定速重載工況四點(diǎn)接觸球軸承溫升測(cè)試

朱亮，李言，馬小華，姜國(guó)平，趙濤

(1.北方民族大學(xué) 化工學(xué)院，銀川 750021； 2.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048)

四點(diǎn)接觸球軸承作為機(jī)械傳動(dòng)及支承的重要零部件，可以同時(shí)承受軸向和徑向載荷[1-2]，其正朝著重載應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。然而重載工況必然引發(fā)軸承由于內(nèi)部摩擦發(fā)熱而產(chǎn)生溫升及熱載荷，溫升過高可導(dǎo)致“抱軸”、套圈嚴(yán)重磨損以及保持架熔化等故障，使軸承提前失效，對(duì)主機(jī)傳動(dòng)效率和軸承的溫升特性對(duì)機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)十分重要，尤其對(duì)參數(shù)優(yōu)化，方案改進(jìn)，性能改善，提高機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

精確描述軸承內(nèi)部的溫度場(chǎng)比較困難，因?yàn)檩S承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)、外溝道與鋼球的接觸狀態(tài)不同，并且二者之間的潤(rùn)滑油分布狀態(tài)不明確，這將影響到軸承的傳熱效果；鋼球接觸或脫離接觸時(shí)，其傳熱狀態(tài)也不相同，因此軸承傳熱計(jì)算非常復(fù)雜[5]。

文中以QJ304四點(diǎn)接觸球軸承為例，在重載工況下進(jìn)行溫升試驗(yàn)及測(cè)試。

1 試驗(yàn)

溫升試驗(yàn)是檢測(cè)軸承在一個(gè)完整壽命周期內(nèi)的溫升情況。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)接觸應(yīng)力反復(fù)作用在溝道表面，可能導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋，如果繼續(xù)擴(kuò)展，將產(chǎn)生接觸疲勞剝落，軸承溫度將驟升，此時(shí)通過檢測(cè)溫升信號(hào)就可以判斷軸承是否發(fā)生損壞[6]。

通常采用試驗(yàn)機(jī)對(duì)軸承進(jìn)行溫升試驗(yàn)，可以模擬軸承轉(zhuǎn)速、溫度、載荷及潤(rùn)滑等工況條件，根據(jù)需要測(cè)出軸承溫升情況，進(jìn)而獲得較為可靠的軸承疲勞壽命值。

在對(duì)軸承進(jìn)行疲勞壽命理論計(jì)算時(shí)，所采用的載荷和轉(zhuǎn)速均為定值，所以試驗(yàn)時(shí)采用定速定載荷試驗(yàn)，以便在時(shí)域內(nèi)對(duì)軸承壽命的理論值和試驗(yàn)值進(jìn)行比較。

試驗(yàn)機(jī)由計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)采集和保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中當(dāng)軸承溫度超過預(yù)設(shè)值時(shí)，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)報(bào)警停機(jī)。

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為SM10-40軸承試驗(yàn)機(jī)，由試驗(yàn)主機(jī)、測(cè)試、電控及計(jì)算機(jī)部分等組成。該試驗(yàn)機(jī)為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，加載方式為液壓加載，液壓油分別沿軸承徑向及軸向2個(gè)方向單獨(dú)供油，可同時(shí)對(duì)4套球軸承加載。

用DS18B20H數(shù)字溫度傳感器采集信號(hào)，將測(cè)得的非電信號(hào)變換成電信號(hào)，再經(jīng)過低通濾波及信號(hào)放大后變成模擬信號(hào)，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由微機(jī)處理后進(jìn)行屏顯。

試驗(yàn)機(jī)最高轉(zhuǎn)速36 000 r/min，最大徑向載荷40 kN，最大軸向載荷30 kN，可測(cè)內(nèi)徑范圍10～40 mm的球軸承，溫度范圍為常溫～150 ℃，振動(dòng)測(cè)試小于1.1g(g為重力加速度)。

1.2 試驗(yàn)對(duì)象及相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)對(duì)象為QJ304四點(diǎn)接觸球軸承，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，各尺寸公差可由軸承相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算獲得。

表1 QJ304軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)

為了測(cè)試軸承在低速、重載工況下的溫度變化情況，試驗(yàn)時(shí)取當(dāng)量動(dòng)載荷P為基本額定動(dòng)載荷C的72%，則QJ304軸承當(dāng)量動(dòng)載荷P=23.04 kN，此時(shí)軸承不僅承受徑向載荷Fr，而且同時(shí)承受較大的軸向載荷Fa。試驗(yàn)中徑向載荷可以取較小值，軸向載荷則應(yīng)取較大值。本例中Fr取3.2 kN，F(xiàn)a取19.7 kN，在n=300 r/min恒定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行定載試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為25.3 ℃，采用循環(huán)油潤(rùn)滑可有效降低軸承溫升。軸承試驗(yàn)頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—測(cè)溫點(diǎn)；2—3#支承軸承；3—加載軸承測(cè)溫測(cè)振點(diǎn)；4—4#支承軸承；5—1#，2#被測(cè)軸承

測(cè)試過程中，隨時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速、溫度、載荷和油壓等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，以作為軸承溫度場(chǎng)變化的依據(jù)。

為減小QJ304軸承運(yùn)轉(zhuǎn)沖擊，試驗(yàn)中采取逐步提升轉(zhuǎn)速的方式，在990 s時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速由靜止逐漸達(dá)到規(guī)定的300 r/min，直到試驗(yàn)結(jié)束。同時(shí)為了確保試驗(yàn)軸承受力均勻，亦采用逐步加載的方式，由零載荷起經(jīng)過1 260 s 使徑向載荷達(dá)到3.2 kN，軸向載荷達(dá)到19.7 kN，之后保持恒定，直到試驗(yàn)結(jié)束。

2 軸承溫升特性

隨著試驗(yàn)機(jī)開啟運(yùn)行，因摩擦生熱使軸承溫度從室溫開始逐步上升，隨后一段時(shí)間內(nèi)軸承內(nèi)部熱量將達(dá)到平衡，并保持相對(duì)穩(wěn)定，而一旦軸承發(fā)生疲勞損壞時(shí)，摩擦加劇，熱量增多，將出現(xiàn)軸承溫度驟升的情況。

數(shù)據(jù)采集為每秒鐘記錄一次，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成4套軸承的溫度記錄，由于數(shù)據(jù)量大，以小時(shí)為單位對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)采集后，溫升最高的軸承在整個(gè)疲勞壽命周期內(nèi)的溫度變化情況如圖2所示。

圖2 2#軸承溫度隨時(shí)間變化情況

在4套軸承溫升的記錄中，發(fā)現(xiàn)溫升最高的是2#軸承，分析認(rèn)為這與其直接承受試驗(yàn)載荷以及與安裝位置有關(guān)；3#與4#軸承在試驗(yàn)過程中主要起支承作用；所施加的試驗(yàn)載荷包括徑向力和軸向力，主要由1#和2#軸承承擔(dān)，在其他條件都相同時(shí)，軸承溫升更高；而與2#軸承相鄰的1#軸承溫度變化曲線與其類似，只是最高溫度略低2.4 ℃，造成溫差的原因主要與冷卻油噴射的角度與供油壓力有關(guān)。3#與4#軸承溫升情況與1#和2#軸承類似，但是溫升更低，對(duì)軸承疲勞壽命的影響相對(duì)較小,相關(guān)數(shù)據(jù)在此省略。由圖2可以看出，試驗(yàn)至13 h時(shí)，2#軸承溫度從初始的25.3 ℃上升到第一個(gè)峰值50.6 ℃，隨著軸承繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，溫度有所下降，并保持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)，大約48 ℃左右；當(dāng)運(yùn)行到162 h時(shí)，溫度再次上升，達(dá)到49.1 ℃，說明軸承此時(shí)已經(jīng)開始產(chǎn)生疲勞，直至軸承振動(dòng)超過1.1 g后，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停機(jī)，此時(shí)QJ304軸承共運(yùn)轉(zhuǎn)了172 h，停機(jī)時(shí)軸承溫度為52.5 ℃。試驗(yàn)結(jié)果與軸承溫升特性說明相符。而軸承的疲勞壽命試驗(yàn)值162 h與理論值的相對(duì)誤差約為8%，在工程應(yīng)用的范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

溫升監(jiān)測(cè)法對(duì)疲勞失效進(jìn)行監(jiān)測(cè)利用了軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中溫度變化的特性，試驗(yàn)結(jié)果與軸承溫升特性的理論分析結(jié)果比較吻合。