潤滑脂用高溫高速試驗臺

趙偉樺，柴靈芝，楊 嘯

（洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

潤滑脂用高溫高速試驗臺

趙偉樺，柴靈芝，楊 嘯

（洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

闡述了潤滑脂用高溫高速試驗臺的總體設計和試驗驗證。結果表明，該試驗臺綜合性能符合設計要求。試驗設備長時間運轉穩定可靠，可以為潤滑脂相關試驗提供穩定可靠的試驗數據。

潤滑脂；高溫；高速；試驗臺

1 前言

我國評價潤滑脂試驗方法較全，但大多數還停留在理化指標的程度。我國潤滑脂試驗方法標準共有46項，其中國家標準有9項，石油化工行業標準有37項[1]。文獻[2]提出了一種與德國制定的DIN 51821高溫重載潤滑脂壽命試驗標準類似的試驗方法，區別在于試驗溫度為低于潤滑脂滴點30℃。文獻[3]模擬標準化動車組時速385km/h時的牽引電機軸承實際轉速，進行了高速列車牽引電機軸承潤滑脂壽命試驗，通過對比試驗來確定軸承、潤滑脂的壽命能否達到高鐵的標準要求。

針對我國潤滑脂研發相對滯后，特別是高速鐵路潤滑脂目前全部依賴進口的情況下，文章設計了潤滑脂用高溫高速試驗臺，用于測試潤滑脂的相關性能試驗。

2 主要技術參數

（1）試驗軸承類型：圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、角接觸球軸承、深溝球軸承等；

（2）試驗軸承內徑：Φ8～Φ25 mm；

（3）試驗數量：2～4套；

（4）轉速：1 000～3 6000 r/min；

（5）最大徑向載荷：10kN，穩態誤差≤±1%FS；

（6）最大軸向載荷：5kN，穩態誤差≤±1%FS；

（7）加載溫度：室溫-200℃；

（8）測控方式：計算機自動控制、監測、記錄；

（9）測試參數：轉速、主機電流、溫度、主體振動等。

3 結構設計

試驗機由試驗主體部件、驅動系統、電加熱系統、液壓加載系統、冷卻系統、電氣控制及軟件系統等組成。被測試軸承及潤滑脂安裝于試驗主體內。工業計算機通過變頻器控制電主軸實現無極調速，電主軸通過聯軸器與試驗主體相連。液壓加載系統分為軸向加載和徑向加載，以放大器和比例閥的配合實現載荷的調整。電加熱系統由置于試驗軸承外襯套內的加熱棒模擬完成，試驗軸承外襯套位于試驗主體左右兩側。冷卻系統包括水冷卻和氣冷卻組件，水泵為電主軸提供冷卻水循環，氣泵為加載軸承提供冷卻氣循環。數據采集系統實時采集襯套加熱溫度、軸承溫度、電主軸參數等，反饋給工業計算機，實現閉環控制。電氣控制及軟件系統輔助實現試驗機與各電氣組件通訊、控制、數據的采集傳輸等，實現軸承溫度、加熱溫度、電主軸轉速、電主軸電流、主體振動等參數的實時記錄。試驗機工作原理如圖 1 所示。3.1 試驗主體

圖1 試驗臺工作原理

試驗主體結構是該試驗的核心部分，具體結構如圖 2 所示。主體結構采用簡支梁支撐方式，主要包括底座、電主軸、加熱組件、試驗軸承、加載軸承、徑向加載組件、氣冷卻組件、軸向加載組件等。電主軸采用ZYS-150SD15Z7.5脂潤滑型電主軸，可連續工作。

圖中序號3～8所示為試驗頭部分。該部分底座采用剖分式鑄件結構，便于拆裝。徑向加載和軸向加載組件為薄膜式油缸加載結構，薄膜在壓力油的作用下產生變形施加壓力。試驗軸承外襯套位于試驗主體兩側，每側裝有6個200W的電加熱棒，成環狀均勻分布構造出試驗所需環境溫度。采用溫控儀控制加熱溫度，PID參數調節，快速加熱至試驗溫度。加載軸承位于軸系中部。加載軸承外襯套由兩部分壓裝成中空結構，外接氣冷卻組件，以降低加載軸承溫度。

3.2 試驗主軸的校核

本次驗證試驗采用高速鐵路軸箱軸承用某型潤滑脂，試驗軸承為內徑20mm的圓錐滾子軸承4T-30204，軸向載荷67N，徑向載荷67N，轉速為5 000r/min。由于軸徑向載荷較小，所以只對試驗主軸一階臨界轉速進行校核，避免發生共振現象，而使軸遭到破壞[4]。本次驗證試驗按照一階臨界轉速ncr1剛性軸進行理論校核，公式如下[5]：■λ2■I ncr1≈9.52×104λ1d2■

圖2 試驗主體結構

■W0I3+3

1■

■I ∑Wia i

2b i

2+∑

0

■λ2■I■■（-12）■WI3+1■∑Wa2b2+∑Gc2（I +c）■■

■03■Iiiijj0j■■

■

0

■

式中：

λ1——外伸軸的系數，查表取 ；d——軸的直徑/mm；

W0——軸的重力/N，對實心鋼軸 ；I——為軸的全長/mm；

I0——支承間距離/mm，I0=80.5mm；

Wi——支撐間第i個圓盤重力/N；

ai，bi——支承間第i個圓盤至左及右支承間的距離/mm；

Gj——外伸端第j個圓盤重力/N;

Cj——外伸端第j個圓盤至支承間的距離/ mm。

由上式計算可得ncr1=42 784.5 r/min。按照剛性軸安全工作轉速低于一階臨界轉速時，取工作轉速n＜0.75 ncr1=32 088.4 r/min是合適的，可以明確得出此軸在32 088.4 r/min轉速以下工作是穩定可靠的。

3.3 液壓加載系統

試驗臺架采用液壓加載的方式對試驗軸承施加徑向和軸向載荷，液壓加載原理圖如圖3所示。液壓油經葉片泵、濾油器進入比例減壓閥，在油缸內形成壓力，當系統達到所需壓力值，保壓閥動作，實現保壓，系統葉片泵停止工作。當系統壓力低于預期值時，葉片泵工作，保壓閥動作，重新實現壓力的調整，節能環保，工作效率高。圖 3 中編號13處安裝有徑向和軸向壓力傳感器，實時反饋系統壓力值，實現閉環控制。

圖3 液壓加載原理

3.4 電主軸驅動系統

電主軸驅動系統由臺達VFD-B型變頻器、ZYS-150SD15Z7.5脂潤滑型電主軸、冷卻水系統和計算機閉環控制系統組成。計算機控制變頻器實現電主軸的無極調速，并通過轉速傳感器實現轉速的自動閉環控制。

3.5 電氣控制與軟件系統

電氣控制系統主要由工業控制計算機、ADLINK PCI數據采集板卡、信號調理電路、伺服驅動器、變頻器和傳感器等組成。工業控制計算機端測控系統軟件基于LabVIEW軟件編程完成，實時采集分析顯示保存數據。測控系統結構圖和試驗臺軟件操作界面如圖 4、圖 5 所示。

圖4 測控系統結構

圖5 試驗臺軟件操作界面

4 試驗驗證

在高速鐵路軸箱軸承用潤滑脂高溫高速試驗臺上，試驗采用圓錐滾子軸承30204，轉速5 000r/min，加熱溫度120℃，軸向載荷67N，徑向載荷67N，連續運轉。試驗填脂量控制在內部自由空間的15%～20%[6]，跑合時間為1h，待軸承溫度在每個階段穩定后再提高轉速。圖6～圖9為試驗從開機至試驗達到穩定狀態時，試驗機和試驗軸承相關參數的變化曲線圖。目前，試驗已累計完成3 857h的試驗任務。

5 結束語

文章介紹了高速鐵路軸箱軸承用潤滑脂高溫

圖6 轉速變化曲線

圖7 試驗軸承溫度變化曲線

圖8 主體振動變化曲線

高速試驗臺的設計，并通過具體試驗,驗證了該試驗設備的綜合性能可以達到設計要求。目前已完成3 857h的試驗任務，充分證明了該試驗臺的合理可靠。本試驗可以為我國高速鐵路軸箱軸承用潤滑脂的使用、維護和研制提供穩定可靠的試驗數據，為相關產品的國產化提供一定的理論基礎。

圖9 電主軸電流變化曲線

[1] 陳鵬. 高速鐵路軸承試驗臺特性研究[D]. 杭州：浙江大學,2014.

[2] 徐云根. 高溫潤滑脂軸承壽命試驗方法研究與系統開發[D].杭州：浙江工業大學,2012.

[3] 李宏業. 高速列車牽引電機軸承潤滑脂壽命的試驗方法與研究[D].北京：北京交通大學,2013.

[4] 邱宣懷.機械設計[M].北京：高度教育出版社,1997.

[5] 王文斌.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社,2004.

[6] 蔡素然,吳瑞琴.全國滾動軸承產品樣本[M]. 北京：機械工業出

版社,2012.

（編輯：王立新）

High temperature and high speed test bench for grease

Zhao Weihua, Chai Lingzhi, Yang Xiao
( Luoyang Bearing Science＆Technology Co., Ltd.,Luoyang 471039,China)

The overall design and experimental verif i cation of the high temperature and high speed test bench for grease are described. The results show that the comprehensive performance of the test bench meets the design requirements. The test equipment is stable and reliable for long periods of time and may provide stable and reliable test data for grease-related tests.

grease; high temperature; high speed; test bench

TH133.33

B

1672-4852（2017）01-0027-03

2016-12-22.

趙偉樺（1990-），男 ，助理工程師.