油膜軸承潤滑油溫度特性實驗研究

王 淼，王建梅，蔡 敏

(太原科技大學機械工程學院，太原 030024)

隨著科學技術的不斷發(fā)展，油膜軸承設備的使用工況日益苛刻，油膜軸承油作為油膜軸承安全運轉(zhuǎn)的血液，其潤滑性能將直接影響機械的正常運轉(zhuǎn)和使用壽命[1]，因此對油膜軸承潤滑油提出了更高要求。設備潤滑過程中，潤滑油溫升主要由功耗變熱引起，以對流和傳熱方式不能完全把功耗產(chǎn)生的熱量帶走，將使得潤滑油溫度升高，從而降低潤滑油的粘度。油膜軸承油粘度的降低會造成軸承承載能力下降，油膜厚度變薄，容易導致兩摩擦副之間的摩擦磨損或者更嚴重的事故[2]。因此，潤滑油的運行性能是決定設備使用性能的關鍵[3]。

近年來，周朝勤[4]對460號油膜軸承油的應用進行了研究；馬宏等[5]人對100號油膜軸承油在不銹鋼線材軋機上的應用進行了研究。本文基于大型油膜軸承試驗臺，對三種潤滑油進行了運行測試，通過實時監(jiān)測油膜軸承不同區(qū)域的熱電偶的溫度，以反映不同潤滑油在在同一工況下的溫度特性，為油膜軸承潤滑油的選用提供參考價值。

1 實驗方法

1.1 實驗設備

圖1所示為大型油膜軸承試驗臺，主要由機械系統(tǒng)、動壓潤滑系統(tǒng)、靜壓潤滑系統(tǒng)、增速器稀油潤滑系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。通過直流電機和液壓加載系統(tǒng)來完成軋輥轉(zhuǎn)速和軸承載荷的調(diào)控，以實現(xiàn)不同工況下油膜特性參數(shù)的動態(tài)測量。試驗軸承采用線性度好、靈敏度高、穩(wěn)定性和均勻性好的T型熱電偶測量油膜溫度，將采集的模擬信號經(jīng)過PLC轉(zhuǎn)化后存入計算機數(shù)據(jù)庫，便于數(shù)據(jù)處理分析。

圖1 大型油膜軸承試驗臺Fig.1 The large-scale test platform of oil-film bearing

1.2 實驗原理

在試驗軸承承載區(qū)和非承載區(qū)安裝T型熱電偶，實時采集不同潤滑油實驗過程中軸承表面的油膜溫度，獲得油膜溫度隨時間變化曲線。通過分析軸承不同部位溫度隨時間的變化關系，判斷軸承各部位油膜厚度，進而分析出潤滑性能。最后，將實驗數(shù)據(jù)進行整理，分析不同潤滑油性能的差異。

試驗軸承T型熱電偶分布如圖2和圖3.

圖2 承載區(qū)熱電偶分布Fig.2 The distribution of thermocouples in theload-carrying area

圖3 非承載區(qū)熱電偶分布Fig.3 The distribution of thermocouples in thenon load-carrying field

1.3 實驗油品

基于大型油膜軸承試驗臺對油膜軸承潤滑油進行實驗性能檢測，實驗過程中采用了三種潤滑油，分別是潤滑油460A、潤滑油220A和潤滑油220B.

2 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)實驗過程中所采集的相關數(shù)據(jù)，對460A與220A、220A與220B進行比較分析，得到了不同油品使用性能的差異。

根據(jù)軸承結(jié)構特性，為了準確、簡潔地表示和對比出不同油品的性能差異，本文選取了油膜軸承內(nèi)具有代表性位置的承載區(qū)溫度數(shù)據(jù)進行處理[6]，并且將軸承中幾個特殊部位的熱電偶測得的溫度數(shù)據(jù)單獨取出進行對比。

處理時，將承載區(qū)每組數(shù)據(jù)分為軸向和周向兩部分。軸承內(nèi)承載區(qū)熱電偶的分布如圖2所示，熱電偶1～12所在方向為周向，熱電偶13、6、14、15所在方向為軸向。

2.1 460A與220A對比分析

選取對應工況相同時間段的數(shù)據(jù)對460A與220A進行對比；當對比承載區(qū)周向與軸向溫度時，將運行時間平均分成六段，每點取該時間段內(nèi)的平均值，畫出熱電偶溫度隨時間變化圖。

注：p表示period，例如1st-p表示1st-period圖4 300 r/min-6 MPa工況下460A與220A承載區(qū)周向油膜溫度對比Fig.4 Circumferential oil-film temperature contrast of 460A and 220A at 300 r/min-6 MPa

圖4為300 r/min-6 MPa工況下460A與220A潤滑油膜軸承時承載區(qū)周向溫度對比。從圖中可知，最高溫度都是出現(xiàn)在同一個位置，同一時刻周向油膜溫度的分布趨勢相同，隨著軋輥運行時間的增加，兩種潤滑油工作時油膜溫度經(jīng)歷了從逐步升高到漸漸平穩(wěn)的過程。但是460A最高溫度與最低溫度之差要大，對于同一熱電偶，460A大約升高6.5 ℃，比220A高1.5 ℃.

圖5為300 r/min-6 MPa工況下460A與220A潤滑油膜軸承時承載區(qū)軸向溫度對比，可知兩種潤滑油工作時軸向油膜溫度分布趨勢相同，都呈凹形“拋物線”型，但是與理論計算結(jié)果[7](凸形“拋物線”型)相反，主要是因為試驗臺軸承采用端泄回油，通過潤滑油帶走的熱量匯聚于軸承兩端使其溫度較高。460A最高溫度與最低溫度之差要大，對于同一熱電偶，460A升高約5 ℃，比220A高約1 ℃.

注：p表示period，例如1st-p表示1st-period圖5 300 r/min-6 MPa工況下460A與220A承載區(qū)軸向油膜溫度對比Fig.5 Axial oil-film temperature contrast of 460A and 220A at 300 r/min-6 MPa

綜合圖4-5可知，相同工況下，兩種潤滑油460A和220A工作時承載區(qū)各溫度分布的趨勢基本相同，但220A的溫度變化比460A更緩慢平穩(wěn)。主要是由于高粘度潤滑油運動時分子之間的摩擦變大，流動過程中阻力所產(chǎn)生的熱量增加，使得油膜溫度升高。雖然潤滑油粘度隨著油膜溫度的升高而降低[8]，但其流動性能依然比220A差，產(chǎn)生的熱量不易被潤滑油帶走，溫升梯度大，所以220A的油膜溫度較先達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 300 r/min-6 MPa工況下460A與220A特殊部位油膜溫度對比Fig.6 Oil-film temperature contrast of 460A and 220Aof special locations at 300 r/min-6 MPa

圖6為相同時間內(nèi)460A與220A中特殊熱電偶的溫度隨時間的變化曲線。其中T3位于承載區(qū)接近入油口處，T6位于承載區(qū)周向與軸向的交點處，T8靠近承載區(qū)中心，T21位于非承載區(qū)靠近入油口位置。

圖6表明不同油品運行時T3、T6、T8、T21溫度均隨時間變化而不斷增長。460A中四個熱電偶的起始溫度均高于220A，相同時間內(nèi)的溫升也全部高于220A.從圖中曲線趨勢可知，220A的溫度將會先于460A達到穩(wěn)定狀態(tài)，實現(xiàn)熱平衡。主要由于220A的粘度較低，其內(nèi)摩擦小于460A，軸承運轉(zhuǎn)時受到的阻力較小，產(chǎn)生的熱量較少，并且其流動性比460A好，更容易將熱量帶走，使?jié)櫥蜏囟壬仙俣冉档汀?60A雖然粘度大，形成的油膜厚度較大，可以更有效地避免兩摩擦副的直接接觸，但其內(nèi)摩擦較大，由摩擦產(chǎn)生的熱量較多，且流動性較差，不易將熱量及時帶走，所以溫升梯度大。

以上兩種潤滑油溫度特性雖然存在差異，但運行情況都比較穩(wěn)定，能滿足設備正常的潤滑需求。

2.2 220A與220B對比分析

選取對應工況相同時間段的數(shù)據(jù)對220A與220B進行對比；當對比承載區(qū)周向與軸向溫度時，將運行時間平均分成八段，每點取該時間段內(nèi)的平均值，畫出熱電偶溫度隨時間變化圖。

注：p表示period，例如1st-p表示1st-period圖7 300 r/min-6 MPa工況下220A與220B承載區(qū)周向油膜溫度對比Fig.7 Circumferential oil-film temperature contrast of 220A and 220B of load-carrying area at 300 r/min-6 MPa

圖7為300 r/min-6 MPa工況下220A與220B潤滑油膜軸承時承載區(qū)周向溫度對比。從圖可知，最高溫度出現(xiàn)在同一位置，同一時刻周向油膜溫度分布趨勢相同，隨著軋輥運行時間增加，兩種潤滑油工作時油膜溫度經(jīng)歷了從逐步升高到漸漸平穩(wěn)的過程。但是220A最高溫度與最低溫度之差要小，對于同一熱電偶，220A大約升高12 ℃，比220B低8 ℃.

注：p表示period，例如1st-p表示1st-period圖8 300 r/min-6 MPa工況下220A與220B承載區(qū)軸向油膜溫度對比Fig.8 Axial oil-film temperature contrast of 220Aand 220B of load-carrying area at 300 r/min-6 MPa

圖8為300 r/min-6 MPa工況下220A與220B潤滑油膜軸承時承載區(qū)軸向溫度對比。由圖可知，兩種潤滑油工作時軸向油膜溫度分布趨勢相同，都呈凹形“拋物線”型，與理論計算結(jié)果[7](凸形“拋物線”型)相反，可能是因為試驗臺軸承采用端泄回油，通過潤滑油帶走的熱量匯聚于軸承兩端使其溫度較高。220A最高溫度與最低溫度之差要小，對于同一熱電偶，220A升高約10 ℃，比220B低約7 ℃.

綜合圖7-8可知，相同工況下，兩種潤滑油220A和220B工作時承載區(qū)各溫度分布的趨勢基本相同，但220A的溫度變化比220B更緩慢平穩(wěn)。主要是由于220A與220B理論粘度相同，但實際運行樣品中所測粘度220A始終稍大于220B，表明220B的流動性比220A好一些，但是粘度偏低，容易造成兩摩擦副的直接接觸，導致摩擦增加的熱量大，不易被潤滑油流動帶走，所以溫升梯度較大，且達到熱平衡所需的時間較長[2]。

圖9為相同時間內(nèi)220A與220B中特殊熱電偶的溫度隨時間的變化。由圖可知，220A與220B中溫度均隨時間變化而不斷增長。220A中四個熱電偶的起始溫度均高于220B，但相同時間內(nèi)的溫升小于220B.兩種潤滑油的最終溫度很接近，從兩條溫度曲線的趨勢看，220A將會先于220B達到穩(wěn)定狀態(tài)，實現(xiàn)熱平衡。原因在于220B粘度隨時間變化始終稍低于220A，220B在軸承運轉(zhuǎn)過程中形成的油膜厚度相比來說要小一些，有可能造成兩摩擦副的直接接觸，使摩擦產(chǎn)生的熱量增加，并且摩擦增加的熱量不易被潤滑油流動帶走，溫度升高較快且達到熱平衡所需的時間較長。

圖9 300 r/min-6 MPa工況下220A與220B特殊部位油膜溫度對比Fig.9 Oil-film temperature contrast of 220A and 220Bof special locations at 300 r/min-6 MPa

以上兩種潤滑油溫度特性雖然稍有差異，但運行情況都比較穩(wěn)定，均能滿足設備正常的潤滑需求。

3 結(jié)論

(1)通過大型油膜軸承試驗臺采集的實驗數(shù)據(jù)，分析了460A與220A、220A和220B的溫度特性。其中，460A和220A工作時各溫度分布的趨勢基本相同，但220A的溫度變化比460A更緩慢平穩(wěn)；220A和220B工作時各溫度分布的趨勢基本相同，但220A的溫度變化比220B更緩慢平穩(wěn)。為油膜軸承潤滑油的選取提供了數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

(2)提出了一種基于相同工況下不同潤滑油的油溫數(shù)據(jù)，對比分析不同潤滑油在承載區(qū)軸向和周向的溫度特性，分析潤滑油性能的臺架實驗方法。

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