王 進(jìn)，張 博，于賀春，張國(guó)慶，王文博，王漢斌，殷曉龍

(中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院， 鄭州 450007)

作為棉紡織大國(guó)，中國(guó)的棉紡織機(jī)械加工制造行業(yè)正向著高速化、自動(dòng)化、高精化發(fā)展[1-2]。錠子轉(zhuǎn)速及其回轉(zhuǎn)精度將直接影響紡織效率及紡織產(chǎn)品的品質(zhì)[3-4]，這要求錠子高轉(zhuǎn)速情況下依舊能夠保持較高的回轉(zhuǎn)精度。振動(dòng)是影響錠子回轉(zhuǎn)精度的重要因素之一，因此，對(duì)錠子潤(rùn)滑狀態(tài)、表面微觀形貌與其振動(dòng)特性和平穩(wěn)性之間規(guī)律的研究尤為重要。

針對(duì)錠子振動(dòng)特性和平穩(wěn)性，莫帥等[5]利用MATLAB、ANSYS等軟件對(duì)錠子相關(guān)模型進(jìn)行了仿真分析。王益軒[6]將卷繞錠子系統(tǒng)簡(jiǎn)化為具有慢變質(zhì)量的單自由度系統(tǒng)，外激勵(lì)力是簡(jiǎn)諧函數(shù)，其幅度和頻率也緩慢變化，然后根據(jù)振動(dòng)微分方程進(jìn)行了自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)分析，對(duì)錠子系統(tǒng)改進(jìn)具有重要參考意義。于賀春等[7-9]研究分析了特定供氣壓力時(shí)，不同階躍負(fù)載及轉(zhuǎn)速條件下的轉(zhuǎn)子非線性運(yùn)動(dòng)和軸承特性之間的相互影響，得到了系統(tǒng)特定狀態(tài)下瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)下的轉(zhuǎn)子軸心軌跡以及不同方向的位移變化曲線。該團(tuán)隊(duì)還采用雷諾方程分析了轉(zhuǎn)子形狀誤差對(duì)主軸回轉(zhuǎn)精度的影響過(guò)程。相興利等[10]將傳統(tǒng)錐型下軸承改成由徑向滑動(dòng)軸承及軸向推力軸承相結(jié)合的下軸承，并將改進(jìn)前后的錠子振動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)錠子平穩(wěn)性有了較大改善。然而關(guān)于高速錠子在不同表面微觀結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑狀態(tài)下的振動(dòng)特性及平穩(wěn)性的研究尚少。因此，本文以普通及自潤(rùn)滑涂層處理的YD4211FA錠子為研究對(duì)象，在無(wú)錠子油潤(rùn)滑和添加錠子油潤(rùn)滑工況下，利用多功能錠子檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)錠子在0～20 000 r/min的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)，研究在此轉(zhuǎn)速區(qū)間的錠子振型、振幅及軸心軌跡與錠子潤(rùn)滑狀態(tài)、表面涂層及轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。研究結(jié)果可為錠子的設(shè)計(jì)制造及應(yīng)用提供重要的理論和實(shí)踐參考。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品為河南二紡機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的YD4211FA型錠子，材質(zhì)為GCr15軸承鋼。圖1所示為錠子錠尖表面三維微觀形貌圖。由圖1(a)可見(jiàn)，未做涂層處理的錠子表面紋理錯(cuò)亂無(wú)序，呈不規(guī)則溝壑結(jié)構(gòu)，摩擦因數(shù)在0.3～0.4；經(jīng)過(guò)真空納米噴涂、多平行光表面固化等工藝處理的自潤(rùn)滑涂層錠子(圖1(b)涂層主要成分為T(mén)i，C+，單邊厚度為2 μm，硬度為2 600 HV，摩擦因數(shù)在0.06～0.11，涂層外觀呈黑色)，表面形貌整體呈縱向規(guī)律性排布，表面緊致有序并伴隨致密凹凸結(jié)構(gòu)，這是由于多平行光表面固化工藝，使不同區(qū)域涂層受熱不均，固化進(jìn)程不同，形成不同的縱向規(guī)律性排布結(jié)構(gòu)。為減少其他無(wú)關(guān)因素的影響，試驗(yàn)溫度均保持正常室溫(20±2)℃。

圖1 錠子錠尖表面三維微觀形貌圖

錠子振動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)在多功能錠子檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行(如圖2所示)，該試驗(yàn)臺(tái)主要包括交流伺服電機(jī)、帶輪、皮帶、轉(zhuǎn)換器、夾緊裝置、噪音傳感器、NI采集卡、24 V直流電源、支撐架、x向位移傳感器、y向位移傳感器(德國(guó)米依ILD1750-2型傳感器，量程為0～2 mm，精度為1.6 μm)、豎直調(diào)整旋鈕、滑塊、絲杠。

圖2 多功能錠子檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)前，將被測(cè)錠子安裝在檢測(cè)臺(tái)上，通過(guò)傳感器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將激光位移傳感器調(diào)節(jié)到適當(dāng)位置。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集卡控制伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)扭矩傳感器、減振軸和帶輪旋轉(zhuǎn)，帶輪通過(guò)皮帶將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給被測(cè)錠子，皮帶輪張緊力5 kg，被測(cè)錠子轉(zhuǎn)速?gòu)? r/min，以1 000 r/min為數(shù)量級(jí)遞增至20 000 r/min。在電動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡開(kāi)始數(shù)據(jù)采集。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、儲(chǔ)存并導(dǎo)入origin繪圖分析軟件，進(jìn)行軸心軌跡圖、振程曲線圖、振幅瀑布圖的繪制[8]。同樣的過(guò)程，對(duì)有涂層4 mL錠子油潤(rùn)滑、有涂層2 mL錠子油潤(rùn)滑、無(wú)涂層4 mL錠子油潤(rùn)滑、無(wú)涂層2 mL錠子油潤(rùn)滑4組試驗(yàn)對(duì)象，在相同試驗(yàn)條件下，分別進(jìn)行3次重復(fù)性試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為室溫(20±2)℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 軸心軌跡圖

圖3為自潤(rùn)滑涂層處理錠子及普通錠子在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)的典型軸心軌跡圖。圖3(a)中，x、y方向最大位移偏移量分別為0.032、0.019 mm，圖3(b)中，x、y方向最大位移偏移量分別為0.030、0.023 mm。此轉(zhuǎn)速位于一階振幅增長(zhǎng)區(qū)間，軸心軌跡圖帶寬較為寬泛，振型比較混亂。這是因?yàn)榇藭r(shí)錠子原始加工誤差、軸承間隙、配合誤差等因素還未建立動(dòng)態(tài)平衡。錠子錠桿振動(dòng)幅度隨著轉(zhuǎn)速的提升不斷增加。

圖3 3 000 r/min時(shí)，2 mL錠子油潤(rùn)滑軸心軌跡圖

圖4為自潤(rùn)滑涂層處理錠子及普通錠子在轉(zhuǎn)速為15 000 r/min時(shí)的典型軸心軌跡圖。圖4(a)中，x、y方向最大位移偏移量分別為0.024、0.018 mm，圖4(b)中，x、y方向最大位移偏移量分別為0.029、0.017 mm。此時(shí)錠子原始加工誤差、軸承間隙、配合誤差、不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸建立動(dòng)態(tài)平衡。圖4(b)中顯示了典型的錠子軸心軌跡圖的上、下、左、右振幅和X振幅(X振程)、Y振幅(Y振程)。由圖4也可清晰地看出，此時(shí)軸心軌跡圖帶寬較窄且均勻，振型較為規(guī)律。

圖4 15 000 r/min時(shí)，2 mL錠子油潤(rùn)滑軸心軌跡圖

2.2 瀑布圖

圖5是轉(zhuǎn)速為0～20 000 r/min時(shí)，錠子的轉(zhuǎn)速-振幅瀑布圖。

圖5 轉(zhuǎn)速為0～20 000 r/min時(shí)，錠子的轉(zhuǎn)速-振幅瀑布圖

由圖5可見(jiàn)，無(wú)論是自潤(rùn)滑涂層錠子，還是普通錠子，與添加2 mL錠子油潤(rùn)滑相比，添加4 mL錠子油潤(rùn)滑不但沒(méi)有使錠子得到更好的潤(rùn)滑效果，反而使錠子振動(dòng)幅值增加。這是由于錠子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，過(guò)量的錠子油在底座腔內(nèi)形成更加強(qiáng)烈的流體漩渦致使錠桿隨其發(fā)生無(wú)規(guī)律強(qiáng)迫振動(dòng)所致。因此，在添加錠子油時(shí)適量即可，不能以追求潤(rùn)滑效果過(guò)量添加。此外，由圖5可見(jiàn)，在添加2 mL錠子油工況下，自潤(rùn)滑涂層錠子與無(wú)涂層錠子在上下2個(gè)方向的振幅曲線在轉(zhuǎn)速達(dá)到8 000 r/min前，自潤(rùn)滑涂層錠子振幅大于無(wú)涂層錠子振幅。但隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增加至8 000 ～20 000 r/min的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，經(jīng)自潤(rùn)滑處理的錠子均呈現(xiàn)更小的振幅。而在左右2個(gè)方向上，除7 000、9 000、13 000 r/min幾個(gè)轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)外，其余轉(zhuǎn)速區(qū)間均表現(xiàn)為自潤(rùn)滑涂層錠子振幅較小。綜上，自潤(rùn)滑涂層處理后的錠子在高轉(zhuǎn)速區(qū)間具有更優(yōu)異的振動(dòng)特性，且在0～20 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，有涂層錠子振幅曲線更加平滑，波峰、波谷明顯有利于實(shí)際生產(chǎn)中工作轉(zhuǎn)速區(qū)間的選擇。而普通錠子振幅曲線較為曲折，波峰、波谷對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中工作轉(zhuǎn)速區(qū)間的選擇無(wú)顯著影響。

2.3 振程柱狀圖

圖6為錠子在0 ～ 20 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間，x、y方向的轉(zhuǎn)速-振程柱狀圖，除極少數(shù)轉(zhuǎn)速區(qū)間，其他各轉(zhuǎn)速區(qū)間x振幅、y振幅大小與無(wú)涂層對(duì)照組存在明顯差異(p<0.05)。圖6(a)顯示了自潤(rùn)滑涂層處理錠子和普通錠子在0 ～20 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的x方向振程情況，可見(jiàn)錠子x方向的振程，除7 000、9 000、13 000 r/min節(jié)點(diǎn)外，自潤(rùn)滑涂層處理的錠子較之對(duì)照組的普通錠子，具有更小的振程，表現(xiàn)出更優(yōu)異的平穩(wěn)性，且在高轉(zhuǎn)速區(qū)間最為明顯(p<0.05)。由圖6(b)可看出，錠子的y方向振程在0～20 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間存在顯著性差異(p<0.05)，容易看出在0～5 000 r/min對(duì)照組普通錠子振程較小，而在5 000～20 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間，自潤(rùn)滑涂層錠子振程更小，表現(xiàn)出良好的平穩(wěn)性。由上述知，自潤(rùn)滑涂層處理后的錠子與對(duì)照組普通錠子相比，在高轉(zhuǎn)速區(qū)間，x、y方向均表現(xiàn)出良好的平穩(wěn)性。這與自潤(rùn)滑處理錠子表面微觀結(jié)構(gòu)光滑緊致，摩擦因數(shù)及黏連系數(shù)小，一定程度上削弱了流體漩渦現(xiàn)象有關(guān)[注]統(tǒng)計(jì)學(xué)中p值即概率，反應(yīng)某一時(shí)間發(fā)生的可能性的大小。

圖6 轉(zhuǎn)速為0～20 000 r/min時(shí)，錠子的轉(zhuǎn)速-振程柱狀圖

2.4 討論

錠子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，振動(dòng)特性和平穩(wěn)性會(huì)受到轉(zhuǎn)速、表面微觀結(jié)構(gòu)及流體潤(rùn)滑狀態(tài)的影響。因此，需要對(duì)轉(zhuǎn)速、表面涂層微觀結(jié)構(gòu)及流體潤(rùn)滑狀態(tài)與錠子振動(dòng)特性和平穩(wěn)性之間的關(guān)系進(jìn)行評(píng)估。以YD4211FA型高速錠子為研究對(duì)象，利用多功能錠子檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，研究錠尖表面涂層及潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)其振動(dòng)特性的影響規(guī)律。

圖7(a)為錠桿浸泡在錠子油中的部分，可見(jiàn)錠桿具有一定錐度。當(dāng)錠桿高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，錠桿表面的油滴產(chǎn)生離心力，該力可分為垂直于錠桿表面的力b及平行于錠桿表面的力c。力b與錠桿對(duì)油的吸附力相平衡，而力c則使得油滴克服摩檫力、粘滯力及自身重力沿錠桿向上移動(dòng)(圖7(b))，并對(duì)上端約束錠桿旋轉(zhuǎn)的軸承形成油潤(rùn)滑。這與劉曉玲等[11-12]的試驗(yàn)結(jié)果一致。而經(jīng)過(guò)真空納米噴涂處理的自潤(rùn)滑涂層錠子摩擦因數(shù)、黏連系數(shù)均有較大減小。在相同的力c下，油滴更易到達(dá)上端支撐軸承，能有效減小因潤(rùn)滑不充分引起的不規(guī)則振動(dòng)，從而優(yōu)化了錠子振動(dòng)特性，增加了其回轉(zhuǎn)精度。此外，如圖7(c)所示，錠子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于摩擦及表面粘連等因素，錠桿會(huì)對(duì)周圍油膜產(chǎn)生一個(gè)切向力F。進(jìn)而在腔內(nèi)產(chǎn)生流體漩渦造成錠桿的無(wú)規(guī)律強(qiáng)迫振動(dòng)[9-10]。而自潤(rùn)滑涂層處理后的錠子，由于具有更小的摩擦因數(shù)、黏連系數(shù)及更規(guī)整的表面微觀結(jié)構(gòu)排布，能有效削弱因流體漩渦而造成的無(wú)規(guī)律強(qiáng)迫振動(dòng)。最后，自潤(rùn)滑涂層處理的錠子表面微觀結(jié)構(gòu)由不規(guī)則溝壑結(jié)構(gòu)變?yōu)榭v向規(guī)律性排布，此結(jié)構(gòu)有利于增加錠底與墊片間儲(chǔ)油量，加快油膜的形成進(jìn)程(見(jiàn)圖7(a))，極大地減小因摩擦而產(chǎn)生的不規(guī)則振動(dòng)，有效防止高速旋轉(zhuǎn)時(shí)咬合現(xiàn)象的發(fā)生。

圖7 錠尖局部示意圖

在潤(rùn)滑狀態(tài)方面，由圖5可知，在其他實(shí)驗(yàn)條件保持一致情況下，采用2 mL錠子油潤(rùn)滑的錠子具有更小的振幅及更優(yōu)異的穩(wěn)定性。這是由于過(guò)量的錠子油潤(rùn)滑不僅不能起到充分的潤(rùn)滑作用，反而會(huì)在錠子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向力F(圖7(b)(c))作用下產(chǎn)生流體漩渦，進(jìn)而引起錠子無(wú)規(guī)律強(qiáng)迫振動(dòng)。有研究表明，對(duì)錠子油可少加注或采用固體凝脂類潤(rùn)滑劑，以降低此影響。

在轉(zhuǎn)速方面，隨著轉(zhuǎn)速的提升，各個(gè)錠子振幅整體呈現(xiàn)波動(dòng)上升態(tài)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)期間，由于工況的不同會(huì)在不同轉(zhuǎn)速區(qū)間達(dá)到暫時(shí)的一階及二階的振動(dòng)平衡狀態(tài)。此時(shí)各不平衡量，錠子原始加工誤差、軸承間隙、配合誤差、不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等建立短暫的動(dòng)態(tài)平衡，振型穩(wěn)定，振幅相對(duì)較小。

3 結(jié)論

1) 自潤(rùn)滑涂層處理過(guò)的錠子，相較于普通錠子，摩擦因數(shù)和黏連系數(shù)減小，表面微觀結(jié)構(gòu)由不規(guī)則溝壑結(jié)構(gòu)變?yōu)榭v向規(guī)律性排布，振動(dòng)特性有較大提升。

2) 在其他實(shí)驗(yàn)條件保持一致情況下，采用 2 mL錠子油潤(rùn)滑的錠子比4 mL的具有更小的振幅及更優(yōu)異的穩(wěn)定性。

3) 隨著轉(zhuǎn)速的提升，各錠子振幅整體呈現(xiàn)波動(dòng)上升態(tài)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)期間，由于工況不同，會(huì)在不同轉(zhuǎn)速區(qū)間達(dá)到暫時(shí)的一階及二階的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。此時(shí)各不平衡量之間建立短暫平衡，振型穩(wěn)定，振幅相對(duì)較小。