高速鐵路軸箱軸承用潤(rùn)滑脂耐久性試驗(yàn)研究

趙偉樺，馬聰，曾獻(xiàn)智，楊嘯，何峰濤

(1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039;2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039;3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039)

潤(rùn)滑脂耐久性試驗(yàn)也稱為潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)，反映潤(rùn)滑脂在滾動(dòng)軸承中的有效使用壽命，是評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂綜合性能的重要指標(biāo)。目前，我國(guó)潤(rùn)滑脂檢測(cè)與試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)共46項(xiàng)，其中國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)9項(xiàng)，石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)37項(xiàng)。這些標(biāo)準(zhǔn)大多數(shù)針對(duì)潤(rùn)滑脂理化指標(biāo)的檢測(cè)和試驗(yàn)，針對(duì)潤(rùn)滑脂動(dòng)態(tài)性能的試驗(yàn)較少，欠缺試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的積累。

文獻(xiàn)[1]提出了一種與德國(guó)制訂的高溫重載潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)類似的試驗(yàn)方法，區(qū)別在于試驗(yàn)溫度為低于潤(rùn)滑脂滴點(diǎn)30 ℃。文獻(xiàn)[2]模擬標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組時(shí)速385 km/h時(shí)的牽引電動(dòng)機(jī)軸承實(shí)際轉(zhuǎn)速，進(jìn)行了高速列車牽引電動(dòng)機(jī)軸承潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)確定軸承、潤(rùn)滑脂的壽命能否達(dá)到高鐵的標(biāo)準(zhǔn)要求。文獻(xiàn)[3]研究了不同基礎(chǔ)油種類等因素對(duì)復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂壽命的影響，試驗(yàn)溫度為145 ℃，試驗(yàn)方法依據(jù)SH/T 0428—2008《高溫下潤(rùn)滑脂在球軸承中的壽命測(cè)定法》，取得了一定成果。文獻(xiàn)[4]對(duì)SKF Emcor潤(rùn)滑脂動(dòng)態(tài)抗腐蝕測(cè)試、FAG FE8潤(rùn)滑脂磨損性能和動(dòng)態(tài)抗極壓測(cè)試、FAG FE9潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑壽命動(dòng)態(tài)測(cè)試進(jìn)行了介紹，對(duì)正確選用潤(rùn)滑脂及滾動(dòng)軸承可靠度設(shè)計(jì)提供了參考。文獻(xiàn)[5]在不同溫度和轉(zhuǎn)速下，使用角接觸球軸承探討了某型號(hào)潤(rùn)滑脂的壽命試驗(yàn)影響因素，結(jié)果表明，溫度越高，轉(zhuǎn)速越大，潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑可靠度越低，壽命越短。

我國(guó)高速鐵路軸承及高速鐵路軸承用潤(rùn)滑脂目前全部依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)缺乏針對(duì)高速鐵路軸箱軸承用潤(rùn)滑脂耐久性的試驗(yàn)研究，為此進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)機(jī)由試驗(yàn)主體部件、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣控制及軟件系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)機(jī)工作原理如圖1所示。工業(yè)計(jì)算機(jī)通過(guò)變頻器控制電主軸實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，電主軸通過(guò)聯(lián)軸器與試驗(yàn)主體相連。液壓加載系統(tǒng)分為軸向加載和徑向加載，以放大器和比例閥的配合實(shí)現(xiàn)載荷的調(diào)整。電加熱系統(tǒng)由置于試驗(yàn)軸承外襯套內(nèi)的加熱棒模擬完成。冷卻系統(tǒng)包括水冷和氣冷組件，水泵為電主軸提供冷卻水循環(huán)，氣泵為加載軸承提供冷卻氣循環(huán)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集襯套加熱溫度、軸承溫度、電主軸參數(shù)等，反饋給工業(yè)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 試驗(yàn)機(jī)工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of tester

試驗(yàn)主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用簡(jiǎn)支梁支承方式，主要包括底座、電主軸、加熱組件、試驗(yàn)軸承、加載軸承、徑向加載組件、氣冷卻組件、軸向加載組件等。電主軸采用ZYS-150SD15Z7.5脂潤(rùn)滑型電主軸，可連續(xù)工作運(yùn)轉(zhuǎn)。圖中底座采用剖分式鑄件結(jié)構(gòu)，便于拆裝。徑向加載和軸向加載組件為薄膜式油缸加載結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)軸承外襯套位于試驗(yàn)主體兩側(cè)，每側(cè)裝有6個(gè)200 W的電加熱棒，呈環(huán)狀均勻分布，構(gòu)造出試驗(yàn)所需環(huán)境溫度。加載軸承外襯套由兩部分壓裝成中空結(jié)構(gòu)，外接氣冷卻組件，以降低加載軸承溫度。試驗(yàn)使用4支JM608V-PT100一體化溫度傳感器采集試驗(yàn)軸承和加載軸承外圈溫度，采用YD-3壓電式加速度傳感器監(jiān)測(cè)試驗(yàn)主體振動(dòng)。

圖2 試驗(yàn)主體結(jié)構(gòu)Fig.2 Main structure of test

1.2 試驗(yàn)條件及方法

國(guó)內(nèi)外潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑壽命試驗(yàn)方法[6]的主要特點(diǎn)見(jiàn)表1。日本NTN公司依據(jù)ASTM D3336—1997《高溫下滾珠軸承中潤(rùn)滑脂使用壽命的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》研發(fā)出CRC潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備充分模擬了潤(rùn)滑脂實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，通用性顯著；德國(guó)FAG公司按照DIN 51821(DIN 51821-1-1988為第1部分：一般工作原則；DIN 51821-2-1989為第2部分：試驗(yàn)方法)研制了FE9五工位滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑壽命試驗(yàn)機(jī)，溫度、速度和載荷均有較寬的調(diào)整范圍；瑞典SKF研制出高鐵潤(rùn)滑脂試驗(yàn)機(jī)SKF RHF1，用于評(píng)價(jià)高鐵滾動(dòng)軸承用潤(rùn)滑脂使用壽命等[7]。表中FS 791B 331.1和FS 791B 331.2為美國(guó)高溫下潤(rùn)滑脂在抗磨軸承中工作性能測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)。SH/T 0428—2008是在參照ASTM D3336—1997的基礎(chǔ)上，制訂出的適合我國(guó)國(guó)情的石油化工行業(yè)潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。

表1 國(guó)內(nèi)外潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)方法[6]Tab.1 Test methods for life of greases at home and abroad

國(guó)內(nèi)高速鐵路動(dòng)車組軸箱軸承均為進(jìn)口雙列圓錐滾子軸承[8]，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑壽命試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和高速鐵路動(dòng)車組軸箱軸承用潤(rùn)滑脂高溫壽命試驗(yàn)方法，對(duì)國(guó)內(nèi)高速鐵路動(dòng)車組軸箱軸承用某種潤(rùn)滑脂進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見(jiàn)表2，軸承連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

表2 試驗(yàn)條件Tab.2 Test conditions

試驗(yàn)用殼牌納潤(rùn)達(dá)某種潤(rùn)滑脂參數(shù)見(jiàn)表3。3套軸承潤(rùn)滑脂的填充量均為試驗(yàn)軸承內(nèi)部空間的15%～20%，試驗(yàn)前均跑合至溫度平衡。

表3 殼牌納潤(rùn)達(dá)某種潤(rùn)滑脂基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of a certain kind of Shell Nerita grease

采用3套4T-30204圓錐滾子軸承作為試驗(yàn)軸承，其基本參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 4T-30204型圓錐滾子軸承基本參數(shù)Tab.4 Basic parameters of 4T-30204 tapered roller bearings

1.3 試驗(yàn)失效判據(jù)

判據(jù)A:在運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)，將試驗(yàn)軸承溫度超過(guò)試驗(yàn)設(shè)定溫度15 ℃作為潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑失效的主要判據(jù)。潤(rùn)滑脂性能下降或潤(rùn)滑失效會(huì)導(dǎo)致軸承工作表面磨損，最直接的表現(xiàn)為軸承溫升。

判據(jù)B:在啟動(dòng)和試驗(yàn)周期內(nèi)，電主軸電流超過(guò)預(yù)警值或試驗(yàn)軸系卡死。

判據(jù)A中試驗(yàn)軸承溫度是指經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后設(shè)備及零部件達(dá)到溫度均衡，不再出現(xiàn)較大的溫度波動(dòng)時(shí)試驗(yàn)軸承達(dá)到的穩(wěn)定溫度。試驗(yàn)設(shè)定徑向載荷為150 N，軸向載荷為100 N。環(huán)境溫度為120 ℃，經(jīng)測(cè)試運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)軸承穩(wěn)定運(yùn)行溫度為123 ℃左右，故試驗(yàn)預(yù)警值設(shè)置見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)預(yù)警值設(shè)置Tab.5 Setting for prewarning values of test

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及外觀檢查

3套軸承均采用上述潤(rùn)滑脂，在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行。為保證潤(rùn)滑脂試驗(yàn)結(jié)果的正確，排除其他因素的干擾，試驗(yàn)前必須檢查試驗(yàn)軸承外觀、校準(zhǔn)傳感器等一系列規(guī)范措施。根據(jù)失效判據(jù)，試驗(yàn)3套軸承失效現(xiàn)象均為電主軸電流過(guò)載。3組潤(rùn)滑脂高溫耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 潤(rùn)滑脂高溫耐久性試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 High temperature durability test results for grease h

試驗(yàn)后拆機(jī)檢查，3組試驗(yàn)后軸承及潤(rùn)滑脂外觀檢查結(jié)果相似，以一組為例，分別如圖3和圖4所示。由圖3可知，試驗(yàn)軸承外圈磨痕均勻，軌跡正常；保持架部分?jǐn)嗔眩渌糠执嬖诒３旨苓^(guò)梁邊緣輕微起皮現(xiàn)象，局部有毛刺，存在非正常磨損，表面發(fā)黃；滾子表面有可見(jiàn)劃痕損傷。由圖4可知，潤(rùn)滑脂已完全變色干結(jié)，其中摻雜氧化物顆粒和鐵屑，失去黏性。

圖3 試驗(yàn)軸承保持架斷裂圖Fig.3 Fracture diagram of cage in test bearing

圖4 潤(rùn)滑脂失效Fig.4 Failured grease

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 理論計(jì)算

1)試驗(yàn)軸承基本額定壽命L10h

試驗(yàn)軸承轉(zhuǎn)速恒定，基本額定壽命L10h為

(1)

式中：C為基本額定動(dòng)載荷,N；P為當(dāng)量動(dòng)載荷,N。

代入數(shù)據(jù)，可得L10h=1.57×108h。

2)潤(rùn)滑脂理論壽命計(jì)算L′

目前，我國(guó)尚未建立滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑脂壽命計(jì)算方法，國(guó)內(nèi)潤(rùn)滑脂壽命研究預(yù)測(cè)大都采用國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)公式。本文采用修正Booser潤(rùn)滑脂壽命計(jì)算公式[9]，如下

logL′=-2.6+2 450/(273+T)-fv，

(2)

fv=9.6×10-7kbdini，

式中：L′為潤(rùn)滑脂壽命；T為試驗(yàn)潤(rùn)滑脂工作溫度，T=120 ℃；fv為潤(rùn)滑脂壽命的速度因素影響系數(shù)；kb為不同類型滾動(dòng)軸承的速度系數(shù)，圓錐滾子軸承取kb=4；di為軸承內(nèi)徑，di=20 mm；ni為軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速，ni=5 000 r/min。

代入數(shù)據(jù)，可得L′=1 778.3 h。

2.2.2 軸承試驗(yàn)壽命數(shù)據(jù)處理

潤(rùn)滑脂試驗(yàn)壽命符合Weibull分布，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Weibull分布處理。由于樣本數(shù)n=3，且為完全試驗(yàn)，數(shù)據(jù)處理適宜采用最佳線性不變估計(jì)系數(shù)[10]，如下：

(3)

(4)

式中：Li為試驗(yàn)得到的潤(rùn)滑脂試驗(yàn)壽命；CI，DI為與容量n、截尾數(shù)r和壽命序號(hào)i有關(guān)的最佳線性不變系數(shù)，其值查表可得[11]。

當(dāng)軸承疲勞壽命破壞概率F(L)=0.1時(shí)，90%可靠度下的潤(rùn)滑脂試驗(yàn)潤(rùn)滑壽命為

(5)

當(dāng)軸承疲勞壽命破壞概率F(L)=0.5時(shí)，50%可靠度下的潤(rùn)滑脂試驗(yàn)潤(rùn)滑壽命為

(6)

上述3組軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果見(jiàn)表7。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

潤(rùn)滑脂壽命結(jié)果會(huì)呈現(xiàn)顯著的離散型，且符合Weibull分布，因此，必須進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)[12]。表7中3組試驗(yàn)結(jié)果具有明顯離散型。

表7 數(shù)據(jù)處理結(jié)果Tab.7 Data processing results

潤(rùn)滑失效是滾動(dòng)軸承最主要的早期失效方式。對(duì)上述3組試驗(yàn)，以軸承溫升15 ℃作為判據(jù)得到的潤(rùn)滑脂試驗(yàn)潤(rùn)滑壽命終結(jié)時(shí)，軸承套圈和滾子工作表面并未發(fā)生疲勞剝落；計(jì)算所得的潤(rùn)滑脂理論壽命也遠(yuǎn)小于計(jì)算所得軸承的經(jīng)典疲勞剝落壽命。試驗(yàn)后外觀檢查未出現(xiàn)軸承損壞，而潤(rùn)滑脂黏性良好，未出現(xiàn)變色情況。因此，對(duì)軸承進(jìn)行包括選擇合適潤(rùn)滑脂在內(nèi)的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)是避免軸承發(fā)生早期失效的有效方法。

大多數(shù)軸承疲勞失效后形狀參數(shù)分布在1.5左右[13]，本試驗(yàn)潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑失效后形狀參數(shù)為1.575，兩者相當(dāng)接近。被測(cè)潤(rùn)滑脂50%可靠度下的潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑壽命L50t為2 312.3 h，90%可靠度下的壽命L10t為706.9 h。文獻(xiàn)[5]建議將潤(rùn)滑脂50%可靠度壽命L50t作為潤(rùn)滑脂基本額定壽命，故本試驗(yàn)潤(rùn)滑脂中值額定壽命為2 312.3 h，與平均試驗(yàn)壽命2 458.7 h較為接近。由此說(shuō)明，本試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)處理方式合理可行。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)高速鐵路軸箱軸承用某種潤(rùn)滑脂進(jìn)行了高溫耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件保證軸承失效不會(huì)先于潤(rùn)滑失效，并以高于軸承穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段溫度15 ℃作為判定軸承發(fā)生潤(rùn)滑失效的依據(jù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。結(jié)果表明，試驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)處理方式合理可行，對(duì)高速鐵路軸箱軸承用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑壽命的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)評(píng)價(jià)及該油脂的國(guó)產(chǎn)化具有一定的借鑒意義。