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(fā)軸承由于內部摩擦發(fā)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(shù)優(yōu)化，方案改進，性能改善，提高機械傳動系統(tǒng)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(tài)不同，并且二者之間的潤滑油分布狀態(tài)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(tài)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(xù)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(fā)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(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)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(shù)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(shù)

試驗對象為QJ304四點接觸球軸承，其主要結構參數(shù)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(shù)

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，F(xiàn)a取19.7 kN，在n=300 r/min恒定轉速下進行定載試驗，實驗室環(huán)境溫度為25.3 ℃，采用循環(huán)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(jiān)測和記錄，以作為軸承溫度場變化的依據(jù)。

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(guī)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(wěn)定，而一旦軸承發(fā)生疲勞損壞時，摩擦加劇，熱量增多，將出現(xiàn)軸承溫度驟升的情況。

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量大，以小時為單位對相關數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(xù)運轉，溫度有所下降，并保持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)，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(jiān)測法對疲勞失效進行監(jiān)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。