中部和右側(cè)分別為徑向圖像和放大圖像。粘附在球上的脂A可忽略不計(jì),在球與內(nèi)、外圈之間存在空洞,對(duì)應(yīng)于成溝狀態(tài)。還發(fā)現(xiàn)大部分脂A殘留在保持架表面,如圖2所示。相反,粘附在球上的脂B在徑向圖像上很明顯,這與攪拌狀態(tài)有關(guān)。潤(rùn)滑脂和/或從脂B泄漏的基礎(chǔ)油在軸承防塵蓋內(nèi)被觀察到,這表明從防塵蓋漏油。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)填充脂B的軸承的轉(zhuǎn)矩增大,如圖1所示?？梢赃@樣說,粘附在球上的潤(rùn)滑脂可能會(huì)增大球與保持架之間的黏滯阻力,因?yàn)榉殖龅挠突蚓哂械驮龀韯┖康闹珺填滿了接觸區(qū)附近區(qū)域。

2.3 潤(rùn)滑機(jī)理

圖4根據(jù)本研究的結(jié)果，從成溝和攪拌狀態(tài)的角度說明了脂A和B的潤(rùn)滑機(jī)理。由復(fù)合鋰增稠的脂A以成溝狀態(tài)潤(rùn)滑顯示出較低的軸承轉(zhuǎn)矩。當(dāng)球隨著軸承運(yùn)轉(zhuǎn)穿過脂A時(shí)，大多數(shù)潤(rùn)滑脂停留在保持架表面，幾乎不粘附在球上，如中子CT圖像所示。少量潤(rùn)滑脂被拖曳入接觸區(qū)。因此，球旋轉(zhuǎn)平滑，潤(rùn)滑脂的攪拌阻力較低，降低了軸承轉(zhuǎn)矩。相比之下，由單鋰皂增稠的脂B以攪拌狀態(tài)潤(rùn)滑，增大軸承轉(zhuǎn)矩。中子CT圖像顯示出脂B在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)粘附在球上，導(dǎo)致球滾動(dòng)的拖曳力更高。粘附在球上的潤(rùn)滑脂可能會(huì)增大球與保持架之間的黏滯阻力。粘在球上的潤(rùn)滑脂可通過連續(xù)剪切軟化,這導(dǎo)致油和/或潤(rùn)滑脂從軸承防塵蓋泄漏。分出的油或具有低增稠劑含量的潤(rùn)滑脂更容易粘在球上。中子成像技術(shù)對(duì)闡明軸承中潤(rùn)滑脂行為與潤(rùn)滑脂配方之間的關(guān)系具有重要意義，有助于進(jìn)一步開發(fā)節(jié)能且長(zhǎng)壽命的潤(rùn)滑脂。

圖4 2種潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑圖像

3 結(jié)束語(yǔ)

中子成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了球軸承中潤(rùn)滑脂的流動(dòng)性和分布的可視化。圖像捕捉到了重要的潤(rùn)滑脂行為，如成溝和攪拌狀態(tài)，這對(duì)節(jié)能性能有很大的影響。復(fù)合鋰增稠的潤(rùn)滑脂在軸承內(nèi)以成溝狀態(tài)潤(rùn)滑，粘附在球上的潤(rùn)滑脂***少，通過球平滑旋轉(zhuǎn)顯示較低的軸承轉(zhuǎn)矩。單鋰皂潤(rùn)滑脂在軸承內(nèi)以攪拌狀態(tài)潤(rùn)滑，粘附在球上的潤(rùn)滑脂明顯，通過增加攪拌和黏滯阻力顯示更高的軸承轉(zhuǎn)矩。中子成像技術(shù)為無損地揭示機(jī)械零件中潤(rùn)滑脂的行為提供了可能，這將有助于開發(fā)性能優(yōu)異的潤(rùn)滑脂。