定速重載工況四點接觸球軸承溫升測試

朱亮，李言，馬小華，姜國平，趙濤

(1.北方民族大學 化工學院，銀川 750021； 2.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048)

四點接觸球軸承作為機械傳動及支承的重要零部件，可以同時承受軸向和徑向載荷[1-2]，其正朝著重載應用領域擴展。然而重載工況必然引發軸承由于內部摩擦發熱而產生溫升及熱載荷，溫升過高可導致“抱軸”、套圈嚴重磨損以及保持架熔化等故障，使軸承提前失效，對主機傳動效率和軸承的溫升特性對機械傳動設計十分重要，尤其對參數優化，方案改進，性能改善，提高機械傳動系統可靠性具有重要意義。

精確描述軸承內部的溫度場比較困難，因為軸承轉動時，內、外溝道與鋼球的接觸狀態不同，并且二者之間的潤滑油分布狀態不明確，這將影響到軸承的傳熱效果；鋼球接觸或脫離接觸時，其傳熱狀態也不相同，因此軸承傳熱計算非常復雜[5]。

文中以QJ304四點接觸球軸承為例，在重載工況下進行溫升試驗及測試。

1 試驗

溫升試驗是檢測軸承在一個完整壽命周期內的溫升情況。軸承運轉時接觸應力反復作用在溝道表面，可能導致產生裂紋，如果繼續擴展，將產生接觸疲勞剝落，軸承溫度將驟升，此時通過檢測溫升信號就可以判斷軸承是否發生損壞[6]。

通常采用試驗機對軸承進行溫升試驗，可以模擬軸承轉速、溫度、載荷及潤滑等工況條件，根據需要測出軸承溫升情況，進而獲得較為可靠的軸承疲勞壽命值。

在對軸承進行疲勞壽命理論計算時，所采用的載荷和轉速均為定值，所以試驗時采用定速定載荷試驗，以便在時域內對軸承壽命的理論值和試驗值進行比較。

試驗機由計算機控制，自動采集和保存試驗數據，試驗中當軸承溫度超過預設值時，試驗機自動報警停機。

1.1 試驗裝置

試驗裝置為SM10-40軸承試驗機，由試驗主機、測試、電控及計算機部分等組成。該試驗機為簡支梁結構，加載方式為液壓加載，液壓油分別沿軸承徑向及軸向2個方向單獨供油，可同時對4套球軸承加載。

用DS18B20H數字溫度傳感器采集信號，將測得的非電信號變換成電信號，再經過低通濾波及信號放大后變成模擬信號，最后經A/D轉換成數字信號，由微機處理后進行屏顯。

試驗機最高轉速36 000 r/min，最大徑向載荷40 kN，最大軸向載荷30 kN，可測內徑范圍10～40 mm的球軸承，溫度范圍為常溫～150 ℃，振動測試小于1.1g(g為重力加速度)。

1.2 試驗對象及相關參數

試驗對象為QJ304四點接觸球軸承，其主要結構參數見表1，各尺寸公差可由軸承相關標準計算獲得。

表1 QJ304軸承主要結構參數

1.3 試驗

為了測試軸承在低速、重載工況下的溫度變化情況，試驗時取當量動載荷P為基本額定動載荷C的72%，則QJ304軸承當量動載荷P=23.04 kN，此時軸承不僅承受徑向載荷Fr，而且同時承受較大的軸向載荷Fa。試驗中徑向載荷可以取較小值，軸向載荷則應取較大值。本例中Fr取3.2 kN，Fa取19.7 kN，在n=300 r/min恒定轉速下進行定載試驗，實驗室環境溫度為25.3 ℃，采用循環油潤滑可有效降低軸承溫升。軸承試驗頭結構如圖1所示。

1—測溫點；2—3#支承軸承；3—加載軸承測溫測振點；4—4#支承軸承；5—1#，2#被測軸承

測試過程中，隨時對轉速、溫度、載荷和油壓等進行監測和記錄，以作為軸承溫度場變化的依據。

為減小QJ304軸承運轉沖擊，試驗中采取逐步提升轉速的方式，在990 s時間內，轉速由靜止逐漸達到規定的300 r/min，直到試驗結束。同時為了確保試驗軸承受力均勻，亦采用逐步加載的方式，由零載荷起經過1 260 s 使徑向載荷達到3.2 kN，軸向載荷達到19.7 kN，之后保持恒定，直到試驗結束。

2 軸承溫升特性

隨著試驗機開啟運行，因摩擦生熱使軸承溫度從室溫開始逐步上升，隨后一段時間內軸承內部熱量將達到平衡，并保持相對穩定，而一旦軸承發生疲勞損壞時，摩擦加劇，熱量增多，將出現軸承溫度驟升的情況。

數據采集為每秒鐘記錄一次，由計算機自動完成4套軸承的溫度記錄，由于數據量大，以小時為單位對相關數據采集后，溫升最高的軸承在整個疲勞壽命周期內的溫度變化情況如圖2所示。

圖2 2#軸承溫度隨時間變化情況

在4套軸承溫升的記錄中，發現溫升最高的是2#軸承，分析認為這與其直接承受試驗載荷以及與安裝位置有關；3#與4#軸承在試驗過程中主要起支承作用；所施加的試驗載荷包括徑向力和軸向力，主要由1#和2#軸承承擔，在其他條件都相同時，軸承溫升更高；而與2#軸承相鄰的1#軸承溫度變化曲線與其類似，只是最高溫度略低2.4 ℃，造成溫差的原因主要與冷卻油噴射的角度與供油壓力有關。3#與4#軸承溫升情況與1#和2#軸承類似，但是溫升更低，對軸承疲勞壽命的影響相對較小,相關數據在此省略。由圖2可以看出，試驗至13 h時，2#軸承溫度從初始的25.3 ℃上升到第一個峰值50.6 ℃，隨著軸承繼續運轉，溫度有所下降，并保持在比較穩定的狀態，大約48 ℃左右；當運行到162 h時，溫度再次上升，達到49.1 ℃，說明軸承此時已經開始產生疲勞，直至軸承振動超過1.1 g后，試驗機自動停機，此時QJ304軸承共運轉了172 h，停機時軸承溫度為52.5 ℃。試驗結果與軸承溫升特性說明相符。而軸承的疲勞壽命試驗值162 h與理論值的相對誤差約為8%，在工程應用的范圍內。

3 結束語

溫升監測法對疲勞失效進行監測利用了軸承在運轉中溫度變化的特性，試驗結果與軸承溫升特性的理論分析結果比較吻合。