为了保护全球环境和抑制全球变暖，尤其是在汽车和机械工业领域的节能技术发展多年来已取得了进步。据报道，用于泵、压缩机、鼓风机等工业电动机的电能消耗估计约占日本总消耗的40%；因此，提高工业电动机的能效至关重要。滚动轴承广泛用于电动机轴旋转支承，并采用脂润滑。润滑脂有助于延长轴承使用寿命；然而，存在一种冲突，即由于轴承运转产生的润滑脂阻力造成的能量损失(或转矩)导致电动机的效率下降。Nitta等指出，滚动轴承能量损失的原因大致可分为润滑剂的搅拌阻力、黏滞滚动阻力、球与沟道之间的摩擦阻力、球与保持架之间的摩擦阻力。Cousseau等采用滚动轴承摩擦力矩模型研究了润滑脂对推力球轴承的影响。为了降低能量损失，选择低黏度的基础油有助于减小黏滞滚动阻力。此外，轴承沟道周围的润滑脂在很大程度上影响润滑脂的搅拌阻力，因此，轴承中润滑脂的流动性对电动机的效率起着至关重要的作用。

润滑脂的流动性可用成沟和搅拌状态来说明。在搅拌状态下，润滑脂被运动的零件(如球)剪切，并由于拖曳损失造成轴承转矩高。这种连续的润滑脂剪切使轴承温度升高。润滑脂剪切导致润滑脂软化，造成润滑脂从轴承中泄漏。相比之下，在成沟状态下，大部分润滑脂被推离运行沟道。由于清除了润滑脂，由润滑脂剪切产生的拖曳损失减少。因此，轴承转矩达到稳定的低值。在轴承运转的初始阶段，润滑脂以搅拌状态润滑，但可快速转变到成沟状态，这就有望开发节能润滑脂。

为了解润滑脂的流动性，需对轴承中的润滑脂进行可视化，然而，对轴承内部进行无损观察的方法有限。Noda等研究了轴承中的润滑脂分布,并通过X射线计算机断层扫描(CT)成像捕捉了搅拌与成沟状态之间的瞬态现象。然而，观察需要一些特殊材料，如氟树脂、氟树脂碳纤维复合材料以及用于轴承保持架、套圈和球的玻璃，因为Fe等重元素吸收X射线的能力很强。因此，可以说难以采用X射线观察钢制轴承中由轻元素组成的润滑脂。Haruyama等采用带有荧光颗粒的润滑脂可视化了轴承中的润滑脂分布。在这种情况下，可见光需要透过轴承，因此，必须采用由透明材料制成的外圈，对润滑脂进行激光照射，并观察润滑脂的荧光。

相比之下，中子成像不需要这种特殊材料进行无损观察。与X射线相比，中子与轻元素(如H和C)之间的相互作用较强，而与重元素(如Fe)之间的相互作用较弱。因此，中子能通过钢制轴承并识别轴承中的润滑脂。此外，中子能量低，辐照对润滑脂的影响可忽略不计。中子的这些特性适合于无损观察常规轴承中的润滑脂行为，并有助于了解润滑脂的流动性。本研究的目的是采用中子成像技术可视化轴承中的润滑脂分布。通过对具有不同轴承转矩特性(其决定节能性能)的润滑脂进行比较,探讨了润滑脂流动性的影响。

1 试验方法

1.1 润滑脂样品

本研究中采用了2种锂基润滑脂A和B，分别选用复合锂和单锂皂作为增稠剂。复合锂由12-羟基硬脂酸锂和壬二酸锂组成,单锂皂由硬脂酸锂组成。这2种润滑脂通常采用黏度等级为VG32的API Ⅰ类基础油,其是由石蜡、环烷和芳烃组成的矿物油。每种润滑脂的成分和部分性能见表1。

表1 样品润滑脂

1.2 轴承转矩

为了评估润滑脂的节能性能,在原轴承摩擦力矩试验机上进行了轴承试验。每次测量均采用新的6204轴承。在将试验润滑脂用于轴承之前,用无铅汽油清洗轴承,以去除填充的润滑脂。轴承填充2g的试验润滑脂,约相当于轴承空间体积的35%。轴承的空间体积定义为可填充润滑脂的***大体积。

填充试验润滑脂的轴承内圈安装着在试验机主轴上。在对轴承施加径向和轴向载荷后,将一根连接到测力传感器的线连接到轴承座上,以检测轴承转矩。轴承组件被放置在一个箱体内,通过空气对流来控制温度。在箱内温度稳定在25℃后,主轴以分步增加的间隔速度旋转(200,500,1000和2000 r/min)。200,500和1000 r/min的测量时间为5min,2 000 r/min的测量时间为30min。

1.3 中子成像

在中子成像前,填充每种润滑脂样品的轴承以2 000 r/min运转不同时间,见表2。在日本质子加速器研究中心(J-PARC)材料与生命科学试验设施(MLF)中,采用RADEN对轴承中分布的润滑脂进行了中子射线照相和CT测量。RADEN是一种利用强脉冲中子束进行能量分辨和常规中子成像的仪器。将填充润滑脂的轴承样品固定在旋转台上并进行中子束辐照。穿透样品的中子通过厚度为0.10 mm的LiF/ZnS闪烁屏转换为可见光,然后由像素为2 048×2 048的水冷CCD相机拍摄。在射线照相观察中,沿轴承轴向辐照中子,视场为80 mm×80 mm,相机曝光时间约为30 s,得到的透射图像空间分辨率约为60 μm。对于CT观察,将样品从0°旋转至360°,每隔0.6°旋转获得600张透射图像,采用滤波反投影法重建三维切片图像。

表2 用于中子成像的轴承的准备

2 结果和讨论

2.1 轴承转矩

通过轴承转矩试验确定了润滑脂的节能性能。填充润滑脂A与B的轴承在不同转速下的转矩对比如图1所示。与含锂皂增稠剂的脂B相比,含复合锂基增稠剂的脂A在所有转速下均显示出更低的轴承转矩。该结果可能表明在这些试验条件下脂A以成沟状态润滑,脂B以搅拌状态润滑。为了明确该假设,进行了下节所述的中子成像。

2.2 中子成像

填充2种润滑脂的轴承运转后的中子射线照相图像如图2所示。由普通相机拍摄的无润滑脂轴承的照片也显示在图2左侧。对这些图像进行处理,使灰度值随着中子透射率的降低而变亮,以便于理解与后述CT结果的对应关系。因此,浅色表示存在中子透射率低的润滑脂，深色表示存在中子透射率高的金属零件。在标记为0 min的图中观察到：在轴承运转前，2种润滑脂***初定位在保持架表面。轴承运转0～60 min，润滑脂分布发生了变化。关注运转60 min后的润滑脂分布,观察到润滑脂的不同流动性取决于增稠剂类型。在脂B的外圈边缘观察到润滑脂(如图2中的灰色圆圈所示),相比之下,脂A的大部分停留在保持架表面。轴承运转60 min后填充脂B(而不是脂A)的轴承发生防尘盖漏油,这与成像结果对应。

轴承轴向和径向的中子CT图像如图3所示。在运转60 min后观察填充2种润滑脂的轴承,以详细研究润滑脂的流动性。轴承中间平面的轴向视图如图3左侧所示。与射线照相的结果相似,脂A主要在保持架表面观察到,在保持架表面的脂B少于脂A。如射线照相图像所示,润滑脂和/或从脂B泄漏的基础油在外圈边缘发现,而不是在保持架表面。粘附在球上的脂B也被观察到。图3中部和右侧分别为径向图像和放大图像。粘附在球上的脂A可忽略不计,在球与内、外圈之间存在空洞,对应于成沟状态。还发现大部分脂A残留在保持架表面,如图2所示。相反,粘附在球上的脂B在径向图像上很明显,这与搅拌状态有关。润滑脂和/或从脂B泄漏的基础油在轴承防尘盖内被观察到,这表明从防尘盖漏油。试验结束时填充脂B的轴承的转矩增大,如图1所示。可以这样说,粘附在球上的润滑脂可能会增大球与保持架之间的黏滞阻力,因为分出的油或具有低增稠剂含量的脂B填满了接触区附近区域。

2.3 润滑机理

图4根据本研究的结果，从成沟和搅拌状态的角度说明了脂A和B的润滑机理。由复合锂增稠的脂A以成沟状态润滑显示出较低的轴承转矩。当球随着轴承运转穿过脂A时，大多数润滑脂停留在保持架表面，几乎不粘附在球上，如中子CT图像所示。少量润滑脂被拖曳入接触区。因此，球旋转平滑，润滑脂的搅拌阻力较低，降低了轴承转矩。相比之下，由单锂皂增稠的脂B以搅拌状态润滑，增大轴承转矩。中子CT图像显示出脂B在轴承运转时粘附在球上，导致球滚动的拖曳力更高。粘附在球上的润滑脂可能会增大球与保持架之间的黏滞阻力。粘在球上的润滑脂可通过连续剪切软化,这导致油和/或润滑脂从轴承防尘盖泄漏。分出的油或具有低增稠剂含量的润滑脂更容易粘在球上。中子成像技术对阐明轴承中润滑脂行为与润滑脂配方之间的关系具有重要意义，有助于进一步开发节能且长寿命的润滑脂。

图4 2种润滑脂的润滑图像

3 结束语

中子成像技术实现了球轴承中润滑脂的流动性和分布的可视化。图像捕捉到了重要的润滑脂行为，如成沟和搅拌状态，这对节能性能有很大的影响。复合锂增稠的润滑脂在轴承内以成沟状态润滑，粘附在球上的润滑脂***少，通过球平滑旋转显示较低的轴承转矩。单锂皂润滑脂在轴承内以搅拌状态润滑，粘附在球上的润滑脂明显，通过增加搅拌和黏滞阻力显示更高的轴承转矩。中子成像技术为无损地揭示机械零件中润滑脂的行为提供了可能，这将有助于开发性能优异的润滑脂。