流量泵電機(jī)軸承磨損試驗(yàn)及壽命分析

謝鵬飛，孫北奇，潘鋼鋒，姜維，楊虎

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

流量泵電動(dòng)機(jī)是溫度控制系統(tǒng)的核心，軸承作為流量泵電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，其精度和壽命直接決定了流量泵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和壽命。由于流量泵電機(jī)軸承的失效形式主要是軸承表面磨損造成精度喪失，而不是疲勞失效，故不能通過(guò)壽命加速試驗(yàn)對(duì)其考核，只能通過(guò)長(zhǎng)期的磨損試驗(yàn)驗(yàn)證軸承的壽命。

1 軸承工況及前期工作

1.1 軸承工況

流量泵電動(dòng)機(jī)使用2套深溝球軸承，分別作為外回路泵的前支承和后支承，稱為前軸承和后軸承，前軸承承受軸向、徑向聯(lián)合載荷，后軸承只承受徑向載荷。前軸承和后軸承的外形尺寸分別為Φ10 mm×Φ26 mm×8 mm和Φ10 mm×Φ30 mm×9 mm。

軸承正常工作時(shí)完全浸泡在水溶液中，軸向載荷為40N，徑向載荷為5N；工作轉(zhuǎn)速為9 400 r/min；要求軸承壽命≥10 000 h。

1.2 前期工作

根據(jù)流量泵電機(jī)軸承的特殊工況，在前期選取軸承時(shí)采用了2種不同的方案。

方案一：全鋼軸承，即套圈、球及保持架均選用不銹鋼材料。

方案二：陶瓷球軸承，即套圈為不銹鋼材料、球?yàn)榈杼沾刹牧?、保持架為聚酰亞胺自?rùn)滑材料。

按軸承的使用工況進(jìn)行500 h的試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)后的軸承進(jìn)行分解檢測(cè)，詳細(xì)的試驗(yàn)結(jié)果及軸承檢測(cè)情況見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

由文獻(xiàn)[1]可知：由于水溶液的潤(rùn)滑性能很差，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下不能形成足夠厚的彈流潤(rùn)滑膜，軸承處于典型的混合潤(rùn)滑狀態(tài)，造成全鋼軸承過(guò)早失效；而陶瓷球軸承由于氮化硅球在水溶液中產(chǎn)生摩擦化學(xué)反應(yīng)形成了具有潤(rùn)滑性的氫氧化硅膜，另外自潤(rùn)滑保持架改善了軸承表面邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，使其在水溶液中具有較好的表面潤(rùn)滑狀態(tài)，試驗(yàn)后軸承并未發(fā)生明顯磨損。因此流量泵電動(dòng)機(jī)最終采用方案二，使用陶瓷球軸承。

2 磨損試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證陶瓷球軸承的磨損壽命，篩選3臺(tái)性能良好的流量泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行陶瓷球軸承的磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為9 400 r/min，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)30 000h后，各項(xiàng)指標(biāo)均正常，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間已遠(yuǎn)超出了所要求的軸承壽命。將其中一臺(tái)電動(dòng)機(jī)分解，對(duì)陶瓷球軸承進(jìn)行外觀檢查及性能測(cè)試，其余2臺(tái)繼續(xù)做磨損試驗(yàn)。

2.1 軸承外觀檢查

在40倍干涉顯微鏡下檢查陶瓷球軸承的外觀形貌，如圖1和圖2所示。由圖可以看出：陶瓷球表面較光滑，有細(xì)微的跑合帶；保持架表面有輕微磨損；軸承端面雖有明顯磨痕，但其不是工作面，故不影響軸承使用。

圖1 前軸承外觀形貌

圖2 后軸承外觀形貌

2.2 軸承性能及精度測(cè)試

測(cè)試試驗(yàn)后陶瓷球軸承的性能及精度，測(cè)試方法與出廠前的測(cè)試方法相同。

在B&K型測(cè)試儀上，按專用技術(shù)條件在5 N的軸向載荷下，以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速測(cè)試軸承的軸向振動(dòng)加速度(軸承的軸向振動(dòng)加速度值主要反映軸承套圈溝道和陶瓷球的表面磨損狀況以及保持架的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性)。清洗前(不加油)和清洗后(加2滴特4儀表油)測(cè)試結(jié)果與出廠記錄的對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可以看出，軸承的軸向振動(dòng)加速度值與出廠記錄相比明顯增大，前軸承增大了1倍，后軸承增大了50%。

表1 軸承軸向振動(dòng)加速度值 ×9.8 m/s2

在YZC型摩擦力矩測(cè)試儀上，按專用技術(shù)條件在2 N的軸向載荷下，以10 r/min的轉(zhuǎn)速測(cè)試軸承的動(dòng)態(tài)摩擦力矩。清洗前(不加油)和清洗后(加2滴特4儀表油)測(cè)試結(jié)果與出廠記錄的對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可以看出，軸承的動(dòng)態(tài)摩擦力矩增大近1倍。

1.一定要將國(guó)家相關(guān)規(guī)定作為基礎(chǔ)，對(duì)于各項(xiàng)資金的使用情況進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)管與控制，構(gòu)建起適應(yīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)財(cái)政工作的監(jiān)管機(jī)制，確保各項(xiàng)工作的規(guī)范化開(kāi)展；2.要對(duì)相關(guān)部門的工作人員開(kāi)展持續(xù)性的、時(shí)效性的廉潔教育，從而提高相關(guān)工作人員的使命感與責(zé)任感，保證各項(xiàng)資金的安全應(yīng)用；3.要結(jié)合鄉(xiāng)鎮(zhèn)的發(fā)展情況構(gòu)建起資金的使用與監(jiān)管制度，使得國(guó)家各項(xiàng)財(cái)政資金真正用在“刀刃”上。

表2 軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩 g·cm

在專用儀器B013和B023上測(cè)量軸承內(nèi)、外圈的軸向和徑向跳動(dòng)，測(cè)試結(jié)果與出廠記錄的對(duì)比見(jiàn)表3。其中，Sia為成套軸承內(nèi)圈軸向跳動(dòng)；Sea為成套軸承外圈軸向跳動(dòng)；Kia為成套軸承內(nèi)圈徑向跳動(dòng)；Kea為成套軸承外圈徑向跳動(dòng)。由表3可以看出，軸承精度與出廠時(shí)相比有所降低。

表3 軸承的軸向和徑向跳動(dòng) μm

在X092型徑向游隙測(cè)量?jī)x上測(cè)試軸承的徑向游隙，并與出廠記錄對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，軸承的徑向游隙都有所增加，前軸承增加了3 μm，后軸承增加了2 μm。

表4 軸承徑向游隙 μm

2.3 試驗(yàn)分析

根據(jù)試驗(yàn)后2套陶瓷球軸承的檢測(cè)情況可知：在顯微鏡下觀測(cè)，陶瓷球和保持架表面均有輕微磨痕；性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)軸承的軸向振動(dòng)加速度值和動(dòng)態(tài)摩擦力矩值明顯增大，但仍在允許范圍內(nèi)；軸承的軸向和徑向跳動(dòng)與出廠記錄相比有所增大，但仍在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)；前軸承的徑向游隙增加了11.5%，后軸承的徑向游隙增加了7.7%。這說(shuō)明軸承已出現(xiàn)磨損，由于前軸承所受載荷大于后軸承，所以前軸承的磨損比后軸承嚴(yán)重，但軸承的性能及精度仍能滿足使用要求。

由此可以看出：陶瓷球軸承在水溶液中顯示出良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，大幅提高了流量泵電機(jī)軸承的工作壽命。一方面是由于軸承采用了自潤(rùn)滑保持架，更重要的是因?yàn)槭褂昧说杼沾汕?。由文獻(xiàn)[2]可知，氮化硅陶瓷在水溶液中，當(dāng)速度高于6.5 cm/s時(shí)，摩擦因數(shù)低于0.002，屬于流體潤(rùn)滑，而在水-醇混合物中氮化硅陶瓷的摩擦因數(shù)則更低。流量泵電機(jī)軸承轉(zhuǎn)速為9 400 r/min，在該轉(zhuǎn)速下陶瓷球表面線速度遠(yuǎn)高于6.5 cm/s，軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)為流體潤(rùn)滑，因此在水溶液中陶瓷球軸承的磨損較低，壽命更長(zhǎng)。

3 磨損壽命計(jì)算

通過(guò)以上軸承的測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)30 000 h后，其試驗(yàn)時(shí)間已遠(yuǎn)超出所要求的軸承壽命，但軸承的性能及精度仍滿足使用要求。因此有必要通過(guò)計(jì)算軸承的磨損壽命來(lái)預(yù)測(cè)另外2臺(tái)流量泵電機(jī)軸承的剩余壽命。

軸承磨損壽命尚無(wú)完善的計(jì)算方法，通常是根據(jù)軸承的許用磨損因素fv對(duì)磨損壽命進(jìn)行估算

(1)

eo=0.46d0.67，

(2)

軸承工作時(shí)的最小油膜系數(shù)Λ為

(3)

(4)

將前軸承和后軸承的相關(guān)參數(shù)以及水溶液的相關(guān)參數(shù)代入(1)～(4)式，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 計(jì)算結(jié)果

由表5可知，軸承工況按中等程度，經(jīng)擬合推導(dǎo)得到軸承的磨損壽命計(jì)算公式為

L=50×(0.61×lnΛ+0.656)×10fv。(5)

將表5中的計(jì)算結(jié)果代入(5)式，前軸承的磨損壽命為60 853 h，約為6.9年；后軸承的磨損壽命為64 773 h，約為7.3年。由此可預(yù)測(cè)：剩余2臺(tái)流量泵電機(jī)軸承可再正常運(yùn)行約30 000 h。(5)式的可靠度約為91%[3]。軸承磨損壽命的計(jì)算結(jié)果雖不能完全真實(shí)地反映軸承壽命，但該預(yù)測(cè)結(jié)果可作為參考來(lái)指導(dǎo)流量泵電動(dòng)機(jī)的后續(xù)磨損試驗(yàn)工作。

4 結(jié)論

(1)陶瓷球軸承在水溶液中潤(rùn)滑狀態(tài)良好，經(jīng)過(guò)30 000 h的磨損試驗(yàn)后，軸承雖有磨損，但其精度和性能仍可滿足使用要求;

(2)通過(guò)計(jì)算軸承的磨損壽命，預(yù)測(cè)出另外2臺(tái)流量泵電機(jī)軸承的剩余壽命約為30 000 h。