Page 89 - 摩擦学学报2025年第10期

1486 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

0.25 s = 0.2 mm 所以式(1)中的润滑剂黏度可视为常压下的表观黏度.
s = 0.4 mm
s = 0.6 mm 从图2、图4~图6中可以看出，在每次试验的初始阶段，
0.20 s = 0.8 mm
s = 1.0 mm 润滑脂本体脂在较短的时间内发生剪切降解，导致表
0.15 观黏度迅速衰减至恒定值. 因此，对于剪切稳定后的
F/N 滚动体-保持架兜孔内润滑脂膜所承受的剪切应力，
0.10
主要取决于剪应变率的大小.
0.05
3.1 速度对摩擦力的影响机理
0.00 如上所述，滚动体与保持架兜孔间为纯滑动. 当
0 2 4 6 8 10 12
T/min 滚动体运动时，滚动体与保持架间隙的脂润滑膜所承

Fig. 6 Variations of friction with time 受的剪应变率来源于2种流动形式：剪切流动和压力
under different clearances 流动. 其中，剪切流动是剪应变率产生的主要因素. 理
图 6 不同间隙下摩擦力随时间变化曲线
论上，当滚动体表面与保持架兜孔表面之间各处为等
同间隙的摩擦力变化明显，当间隙较小时，油膜厚度 间隙时，润滑脂膜所承受的剪应变率只由剪切流动引
起. 但在保持架设计过程中，其内表面曲率半径略大
低，摩擦系数大，剪切摩擦相应较大. 随着间隙逐渐增
大，润滑油膜厚度变高，摩擦系数减小，剪切摩擦随之 于滚动体半径，且滚动体与保持架兜孔表面间存在一
变小. 间隙为0.6 mm时，摩擦力稳定在0.050 N左右； 定的间隙，则在滚动体与保持架兜孔表面产生楔形间
隙，由此产生的动压效应和压力流动将引起润滑脂膜
当间隙增大至0.8 mm时，摩擦力在稳态时降至0.003 N
内速度的非线性分布，进而对剪应变率产生影响. 但因
左右；间隙为1.0 mm时，摩擦力几乎为零，此时表明钢
滚动体与保持架接触时设定间隙较大且几乎未施加载
球与保持架兜孔之间处于非接触状态，因此滑动摩擦
力与球-架间隙负相关. 从试验结果可知，保持架与滚 荷，由动压效应产生的剪应变率较小，因而剪应变率主
动体间隙越大摩擦力越小，但是在实际轴承中一般是 要由剪切流动引起. 因此，剪应变率将随着速度增大而
增大，又因在给定速度下润滑脂膜内的表观黏度几乎
滚动体推动保持架转动，其间隙并不可控，由此可通
为定值，则剪切应力和摩擦力将随着速度的增大而增
过设计保持架结构，使滚动体和保持架之间保持一定
大，呈现出如图2所示的结果. 在图2中，高速时剪切初
范围间隙来减小摩擦力.
期应力出现短暂波动，这是因为滚动体高速旋转时，
3 机理分析 所产生的气流在间隙内产生低压区，如图7所示，导致
堆积在保持架上端面的润滑脂被低压气流重新卷吸
脂润滑区别于油润滑特性之一为润滑脂呈现非
到间隙内剪切，润滑剂回填致使表观黏度重新变化.
牛顿特性，即润滑脂的剪切应力既随剪切强度变化，
也随剪切时间变化. 由于滚动体与保持架之间为滑动 Low pressure area
摩擦，其间隙内的润滑脂膜承受剪切作用，其剪切应
力如(1)式所示，则对于给定尺寸的保持架，可由(2)式 Suction due to pressure
P 1 <P a
计算其摩擦力的大小. Ball P 2 =P a
∂u Cage Ball Cage
τ = η· ˙γ = η· (1)
∂h
"
F = τdA (2)
Fig. 7 Low pressure airflow induces grease movement
A
(P 1 ：air pressure in clearance；P 2 ：air pressure above cage；
˙ γ
式中： τ代表剪切应力， η代表润滑脂的黏度， 代表剪 P a ：atmospheric pressure)
∂u
应变率，而 代表流动速度沿流体厚度方向的变化 图 7 低压气流诱导润滑脂位移(P 1 ：间隙内气压；
∂h P 2 ：保持架上端气压；P a ：大气压)
率. 式(2)中τ代表单位面积下的剪切应力，F代表总摩
擦副面积下的摩擦力，摩擦副面积A越大F越大. 3.2 保持架位置对摩擦力的影响机理
因滚动体-保持架兜孔接触为低副接触且存在较 由于滚动体高度不变，上调保持架兜孔高度会形
大间隙，其接触压力较低而不足以引起黏度的变化， 成1种上大下小的楔形收敛间隙，如图8所示. 滚动体