朱亮,李言,馬小華,姜國平,趙濤
(1.北方民族大學(xué) 化工學(xué)院,銀川 750021; 2.西安理工大學(xué) 機械與精密儀器工程學(xué)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(yīng)用領(lǐng)域擴展。然而重載工況必然引發(fā)軸承由于內(nèi)部摩擦發(fā)熱而產(chǎn)生溫升及熱載荷,溫升過高可導(dǎo)致“抱軸”、套圈嚴(yán)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(shè)計十分重要,尤其對參數(shù)優(yōu)化,方案改進(jìn),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(nèi)部的溫度場比較困難,因為軸承轉(zhuǎn)動時,內(nèi)、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(fù)雜[5]。
文中以QJ304四點接觸球軸承為例,在重載工況下進(jìn)行溫升試驗及測試。
溫升試驗是檢測軸承在一個完整壽命周期內(nèi)的溫升情況。軸承運轉(zhuǎn)時接觸應(yīng)力反復(fù)作用在溝道表面,可能導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋,如果繼續(xù)擴展,將產(chǎn)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(jìn)行溫升試驗,可以模擬軸承轉(zhuǎn)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(jìn)而獲得較為可靠的軸承疲勞壽命值。
在對軸承進(jìn)行疲勞壽命理論計算時,所采用的載荷和轉(zhuǎn)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(nèi)對軸承壽命的理論值和試驗值進(jìn)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(dāng)軸承溫度超過預(yù)設(shè)值時,試驗機自動報警停機。
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(jié)構(gòu),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(jīng)過低通濾波及信號放大后變成模擬信號,最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,由微機處理后進(jìn)行屏顯。
試驗機最高轉(zhuǎn)速36 000 r/min,最大徑向載荷40 kN,最大軸向載荷30 kN,可測內(nèi)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)。
試驗對象為QJ304四點接觸球軸承,其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1,各尺寸公差可由軸承相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計算獲得。
表1 QJ304軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
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(dāng)量動載荷P為基本額定動載荷C的72%,則QJ304軸承當(dāng)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(yīng)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(zhuǎn)速下進(jìn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速、溫度、載荷和油壓等進(jìn)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(zhuǎn)沖擊,試驗中采取逐步提升轉(zhuǎn)速的方式,在990 s時間內(nèi),轉(zhuǎn)速由靜止逐漸達(dá)到規(guī)定的300 r/min,直到試驗結(jié)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(jīng)過1 260 s 使徑向載荷達(dá)到3.2 kN,軸向載荷達(dá)到19.7 kN,之后保持恒定,直到試驗結(jié)束。
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(nèi)軸承內(nèi)部熱量將達(dá)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(guān)數(shù)據(jù)采集后,溫升最高的軸承在整個疲勞壽命周期內(nèi)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(rèn)為這與其直接承受試驗載荷以及與安裝位置有關(guān);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(dān),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(guān)。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(guān)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(zhuǎn),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(dāng)運行到162 h時,溫度再次上升,達(dá)到49.1 ℃,說明軸承此時已經(jīng)開始產(chǎn)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(zhuǎn)了172 h,停機時軸承溫度為52.5 ℃。試驗結(jié)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(yīng)用的范圍內(nèi)。
溫升監(jiān)測法對疲勞失效進(jìn)行監(jiān)測利用了軸承在運轉(zhuǎn)中溫度變化的特性,試驗結(jié)果與軸承溫升特性的理論分析結(jié)果比較吻合。