滾動(dòng)軸承與潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用研究

徐國(guó)耀 徐晉

摘 要：滾動(dòng)軸承與潤(rùn)滑脂廣泛應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域，是機(jī)械設(shè)備的重要組成部分。本文對(duì)滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)和潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了介紹，指出兩類試驗(yàn)機(jī)具有相似的原理；同時(shí)在潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)上對(duì)某型號(hào)的潤(rùn)滑脂進(jìn)行了壽命試驗(yàn)，定量描述了軸承運(yùn)行溫度對(duì)潤(rùn)滑脂壽命的影響。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；潤(rùn)滑脂；壽命試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TH871.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）22-171-3

1 概述

滾動(dòng)軸承普遍應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備，幾乎有旋轉(zhuǎn)的地方就配有軸承。隨著各行業(yè)對(duì)軸承的要求愈來(lái)愈高，研發(fā)高性能、長(zhǎng)壽命軸承是今后的主要方向。近年來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的穩(wěn)步提升，使得軸承傳統(tǒng)“四大件”對(duì)軸承性能的影響降到了最低，這也令潤(rùn)滑脂在軸承中的地位變得愈來(lái)愈重要。從潤(rùn)滑脂被稱之為“軸承第五大件”[1-2]，即可知道潤(rùn)滑脂在軸承中具有舉足輕重的地位。此外，伴隨技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域?qū)L動(dòng)軸承的性能要求逐漸增強(qiáng)，滾動(dòng)軸承的多種特性開(kāi)始顯現(xiàn)并得到研究。在滾動(dòng)軸承的多種特性中，研究最多的便是軸承疲勞壽命，并已自主研發(fā)了多款滾動(dòng)軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)，還建立了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

然而，軸承離不開(kāi)潤(rùn)滑，滾動(dòng)軸承疲勞壽命理論是建立在軸承充分潤(rùn)滑的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)研究得到的。當(dāng)潤(rùn)滑條件受限制，則對(duì)軸承的疲勞壽命必然產(chǎn)生重大影響。近些年來(lái)對(duì)軸承的研究逐步從軸承疲勞壽命過(guò)渡到研究難度更高的軸承潤(rùn)滑脂壽命。

軸承潤(rùn)滑脂壽命，簡(jiǎn)稱潤(rùn)滑脂壽命，是指填充于軸承中的潤(rùn)滑脂在一定工作溫度、轉(zhuǎn)速和載荷條件下保持自身結(jié)構(gòu)不被破壞和維持潤(rùn)滑特性不發(fā)生變化的能力的持續(xù)時(shí)間[4]。填充于軸承中的潤(rùn)滑脂受到工作溫度、軸承轉(zhuǎn)速及載荷等多方面條件的影響，其工作環(huán)境非常惡劣。因此，為研究潤(rùn)滑脂在一定溫度、轉(zhuǎn)速和載荷等條件下的工作性能和使用壽命，滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生了。

2 滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)技術(shù)

2.1 ZS型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)

早在20世紀(jì)初，我國(guó)的軸承工業(yè)一直沿用由前蘇聯(lián)研制的ZS型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸承壽命試驗(yàn)[5]。試驗(yàn)機(jī)采用單個(gè)試驗(yàn)頭，其試驗(yàn)軸承的安裝為封閉式，加載方式為手動(dòng)加載。在改革開(kāi)放之前，該試驗(yàn)機(jī)在我國(guó)的使用率較高。隨著工業(yè)技術(shù)與試驗(yàn)要求的提高，此類試驗(yàn)機(jī)的加載系統(tǒng)不穩(wěn)定、工作強(qiáng)度大、試驗(yàn)成本高，而且無(wú)自動(dòng)控制系統(tǒng)，已無(wú)法滿足當(dāng)前高性能長(zhǎng)壽命軸承的試驗(yàn)需求。

2.2 F&M5型滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)

F&M5型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)技術(shù)最初是從美國(guó)引進(jìn)的，與ZS型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)不同的是，它采用兩套試驗(yàn)頭，試驗(yàn)軸承的安裝為開(kāi)啟式，使得觀察方便且便于裝拆，其加載方式采用砝碼和減壓閥，具有連續(xù)補(bǔ)償功能，精度高。然而該設(shè)備體型大且成本高昂，其氣動(dòng)高壓動(dòng)力源的使用頻率為60Hz，不太適合中國(guó)國(guó)情。故該試驗(yàn)機(jī)的推廣具有一定的局限性。

2.3 ABLT系列滾動(dòng)軸承壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)

ABLT（Accelerated Bearing Life Tester）系列滾動(dòng)軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)是由杭州軸承試驗(yàn)研究中心在20世紀(jì)90年代始對(duì)國(guó)外先進(jìn)試驗(yàn)機(jī)技術(shù)持續(xù)吸收的基礎(chǔ)上進(jìn)行研制的新一代具有自動(dòng)控制功能的滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)。經(jīng)過(guò)20多年的技術(shù)持續(xù)消化和自主創(chuàng)新，已經(jīng)研制了ABLT系列（ABLT-1～ABLT-5）的試驗(yàn)機(jī)，可對(duì)內(nèi)徑從5mm到240mm范圍內(nèi)的絕大多數(shù)軸承進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)。表1列舉了該系列試驗(yàn)機(jī)的主要性能參數(shù)。相比于ZS型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)和F&M5型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)，ABLT系列軸承壽命試驗(yàn)機(jī)不但具有加載穩(wěn)定、操作方面、使用可靠等方面的優(yōu)點(diǎn)，而且在一定程度上采用了自動(dòng)化控制技術(shù)，現(xiàn)已廣泛使用于各大企業(yè)及科學(xué)研究機(jī)構(gòu)，如瓦房店軸承集團(tuán)有限公司檢測(cè)試驗(yàn)中心、中國(guó)·摩士集團(tuán)寧波軸承研究院和浙江工業(yè)大學(xué)等

3 軸承潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)技術(shù)

軸承發(fā)生疲勞剝落前，有一個(gè)“潤(rùn)滑壽命”的概念，即潤(rùn)滑脂從開(kāi)始運(yùn)行至潤(rùn)滑脂發(fā)生失效的持續(xù)時(shí)間，對(duì)軸承潤(rùn)滑脂進(jìn)行壽命試驗(yàn)就是測(cè)試出該階段的持續(xù)時(shí)間。

與軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)一樣，潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)也是在一定的溫度、轉(zhuǎn)速及載荷的作用下進(jìn)行試驗(yàn)的，兩類試驗(yàn)機(jī)具有相似的原理，圖1表示的是潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

1—電機(jī)；2—V帶；3—變速箱；4—聯(lián)軸器；5—扭矩傳感器；6—前支承；7—傳動(dòng)軸；8—后支承；9—軸承箱；10—試驗(yàn)軸承；11—恒溫箱；12—軸向加載油缸；13—徑向加載油缸

圖1 潤(rùn)滑脂軸承壽命試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

目前國(guó)內(nèi)外沿用的軸承潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)與圖1描述的類似，均是通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)試驗(yàn)主軸，采用液壓方式加載或機(jī)械方式加載，不同的是有些試驗(yàn)機(jī)只有軸向載荷，而有些具備軸向和徑向載荷，不同試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)各異。

比如，瑞典SKF公司研制的SKF ROF軸承潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)，其運(yùn)行參數(shù)[7]：轉(zhuǎn)速5000～25000r/min；溫度范圍從室溫到230℃變化；徑向載荷50～900N，軸向載荷100～1100N；試驗(yàn)所用軸承為6202、6203、6204和608軸承。在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)試驗(yàn)軸承溫度或電機(jī)電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)停機(jī)。所得試驗(yàn)結(jié)果用Weibest進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括按90%置信度計(jì)算出裝有待測(cè)潤(rùn)滑脂的軸承的10%和50%失效概率的運(yùn)行時(shí)間。

此外，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)根據(jù)高溫、重載的潤(rùn)滑脂試驗(yàn)要求，制定了DIN 51821《潤(rùn)滑劑的檢驗(yàn) 在FAG滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑脂檢驗(yàn)設(shè)備FE9上檢驗(yàn) 潤(rùn)滑脂檢驗(yàn)方法》試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并研制了與該試驗(yàn)方法配套的FE9滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)[4]。該試驗(yàn)機(jī)一次能試驗(yàn)5套軸承，在軸承連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)中，直到某套軸承因潤(rùn)滑脂失效導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)摩擦力矩增大到至少為穩(wěn)定狀態(tài)的2倍時(shí)自動(dòng)停機(jī)。

針對(duì)這些潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)，國(guó)際上相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)制定了相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，比如ASTM D3336、DIN 51821、SH/T0428等。因此，有了試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)機(jī)就可以進(jìn)行軸承潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)。

4 潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究

有關(guān)潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)的研究顯示[8]，軸承試驗(yàn)中的潤(rùn)滑脂失效可以通過(guò)快速增加溫度或扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)，即熱負(fù)荷與動(dòng)力負(fù)荷，也就是通過(guò)改變溫度、轉(zhuǎn)速和載荷，對(duì)潤(rùn)滑脂壽命進(jìn)行研究。本次實(shí)驗(yàn)主要研究的是溫度對(duì)潤(rùn)滑脂壽命的影響。

4.1 試驗(yàn)參數(shù)及方法

試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：FE9軸承潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)和DIN 51821《潤(rùn)滑劑的檢驗(yàn) 在FAG滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑脂檢驗(yàn)設(shè)備FE9上檢驗(yàn) 潤(rùn)滑脂檢驗(yàn)方法》試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)條件：Ⅰ組：試驗(yàn)溫度150℃、試驗(yàn)轉(zhuǎn)速6000rpm、載荷1500N；Ⅱ組：試驗(yàn)溫度170℃、試驗(yàn)轉(zhuǎn)速6000rpm、載荷1500N。

試驗(yàn)用潤(rùn)滑脂：某型號(hào)潤(rùn)滑脂A，其各項(xiàng)指標(biāo)如表2所示。

試驗(yàn)軸承：7206B型角接觸球軸承，其要求滿足DIN 51821試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程及步驟

①把軸承部分地浸入清洗溶劑中，清洗劑為90%石油醚和10%酒精，用鑷子轉(zhuǎn)動(dòng)清洗，靜置15min。再用新的溶劑反復(fù)清洗，直至軸承清潔，完全沒(méi)有潤(rùn)滑劑。

②將試驗(yàn)軸承放置于溫度100℃的電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中，靜置2～3min。

③取樣2ml潤(rùn)滑脂樣品A，用刮刀將潤(rùn)滑脂樣品均勻地裝填到軸承內(nèi)，潤(rùn)滑脂不得超過(guò)軸承圈表面。

④把軸承裝入軸承套中，并用壓內(nèi)環(huán)的方式將其安裝到試驗(yàn)軸上，配準(zhǔn)軸向載荷，使得熱電偶和試驗(yàn)軸承外圈接觸上，并聯(lián)上蓋板。

⑤按順序開(kāi)啟總電源、驅(qū)動(dòng)電源與控制電源，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行“滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)系統(tǒng)”測(cè)試軟件，進(jìn)入界面。

⑥跑合。在設(shè)定25℃、1500r/min、1500N的條件下進(jìn)行2小時(shí)跑合試驗(yàn)，其目的是使?jié)櫥浞址植荚谳S承內(nèi)部。

⑦運(yùn)行。在設(shè)定的條件下運(yùn)行，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。

⑧實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表3。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

潤(rùn)滑脂壽命滿足Weibull分布，可通過(guò)對(duì)數(shù)威布爾分布的位置參數(shù)和尺度參數(shù)的最佳線性無(wú)偏估計(jì)（BLUE，Best Linear Unbiased Estimation）簡(jiǎn)便迅速地進(jìn)行壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理，從而獲得壽命特征的估計(jì)值[9]。表4列出了Ⅰ組和Ⅱ組的數(shù)據(jù)結(jié)果，表中分別給出了在兩組試驗(yàn)條件下得到的潤(rùn)滑脂特征壽命、90%可靠度壽命L10、50%可靠度壽命L50以及平均壽命LM。

從表4可以分析得出，當(dāng)其它試驗(yàn)條件一致時(shí)，溫度越高，潤(rùn)滑脂可靠性壽命值就越小。從Ⅰ組和Ⅱ組的比較可以得出，溫度增加20℃，L10降低了12.04%； L50降低了60.48%；平均壽命LM降低了69.68%。

根據(jù)表4得出的結(jié)果，可繪制出Ⅰ組和Ⅱ組相應(yīng)的可靠度函數(shù)，即可靠度函數(shù)R（L）隨著壽命值L的變化曲線圖，分別如圖2、圖3所示。

5 結(jié)論

本文對(duì)滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)技術(shù)和軸承潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，指出這兩種試驗(yàn)技術(shù)具有一定的共性。同時(shí)在軸承潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)上，針對(duì)某型號(hào)的潤(rùn)滑脂進(jìn)行了壽命試驗(yàn)，主要考察了溫度對(duì)潤(rùn)滑脂壽命的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)溫度從150℃上升至170℃，90%可靠度壽命L10的減小量不大，但50%可靠度壽命L50和平均壽命LM顯著降低，逾六成之多。

此外，溫度只是影響潤(rùn)滑脂壽命眾多因素中的一個(gè)，若要詳細(xì)研究潤(rùn)滑脂壽命的影響因素，還須分別對(duì)這些因素進(jìn)行研究，而且各種因素可能存在交互影響，因此對(duì)潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)的研究還有很長(zhǎng)的路要走。

參 考 文 獻(xiàn)

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