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

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

為了解潤滑脂的流動性，需對軸承中的潤滑脂進行可視化，然而，對軸承內(nèi)部進行無損觀察的方法有限。Noda等研究了軸承中的潤滑脂分布,并通過X射線計算機斷層掃描(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，因為Fe等重元素吸收X射線的能力很強。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滑脂。Haruyama等采用帶有熒光顆粒的潤滑脂可視化了軸承中的潤滑脂分布。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，對潤滑脂進行激光照射，并觀察潤滑脂的熒光。

相比之下，中子成像不需要這種特殊材料進行無損觀察。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，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別軸承中的潤滑脂。此外，中子能量低，輻照對潤滑脂的影響可忽略不計。中子的這些特性適合于無損觀察常規(guī)軸承中的潤滑脂行為，并有助于了解潤滑脂的流動性。本研究的目的是采用中子成像技術(shù)可視化軸承中的潤滑脂分布。通過對具有不同軸承轉(zhuǎn)矩特性(其決定節(jié)能性能)的潤滑脂進行比較,探討了潤滑脂流動性的影響。

1 試驗方法

1.1 潤滑脂樣品

本研究中采用了2種鋰基潤滑脂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種潤滑脂通常采用黏度等級為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。每種潤滑脂的成分和部分性能見表1。

1.2 軸承轉(zhuǎn)矩

為了評估潤滑脂的節(jié)能性能,在原軸承摩擦力矩試驗機上進行了軸承試驗。每次測量均采用新的6204軸承。在將試驗潤滑脂用于軸承之前,用無鉛汽油清洗軸承,以去除填充的潤滑脂。軸承填充2 g的試驗潤滑脂,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滑脂的***大體積。

填充試驗潤滑脂的軸承內(nèi)圈安裝著在試驗機主軸上。在對軸承施加徑向和軸向載荷后,將一根連接到測力傳感器的線連接到軸承座上,以檢測軸承轉(zhuǎn)矩。軸承組件被放置在一個箱體內(nèi),通過空氣對流來控制溫度。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)(200,500,1 000和2 000 r/min)。200,500和1 000 r/min的測量時間為5 min,2 000 r/min的測量時間為30 min。

1.3 中子成像

在中子成像前,填充每種潤滑脂樣品的軸承以2 000 r/min運轉(zhuǎn)不同時間,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)試驗設(shè)施(MLF)中,采用RADEN對軸承中分布的潤滑脂進行了中子射線照相和CT測量。RADEN是一種利用強脈沖中子束進行能量分辨和常規(guī)中子成像的儀器。將填充潤滑脂的軸承樣品固定在旋轉(zhuǎn)臺上并進行中子束輻照。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相機拍攝。在射線照相觀察中,沿軸承軸向輻照中子,視場為80 mm×80 mm,相機曝光時間約為30 s,得到的透射圖像空間分辨率約為60 μm。對于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。

2 結(jié)果和討論

2.1 軸承轉(zhuǎn)矩

通過軸承轉(zhuǎn)矩試驗確定了潤滑脂的節(jié)能性能。填充潤滑脂A與B的軸承在不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩對比如圖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條件下脂A以成溝狀態(tài)潤滑,脂B以攪拌狀態(tài)潤滑。為了明確該假設(shè),進行了下節(jié)所述的中子成像。