氮化硅陶瓷滾子軸承的高速性能試驗

李鴻亮，張占立，李建華，王玉飛

(1.河南科技大學，河南 洛陽 471003；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039;3.河南省高性能軸承技術重點實驗室,河南 洛陽 471039;4.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟,河南 洛陽 471039)

隨著科學技術的發展，對滾動軸承高速性能的要求也越來越高，為了改善特殊工況用軸承的高速性能，應用氮化硅陶瓷材料制造滾動體和其他零件已成為首選，這主要得益于氮化硅陶瓷較低的密度，優良的高溫力學性能和高溫(1 300 ℃)化學穩定性[1]。裝有氮化硅陶瓷球的混合陶瓷球軸承已大量應用于高速機床、燃氣輪機、渦輪增壓器等高速結構中，但氮化硅陶瓷滾子比球的加工工藝復雜，故混合陶瓷滾子軸承的性能仍在試驗研究中[2]。

下文通過對混合陶瓷滾子軸承和鋼滾子軸承進行高速試驗，對比驗證2種軸承的高速性能。

1 試驗對象

試驗軸承型號為NU208，其結構如圖1所示。套圈材料為8Cr4Mo4V，保持架材料為鋁青銅，滾子材料分別為8Cr4Mo4V和氮化硅，2種材料的性能見表1，軸承結構主參數見表2。

圖1 NU208滾子軸承結構圖

表1 滾子的材料性能

表2 NU208滾子軸承主要參數

2 試驗設備

試驗設備為簡支梁高溫高速試驗機，其結構如圖2所示。

1—軸向加載；2—徑向加載；3—試驗軸承；4—支承軸承；5—聯軸器；6—電主軸

試驗軸承安裝于軸系中間，2個支點端為輔助軸承；電主軸通過柔性聯軸器與試驗主軸相連拖動軸系高速旋轉；徑向載荷由徑向加載活塞通過加載套直接施加于試驗軸承外圈上；在試驗軸承兩側有2只噴油嘴進行高溫噴油潤滑，輔助軸承通過中間2只噴油嘴旁路孔噴油潤滑。

3 試驗

隨機選取混合陶瓷滾子軸承和鋼滾子軸承各1套進行高速性能試驗，試驗用潤滑油為長城牌4010合成航空潤滑油。每套軸承試驗前跑合30 min，跑合試驗程序見表3。軸承高速試驗程序見表4,供油溫度為(150±5)℃。

表3 軸承跑合試驗程序

鋼滾子軸承在轉速達到51 000 r/min時，外圈溫度191 ℃、溫升約45 ℃，主機電流達15.1 A，其值超過電主軸許用電流報警停機。試驗過程中外圈溫度曲線如圖3所示。

表4 軸承高速試驗程序

圖3 鋼滾子軸承外圈溫度隨轉速變化情況

混合陶瓷滾子軸承在轉速達到51 000 r/min時，外圈溫度164 ℃、溫升約19 ℃，主機電流10.7 A。繼續提高轉速進行試驗，最終升至轉速62 500 r/min，軸承外圈溫度約190 ℃、溫升約44 ℃，主機電流達14 A，超出驅動電主軸的轉速范圍，終止試驗。轉速62 500 r/min時陶瓷滾子軸承外圈溫度曲線如圖4所示。

圖4 陶瓷滾子軸承62 500 r/min時外圈溫度隨時間變化情況

試驗后2套軸承手動旋轉靈活、無滯點；各零件表面外觀完好，呈淺黃色；軸承內、外圈滾道受力區磨痕均勻，位置正常，其中混合陶瓷滾子軸承內滾道受力區磨痕變色較深；保持架引導面、兜孔磨痕正常，鍍銀層磨損正常，無基體露出以及起泡、起層等現象；滾子表面光滑無異常。試驗后鋼滾子軸承外觀形貌如圖5所示，檢測結果表明:軸承的尺寸精度、旋轉精度及游隙等指標變化不大;陶瓷滾子軸承各項精度指標仍在標準要求范圍內；由于潤滑油碳化，鋼滾子軸承除徑向游隙減小了0.003 mm，其他精度指標仍在標準要求范圍內。

圖5 試驗后鋼滾子軸承零件外觀形貌

綜上所述可知，試驗后2套軸承旋轉靈活、精度變化不大、各零件外觀無異常，這說明若試驗主軸驅動功率足夠大,陶瓷滾子軸承轉速可超過62 500 r/min;2套軸承均可在51 000 r/min轉速下運轉，此時陶瓷滾子軸承試驗電主軸的電流為鋼滾子軸承的70.8%，陶瓷滾子軸承外圈溫升為鋼滾子軸承的42.2%；軸承外圈溫度約190 ℃時，陶瓷滾子軸承試驗轉速達62 500 r/min，鋼滾子軸承試驗轉速為51 000 r/min，此時陶瓷滾子軸承試驗電主軸的電流為鋼滾子軸承的92.7%。這是由于陶瓷滾子的密度較低、導熱系數小和陶瓷滾子與鋼滾道的摩擦因數小等，所以陶瓷滾子離心力小，軸承摩擦發熱少、溫升較低。

圖6 試驗后陶瓷滾子軸承零件外觀形貌

4 結論

1)當主軸驅動功率足夠大時，鋼滾子NU208軸承的試驗轉速可達51 000 r/min，陶瓷滾子NU208軸承的試驗轉速比62 500 r/min還要高，dm·n值可達2.5×106mm·r/min以上。

2)當軸承外圈溫升為45 ℃時，陶瓷滾子軸承試驗轉速為鋼滾子軸承的1.2倍，且陶瓷滾子軸承試驗電主軸的電流為鋼滾子軸承的92.7%，表明混合陶瓷滾子軸承的高速性能優于全鋼滾子軸承。

3)當軸承試驗轉速為51 000 r/min時，陶瓷滾子軸承驅動電主軸電流僅為鋼滾子軸承的70.8%，且陶瓷滾子軸承外圈溫升為鋼滾子軸承的42.2%，表明陶瓷滾子軸承功率消耗更小。