圓錐滾子軸承油氣潤滑試驗(yàn)研究

李志恒，馬洪偉，郭峰，栗心明 ，劉牧原

(1.青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 ，山東 青島 266000；2.青島鋼鐵控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 青島 266000)

隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械不斷朝著高速化發(fā)展，對(duì)滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速的要求也不斷提高。潤滑方式是影響軸承轉(zhuǎn)速的重要因素之一。油氣潤滑技術(shù)又稱作“氣液兩相流體冷卻潤滑技術(shù)”，以其微量、高效、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋼鐵及冶金行業(yè)。但是對(duì)于油氣潤滑參數(shù)的使用卻沒有形成規(guī)范，并且研究大多集中于球軸承潤滑參數(shù)，針對(duì)滾子軸承潤滑參數(shù)的研究很少。

文獻(xiàn)[1]介紹了油氣潤滑系統(tǒng)的工作原理、組成和技術(shù)要求；文獻(xiàn)[2]研究了油氣入口位置和進(jìn)氣量對(duì)滾動(dòng)軸承外圈溫度的影響；文獻(xiàn)[3]研究了供油量、黏度、轉(zhuǎn)速以及油氣壓力對(duì)高速滾動(dòng)軸承溫升的影響；文獻(xiàn)[4]研究了油氣供油系統(tǒng)中各供油參數(shù)對(duì)供油率的影響；文獻(xiàn)[5]研究了軸承轉(zhuǎn)速、預(yù)緊力以及氣壓對(duì)軸承溫升的影響。

通過在鋼鐵廠現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中棒生產(chǎn)線上導(dǎo)衛(wèi)軸承(潮濕多粉塵的工作環(huán)境,精軋速度可達(dá)15～18 m/s)更換頻繁，這與其不當(dāng)?shù)挠蜌鉂櫥瑓?shù)有很大關(guān)系。因此，以該生產(chǎn)線上的圓錐滾子軸承作為試驗(yàn)對(duì)象，研究油氣潤滑參數(shù)(輸油管道長度、預(yù)緊力、噴嘴個(gè)數(shù)、氣壓、轉(zhuǎn)速和供油量)對(duì)軸承溫升的影響，以溫升作為評(píng)價(jià)油氣潤滑效果的指標(biāo)，得出圓錐滾子軸承的最佳油氣潤滑參數(shù)。

1 試驗(yàn)

為了獲得油氣潤滑工作參數(shù)對(duì)滾動(dòng)軸承潤滑性能的影響，采用圖1所示的高速滾動(dòng)軸承試驗(yàn)裝置。

1—噴嘴；2—溫度傳感器；3—高速電主軸；4—被測軸承

被測軸承為HR32307J圓錐滾子軸承，參數(shù)見表1。驅(qū)動(dòng)源為動(dòng)壓潤滑高速電主軸，利用變頻器對(duì)其進(jìn)行調(diào)速，轉(zhuǎn)速范圍為0～20 000 r/min；軸承測試單元采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)置于電主軸兩側(cè)；噴嘴中心正對(duì)于滾子和內(nèi)圈接觸區(qū)；軸承軸向預(yù)緊力由兩端對(duì)稱式加載系統(tǒng)施加，通過滾珠絲杠擠壓彈簧實(shí)現(xiàn)機(jī)械彈簧式加載；采用pt100鉑電阻溫度傳感器測量軸承外圈溫升，其測溫范圍為-200～500 ℃。潤滑油采用長城46#齒輪油，油氣潤滑器每次供油量為0.1 mL，若每60 s供一次油，則每小時(shí)供油量為6 mL。以此類推，每小時(shí)供油量和時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表1 軸承參數(shù)

保持試驗(yàn)的室溫和油氣入口溫度始終為20 ℃，研究不同管道長度、預(yù)緊力、轉(zhuǎn)速、噴嘴個(gè)數(shù)及供油量對(duì)軸承溫升的影響。試驗(yàn)中，軸承從同一初始溫度開始運(yùn)行，當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)(約30 min)，軸承外圈溫度與初始溫度之差即為軸承溫升。每組試驗(yàn)均進(jìn)行3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

表2 供油量和時(shí)間間隔

2 結(jié)果與討論

2.1 管道長度與溫升的關(guān)系

油氣輸送管道選用外徑為6 mm，內(nèi)徑為4 mm的塑料管。管道長度影響油膜的形成及油膜厚度，同時(shí)內(nèi)壁阻力會(huì)造成壓縮空氣流速的損失，進(jìn)而影響軸承的潤滑和冷卻效果。

軸向預(yù)緊力100 N，供油量5 mL/h，轉(zhuǎn)速5 000 r/min，供氣壓力0.25 MPa下，管道長度分別為0.6，1.2，1.8，2.4，3.0，3.6 m時(shí)的軸承溫升如圖2所示。

圖2 管道長度對(duì)軸承溫升的影響

由圖2可知，管道長度為1.2 m時(shí)，軸承溫升最低。在油氣潤滑中，管道不僅用來輸送冷卻空氣和潤滑油，還可分散油滴。當(dāng)管道長度低于1.2 m時(shí)，油滴分散情況不好，導(dǎo)致潤滑波動(dòng)很大，軸承溫升增加；當(dāng)管道長度超過1.2 m時(shí)，管道內(nèi)壁阻力增加，空氣流速相對(duì)降低，從而導(dǎo)致溫升呈線性增長。因此，選用1.2 m的管道進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 預(yù)緊力與溫升的關(guān)系

管長1.2 m，轉(zhuǎn)速5 000 r/min，供氣壓力0.25 MPa，供油量5 mL/h下，軸向預(yù)緊力對(duì)軸承溫升的影響如圖3所示。

圖3 軸向預(yù)緊力對(duì)軸承溫升的影響

由圖3可知，隨著軸向預(yù)緊力的增加，軸承溫升基本呈線性增長。這是由于隨著軸向預(yù)緊力的增加，軸承有效游隙逐漸減小，滾子、保持架、滾道以及端面擋圈之間的摩擦生熱加劇，導(dǎo)致軸承溫升逐漸增加。但預(yù)緊力在該范圍內(nèi)的增長并未使有效游隙減小為負(fù)值，所以溫升并未出現(xiàn)劇烈變化。

2.3 噴嘴個(gè)數(shù)與溫升的關(guān)系

軸承內(nèi)潤滑油液分布的均勻性對(duì)于軸承內(nèi)部各位置油膜的形成有極大影響，當(dāng)各個(gè)位置潤滑油量不同時(shí)，成膜難易程度不同。通常噴嘴噴射區(qū)域潤滑油量多，而非噴射區(qū)位置潤滑油較少。適當(dāng)?shù)脑黾訃娮靷€(gè)數(shù)可以減少這些因素引起的溫升。

管長1.2 m，轉(zhuǎn)速5 000 r/min，供氣壓力0.25 MPa，軸向預(yù)緊力100 N，供油量5 mL/h，軸承噴嘴位置如圖4所示。使用一個(gè)噴嘴時(shí)，放置在位置1；使用2個(gè)噴嘴時(shí)，放置在位置1，2。依次類推，增加噴嘴數(shù)量時(shí)，其放置位置依次在3，4。噴嘴個(gè)數(shù)對(duì)軸承溫升的影響如圖5所示。

圖4 噴嘴位置

圖5 噴嘴個(gè)數(shù)對(duì)軸承溫升的影響

由圖5可知，當(dāng)噴嘴個(gè)數(shù)為3時(shí)，軸承溫升最低。這是因?yàn)楫?dāng)噴嘴個(gè)數(shù)增加到3時(shí)，軸承各個(gè)位置供油量更加均勻，有利于均勻潤滑油膜的形成，而且不會(huì)造成供油量過多引起的攪油溫升。但是，噴嘴個(gè)數(shù)繼續(xù)增加，每個(gè)出口的壓縮空氣流量及壓力明顯下降，此時(shí)壓縮空氣的冷卻作用下降，造成軸承溫升增加；同時(shí)，空氣壓力的降低還可能造成噴嘴處供油波動(dòng)性增加，影響潤滑油膜的形成。具體的形成機(jī)理需進(jìn)行流體力學(xué)方面的定量分析。

2.4 氣體壓力與溫升的關(guān)系

軸承溫升除了受軸承滾子、保持架與套圈之間的摩擦生熱以及富油狀態(tài)下攪拌潤滑油產(chǎn)生的熱量影響外，還受到壓縮空氣量的影響。相同情況下氣壓越大，壓縮空氣量也就越大。

管長1.2 m，轉(zhuǎn)速5 000 r/min，軸向預(yù)緊力100 N，供油量5 mL/h下，供氣壓力分別為0.20,0.25,0.30,0.35,0.40 MPa的軸承溫升如圖6所示。

圖6 供氣壓力對(duì)軸承溫升的影響

由圖6可知，隨著供氣壓力的增加，軸承溫升逐漸減小，這是因?yàn)闅鈮涸黾?，使得相同情況下壓縮空氣量帶走的熱量增加，導(dǎo)致溫升減小。而溫升減小趨勢逐漸減緩，是由于氣壓的增加不僅僅影響壓縮空氣量，還使同一出口處的油液流度逐漸增加，導(dǎo)致部分潤滑油反彈或飛濺，未能黏附在軸承接觸區(qū)形成潤滑油膜，摩擦生熱，降低壓縮空氣的冷卻效果。

2.5 轉(zhuǎn)速與軸承溫升的關(guān)系

管長1.2 m，軸向預(yù)緊力100 N，供氣壓力0.25 MPa，供油量5 mL/h下，轉(zhuǎn)速從3 000～7 000 r/min的軸承溫升如圖7所示。

由圖7可知，軸承溫升隨轉(zhuǎn)速增大明顯增加，增幅也逐漸變大，尤其是5 000～7 000 r/min時(shí)溫升快速增加。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速增大，不利于潤滑油供油，內(nèi)部潤滑條件變差，同時(shí)增加打滑幾率，摩擦力增加；由Palmgren經(jīng)驗(yàn)公式[6]可知，發(fā)熱量可以通過轉(zhuǎn)速與摩擦力矩相乘獲得，同時(shí)摩擦力矩又是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，即發(fā)熱量與轉(zhuǎn)速是高階函數(shù)的關(guān)系。所以隨著轉(zhuǎn)速增加，軸承產(chǎn)生大量的熱量，從而導(dǎo)致溫升快速增加。此外，高速下自旋力矩引起的軸承發(fā)熱量增加也不可忽略。

圖7 轉(zhuǎn)速對(duì)軸承溫升的影響

2.6 供油量與軸承溫升的關(guān)系

試驗(yàn)采用導(dǎo)流式噴嘴，結(jié)構(gòu)如圖8所示。該噴嘴在普通噴嘴基礎(chǔ)上增加了導(dǎo)流體，可以減小供油點(diǎn)供油量隨時(shí)間的波動(dòng)，供油有效面積集中，油滴均勻。

圖8 導(dǎo)流式噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

管長1.2 m，轉(zhuǎn)速5 000 r/min，軸向預(yù)緊力100 N，供氣壓力0.25 MPa下，2種噴嘴的供油量對(duì)軸承溫升的影響如圖9所示。

圖9 供油量對(duì)軸承溫升的影響

由圖9可知，2種噴嘴在不同供油量下的溫升變化趨勢基本相同，均存在一個(gè)溫升最低點(diǎn)，即最佳供油量，當(dāng)供油量高于最佳供油量，軸承處于富油狀態(tài)，攪油阻力增大，軸承溫升增加；低于該油量時(shí)，軸承處于貧油狀態(tài)，潤滑不充分，摩擦增加，溫升增加。導(dǎo)流式噴嘴最佳供油量為2.5 mL/h；普通孔式噴嘴的最佳供油量為5 mL/h，即導(dǎo)流式噴嘴使溫升-供油量曲線左移。該差別源于導(dǎo)流式噴嘴的供油有效性及均勻性。導(dǎo)流式噴嘴的最佳供油量較普通噴嘴的低40%～50%。

3 結(jié)論

在研究的試驗(yàn)條件下可得：

1)最佳輸油管道長度為1.2 m，最佳噴嘴個(gè)數(shù)為3個(gè)，最佳氣壓范圍為0.25～0.4 MPa。

2)軸承軸向預(yù)緊力和轉(zhuǎn)速均與溫升呈線性遞增關(guān)系。

3)導(dǎo)流式噴嘴的最佳供油量小于普通孔式噴嘴的最佳供油量。