角接觸球軸承的溫升及潤滑脂性能試驗

信召順，劉曉玲，楊玉冰

(青島理工大學 機械工程學院，山東 青島 266520)

溫升是滾動軸承重要的性能參數，只有將溫升控制在合理的范圍內才能保證軸承長時間穩定運轉。潤滑脂不僅影響軸承工作溫度且直接影響軸承壽命，因此有必要研究軸承運轉后的溫升和潤滑脂性能的變化。文獻[1]應用紅外光譜分析和掃描電鏡等方法研究了脂潤滑球軸承的潤滑性能及潤滑脂的氧化程度；文獻[2]研究了基礎油對鋰基潤滑脂流變性能的影響；文獻[3]研究了靜態熱老化對鋰-鈣基潤滑脂微觀結構和流變性的影響；文獻[4]對鋰基潤滑脂的流變特性與工作性能進行相關性研究；文獻[5]對圓錐滾子軸承的油氣潤滑進行了試驗研究；文獻[6]對動車組軸箱軸承劣化潤滑脂進行了檢測與分析；文獻[7]采用化學分析、紅外光譜和掃描電鏡等方法對失效軸承及潤滑脂進行了研究；文獻[8]對機床主軸溫升的原因進行了分析。

現通過角接觸球軸承的溫升試驗，分析影響軸承溫升的各種因素，并取軸承內潤滑脂作為樣品，通過流變儀和紅外光譜分析，研究軸承工作過程中潤滑脂的表觀黏度和化學結構的變化程度。

1 試驗條件與方法

試驗在如圖1所示的高速滾動軸承試驗臺上進行，所用軸承為NSK 7008C/P5。以動壓潤滑高速電主軸為驅動源，內圈旋轉，轉速范圍為0～20 000 r/min；軸向預緊力由兩端對稱式加載系統施加，通過滾珠絲杠擠壓彈簧實現加載；采用pt100鉑電阻溫度傳感器測量外圈溫度。采用Centoplex 3潤滑脂，手工涂抹方式注脂[9]，注脂量為

圖1 高速滾動軸承試驗裝置

G=0.005DB，

(1)

式中：D為軸承外徑，mm；B為軸承寬度，mm。

每組試驗前軸承預跑10 min，試驗時間為90 min，每5 min記錄外圈溫度，試驗結束后取出潤滑脂，保存并記錄試驗條件。

為了研究軸承內潤滑脂工作一段時間后性能的變化，取軸承溫升試驗中的潤滑脂及軸承運轉5，10，67 h后的潤滑脂與新脂進行對比。

2 軸承溫升試驗結果

2.1 軸向預緊力對軸承溫升的影響

轉速9 000 r/min，室溫21 ℃，注脂量5.1 g，軸向預緊力分別為100，200，300，400，500 N時外圈溫度如圖2所示。由圖可知，當軸向預緊力較小時(100，200 N)，由于滑動發熱，外圈溫度隨運轉時間的增加而升高；軸向預緊力為300，400，500 N時，外圈溫度隨運轉時間的增加呈現先升高后降低的趨勢。這是因為軸承運轉初始階段雖然多余的潤滑脂被擠出，但溝道中剩余潤滑脂仍多于實際需求量，由于潤滑脂阻力，外圈溫度持續上升，而多余的潤滑脂隨著軸承的運轉逐漸被擠出。當多余潤滑脂被完全擠出后，剩余潤滑脂在球、溝道、保持架接觸面上形成潤滑膜，軸承進入正常運轉階段，這時外圈溫度逐漸下降并達到平衡狀態。

圖2 軸向預緊力對外圈溫度的影響

根據圖2計算出軸承運轉90 min時不同軸向預緊力下的軸承溫升如圖3所示。由圖可知:當軸向預緊力較小時特別是200 N,由于滑動發熱，溫升增大；隨著軸向預緊力的增大，溫升逐漸減小；當軸向預緊力大于400 N時，溫升出現了上升趨勢，這是由于球與套圈的摩擦加劇導致發熱增加。可見，在一定工況下，軸承存在最佳軸向預緊力，此時軸承溫升較低。

圖3 軸向預緊力對軸承溫升的影響(t=90 min)

2.2 轉速對軸承溫升的影響

室溫21 ℃，注脂量5.1 g，軸向預緊力200 N，轉速分別為3 000，6 000，9 000 r/min時外圈溫度如圖4所示。由圖可知，在一定軸向預緊力作用下，外圈溫度隨運轉時間的增加而逐漸升高，但升高速率逐漸降低，表明軸承運轉趨于穩定，且在一定軸向預緊力作用下，轉速越高，軸承溫升越高。

圖4 轉速對外圈溫度的影響

2.3 室溫對軸承溫升的影響

轉速6 000 r/min，注脂量5.1 g，軸向預緊力100 N，運轉時間90 min，室溫分別為15，18，21，24 ℃的軸承溫升如圖5所示。由圖可知，隨著室溫的增加，軸承溫升逐漸升高。

圖5 室溫對軸承溫升的影響

3 潤滑脂性能測試試驗

潤滑脂的流變特性測試采用奧地利安東帕MCR 302流變儀。測試過程中采用變剪切速率方式，測試采用平板模塊，測試間距為0.5 mm，剪切速率為0.01～3 000 s-1，溫度設為20 ℃。

潤滑脂紅外光譜測試采用德國布魯克TENSOR 27光譜儀，掃描次數16次，波數600～4 000 cm-1。

3.1 轉速對潤滑脂性能的影響

軸向預緊力100 N，注脂量5.1 g，室溫21 ℃，轉速分別為3 000，6 000，9 000 r/min，運轉10 h后取內部潤滑脂作為樣品進行測試。

圖6 不同轉速下潤滑脂表觀黏度隨剪切速率的變化

潤滑脂的紅外光譜圖如圖7所示。由圖可知，脂的光譜圖均顯示多個特征峰，其分別對應的特征官能團和化學鍵見表1。表1中基團是潤滑脂固有的化學結構，脂在1 710～1 760 cm-1之間并沒有出現新的特征峰[10]，說明脂在這種工況下并沒有出現氧化產物，其他特征峰也沒有發生明顯的變化，因此，脂在此工況下的化學結構并沒有發生改變，未出現老化現象。

圖7 不同轉速下潤滑脂的紅外光譜

表1 潤滑脂紅外光譜中的特征峰以及所對應的官能團和化學鍵

3.2 短時間運轉對潤滑脂性能的影響

軸向預緊力100 N，注脂量5.1 g，室溫21 ℃，轉速9 000 r/min。分別運轉5，10 h，取內部的潤滑脂作為樣品進行測試。

軸承運轉不同時間的潤滑脂黏剪曲線如圖8所示。由圖可知,脂的表觀黏度明顯低于同剪切速率下的新脂，且隨運轉時間的增加，表觀黏度逐漸降低，說明運轉時間越長，潤滑脂的皂纖維結構變化越明顯。隨著剪切速率的持續增加，2種脂的黏剪曲線逐漸重合，10 h潤滑脂的表觀黏度略大于5 h的，都大于新脂。

圖8 不同運轉時間下潤滑脂的表觀黏度隨剪切速率的變化

軸承運轉不同時間的潤滑脂的剪切應力隨剪切速率的變化規律如圖9所示。由圖可知，剪切應力總體上隨剪切速率的增加而增加，在一定剪切速率下剪切應力出現一個平臺區域，即潤滑脂出現剪切屈服現象，之后剪切應力開始明顯增大，說明潤滑脂出現了剪切變稀的現象[11]。當剪切速率較小時，脂的剪切應力隨軸承運轉時間的增加而下降，所對應的屈服應力也下降;當剪切速率過大時，10 h脂的剪切應力反而大于5 h的。

圖9 潤滑脂剪切應力隨剪切速率的變化

3.3 軸向預緊力對潤滑脂性能的影響

轉速9 000 r/min，注脂量5.1 g，室溫21 ℃，軸向預緊力分別為100，200，300，400，500 N，運轉90 min，然后取內部的潤滑脂作為樣品進行測試。

不同軸向預緊力下潤滑脂的黏剪曲線如圖10所示。由圖可知，在不同軸向預緊力作用下潤滑脂的表觀黏度已經開始發生變化，當剪切速率較小時脂的表觀黏度差別較小，而隨著剪切速率的持續增大，其差別逐漸明顯。

圖10 不同軸向預緊力下潤滑脂的表觀黏度隨剪切速率的變化

為了更明顯觀察軸向預緊力對脂的表觀黏度的影響，給出剪切速率分別為1，1 000 s-1時脂的表觀黏度如圖11所示。由圖可知，200，300 N工況下脂的表觀黏度隨剪切速率的變化不大，而其他工況下脂的表觀黏度變化明顯，結合圖3可以發現，100，400 N工況下軸承溫升較低，脂的表觀黏度較高，500 N軸承溫升開始升高，脂的表觀黏度減小，即總體上脂的表觀黏度隨軸承溫升的升高而減小，說明軸向預緊力對潤滑脂性能的影響，本質是軸承溫升的影響。

圖11 潤滑脂表觀黏度隨軸向預緊力的變化

脂的紅外光譜圖如圖12所示。由圖可知，各脂的特征峰與新脂幾乎沒有差別，也沒有產生新的特征峰，說明在此工況下，潤滑脂的化學結構并沒有發生明顯變化。

圖12 不同軸向預緊力下潤滑脂的紅外光譜

3.4 長時間運轉對潤滑脂性能影響

考慮到短時間內潤滑脂的性質難以變化，因此取相同型號軸承，注脂量5.1 g，在進行其他測溫試驗的同時讓軸承累計運轉67 h，然后取潤滑脂作為樣品進行測試，由于樣品脂較少，只進行了紅外光譜測試。

潤滑脂的紅外光譜分析圖如圖13所示。由圖可知，脂并沒有出現新的特征峰，并且其他特征峰與新脂沒有明顯差別，說明潤滑脂的化學結構并沒有發生明顯變化。

圖13 運轉67 h后潤滑脂的紅外光譜

樣品脂與新脂的外觀對比如圖14所示，由圖可知，樣品脂顏色明顯變深，結合光譜圖可以推斷，樣品脂顏色的變化歸因于潤滑脂的分油。樣品脂在工作后，顏色較深的基礎油即礦物油從皂纖維中分散出來，無法再次被吸收到皂纖維結構內，從而造成樣品脂的顏色變深。

圖14 潤滑脂實物圖

4 結論

1)軸承在一定轉速下存在最佳軸向預緊力，此工況下軸承溫升最低，并且軸承溫度先上升后下降最后達到穩定狀態。軸承溫升隨轉速、室溫增加而升高。

2)隨著轉速的增加，潤滑脂的皂纖維結構變化程度增加，表觀黏度逐漸降低；隨軸承運轉時間的增加，潤滑脂分油增加，顏色逐漸加深，屈服應力降低。

3)短時間內潤滑脂在高速、大軸向預緊力工況下，其化學結構未發生明顯變化。