徐國耀 徐晉

摘 要：滾動軸承與潤滑脂廣泛應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域，是機(jī)械設(shè)備的重要組成部分。本文對滾動軸承壽命試驗(yàn)機(jī)和潤滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了介紹，指出兩類試驗(yàn)機(jī)具有相似的原理；同時在潤滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)上對某型號的潤滑脂進(jìn)行了壽命試驗(yàn)，定量描述了軸承運(yùn)行溫度對潤滑脂壽命的影響。

關(guān)鍵詞：滾動軸承；潤滑脂；壽命試驗(yàn)

中圖分類號： TH871.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）22-171-3

1 概述

滾動軸承普遍應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備，幾乎有旋轉(zhuǎn)的地方就配有軸承。隨著各行業(yè)對軸承的要求愈來愈高，研發(fā)高性能、長壽命軸承是今后的主要方向。近年來機(jī)械設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的穩(wěn)步提升，使得軸承傳統(tǒng)“四大件”對軸承性能的影響降到了最低，這也令潤滑脂在軸承中的地位變得愈來愈重要。從潤滑脂被稱之為“軸承第五大件”[1-2]，即可知道潤滑脂在軸承中具有舉足輕重的地位。此外，伴隨技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域?qū)L動軸承的性能要求逐漸增強(qiáng)，滾動軸承的多種特性開始顯現(xiàn)并得到研究。在滾動軸承的多種特性中，研究最多的便是軸承疲勞壽命，并已自主研發(fā)了多款滾動軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)，還建立了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

然而，軸承離不開潤滑，滾動軸承疲勞壽命理論是建立在軸承充分潤滑的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)研究得到的。當(dāng)潤滑條件受限制，則對軸承的疲勞壽命必然產(chǎn)生重大影響。近些年來對軸承的研究逐步從軸承疲勞壽命過渡到研究難度更高的軸承潤滑脂壽命。

軸承潤滑脂壽命，簡稱潤滑脂壽命，是指填充于軸承中的潤滑脂在一定工作溫度、轉(zhuǎn)速和載荷條件下保持自身結(jié)構(gòu)不被破壞和維持潤滑特性不發(fā)生變化的能力的持續(xù)時間[4]。填充于軸承中的潤滑脂受到工作溫度、軸承轉(zhuǎn)速及載荷等多方面條件的影響，其工作環(huán)境非常惡劣。因此，為研究潤滑脂在一定溫度、轉(zhuǎn)速和載荷等條件下的工作性能和使用壽命，滾動軸承潤滑脂壽命試驗(yàn)技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生了。

2 滾動軸承壽命試驗(yàn)技術(shù)

2.1 ZS型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)

早在20世紀(jì)初，我國的軸承工業(yè)一直沿用由前蘇聯(lián)研制的ZS型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸承壽命試驗(yàn)[5]。試驗(yàn)機(jī)采用單個試驗(yàn)頭，其試驗(yàn)軸承的安裝為封閉式，加載方式為手動加載。在改革開放之前，該試驗(yàn)機(jī)在我國的使用率較高。隨著工業(yè)技術(shù)與試驗(yàn)要求的提高，此類試驗(yàn)機(jī)的加載系統(tǒng)不穩(wěn)定、工作強(qiáng)度大、試驗(yàn)成本高，而且無自動控制系統(tǒng)，已無法滿足當(dāng)前高性能長壽命軸承的試驗(yàn)需求。

2.2 F&M5型滾動軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)

F&M5型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)技術(shù)最初是從美國引進(jìn)的，與ZS型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)不同的是，它采用兩套試驗(yàn)頭，試驗(yàn)軸承的安裝為開啟式，使得觀察方便且便于裝拆，其加載方式采用砝碼和減壓閥，具有連續(xù)補(bǔ)償功能，精度高。然而該設(shè)備體型大且成本高昂，其氣動高壓動力源的使用頻率為60Hz，不太適合中國國情。故該試驗(yàn)機(jī)的推廣具有一定的局限性。

2.3 ABLT系列滾動軸承壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)

ABLT（Accelerated Bearing Life Tester）系列滾動軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)是由杭州軸承試驗(yàn)研究中心在20世紀(jì)90年代始對國外先進(jìn)試驗(yàn)機(jī)技術(shù)持續(xù)吸收的基礎(chǔ)上進(jìn)行研制的新一代具有自動控制功能的滾動軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)。經(jīng)過20多年的技術(shù)持續(xù)消化和自主創(chuàng)新，已經(jīng)研制了ABLT系列（ABLT-1～ABLT-5）的試驗(yàn)機(jī)，可對內(nèi)徑從5mm到240mm范圍內(nèi)的絕大多數(shù)軸承進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)。表1列舉了該系列試驗(yàn)機(jī)的主要性能參數(shù)。相比于ZS型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)和F&M5型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)，ABLT系列軸承壽命試驗(yàn)機(jī)不但具有加載穩(wěn)定、操作方面、使用可靠等方面的優(yōu)點(diǎn)，而且在一定程度上采用了自動化控制技術(shù)，現(xiàn)已廣泛使用于各大企業(yè)及科學(xué)研究機(jī)構(gòu)，如瓦房店軸承集團(tuán)有限公司檢測試驗(yàn)中心、中國·摩士集團(tuán)寧波軸承研究院和浙江工業(yè)大學(xué)等

3 軸承潤滑脂壽命試驗(yàn)技術(shù)

軸承發(fā)生疲勞剝落前，有一個“潤滑壽命”的概念，即潤滑脂從開始運(yùn)行至潤滑脂發(fā)生失效的持續(xù)時間，對軸承潤滑脂進(jìn)行壽命試驗(yàn)就是測試出該階段的持續(xù)時間。

與軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)一樣，潤滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)也是在一定的溫度、轉(zhuǎn)速及載荷的作用下進(jìn)行試驗(yàn)的，兩類試驗(yàn)機(jī)具有相似的原理，圖1表示的是潤滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

1—電機(jī)；2—V帶；3—變速箱；4—聯(lián)軸器；5—扭矩傳感器；6—前支承；7—傳動軸；8—后支承；9—軸承箱；10—試驗(yàn)軸承；11—恒溫箱；12—軸向加載油缸；13—徑向加載油缸

圖1 潤滑脂軸承壽命試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

目前國內(nèi)外沿用的軸承潤滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)與圖1描述的類似，均是通過電動機(jī)帶動試驗(yàn)主軸，采用液壓方式加載或機(jī)械方式加載，不同的是有些試驗(yàn)機(jī)只有軸向載荷，而有些具備軸向和徑向載荷，不同試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)各異。

比如，瑞典SKF公司研制的SKF ROF軸承潤滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)，其運(yùn)行參數(shù)[7]：轉(zhuǎn)速5000～25000r/min；溫度范圍從室溫到230℃變化；徑向載荷50～900N，軸向載荷100～1100N；試驗(yàn)所用軸承為6202、6203、6204和608軸承。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)出現(xiàn)試驗(yàn)軸承溫度或電機(jī)電流超過設(shè)定值時，自動停機(jī)。所得試驗(yàn)結(jié)果用Weibest進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括按90%置信度計(jì)算出裝有待測潤滑脂的軸承的10%和50%失效概率的運(yùn)行時間。

此外，德國標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會根據(jù)高溫、重載的潤滑脂試驗(yàn)要求，制定了DIN 51821《潤滑劑的檢驗(yàn) 在FAG滾動軸承潤滑脂檢驗(yàn)設(shè)備FE9上檢驗(yàn) 潤滑脂檢驗(yàn)方法》試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并研制了與該試驗(yàn)方法配套的FE9滾動軸承潤滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)[4]。該試驗(yàn)機(jī)一次能試驗(yàn)5套軸承，在軸承連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)中，直到某套軸承因潤滑脂失效導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)摩擦力矩增大到至少為穩(wěn)定狀態(tài)的2倍時自動停機(jī)。

針對這些潤滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)，國際上相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)制定了相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，比如ASTM D3336、DIN 51821、SH/T0428等。因此，有了試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)機(jī)就可以進(jìn)行軸承潤滑脂壽命試驗(yàn)。

4 潤滑脂壽命試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究

有關(guān)潤滑脂壽命試驗(yàn)的研究顯示[8]，軸承試驗(yàn)中的潤滑脂失效可以通過快速增加溫度或扭矩來實(shí)現(xiàn)，即熱負(fù)荷與動力負(fù)荷，也就是通過改變溫度、轉(zhuǎn)速和載荷，對潤滑脂壽命進(jìn)行研究。本次實(shí)驗(yàn)主要研究的是溫度對潤滑脂壽命的影響。

4.1 試驗(yàn)參數(shù)及方法

試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：FE9軸承潤滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)和DIN 51821《潤滑劑的檢驗(yàn) 在FAG滾動軸承潤滑脂檢驗(yàn)設(shè)備FE9上檢驗(yàn) 潤滑脂檢驗(yàn)方法》試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)條件：Ⅰ組：試驗(yàn)溫度150℃、試驗(yàn)轉(zhuǎn)速6000rpm、載荷1500N；Ⅱ組：試驗(yàn)溫度170℃、試驗(yàn)轉(zhuǎn)速6000rpm、載荷1500N。

試驗(yàn)用潤滑脂：某型號潤滑脂A，其各項(xiàng)指標(biāo)如表2所示。

試驗(yàn)軸承：7206B型角接觸球軸承，其要求滿足DIN 51821試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 試驗(yàn)過程及步驟

①把軸承部分地浸入清洗溶劑中，清洗劑為90%石油醚和10%酒精，用鑷子轉(zhuǎn)動清洗，靜置15min。再用新的溶劑反復(fù)清洗，直至軸承清潔，完全沒有潤滑劑。

②將試驗(yàn)軸承放置于溫度100℃的電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中，靜置2～3min。

③取樣2ml潤滑脂樣品A，用刮刀將潤滑脂樣品均勻地裝填到軸承內(nèi)，潤滑脂不得超過軸承圈表面。

④把軸承裝入軸承套中，并用壓內(nèi)環(huán)的方式將其安裝到試驗(yàn)軸上，配準(zhǔn)軸向載荷，使得熱電偶和試驗(yàn)軸承外圈接觸上，并聯(lián)上蓋板。

⑤按順序開啟總電源、驅(qū)動電源與控制電源，啟動計(jì)算機(jī)，運(yùn)行“滾動軸承潤滑脂壽命試驗(yàn)系統(tǒng)”測試軟件，進(jìn)入界面。

⑥跑合。在設(shè)定25℃、1500r/min、1500N的條件下進(jìn)行2小時跑合試驗(yàn)，其目的是使?jié)櫥浞址植荚谳S承內(nèi)部。

⑦運(yùn)行。在設(shè)定的條件下運(yùn)行，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。

⑧實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

潤滑脂壽命滿足Weibull分布，可通過對數(shù)威布爾分布的位置參數(shù)和尺度參數(shù)的最佳線性無偏估計(jì)（BLUE，Best Linear Unbiased Estimation）簡便迅速地進(jìn)行壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理，從而獲得壽命特征的估計(jì)值[9]。表4列出了Ⅰ組和Ⅱ組的數(shù)據(jù)結(jié)果，表中分別給出了在兩組試驗(yàn)條件下得到的潤滑脂特征壽命、90%可靠度壽命L10、50%可靠度壽命L50以及平均壽命LM。

從表4可以分析得出，當(dāng)其它試驗(yàn)條件一致時，溫度越高，潤滑脂可靠性壽命值就越小。從Ⅰ組和Ⅱ組的比較可以得出，溫度增加20℃，L10降低了12.04%； L50降低了60.48%；平均壽命LM降低了69.68%。

根據(jù)表4得出的結(jié)果，可繪制出Ⅰ組和Ⅱ組相應(yīng)的可靠度函數(shù)，即可靠度函數(shù)R（L）隨著壽命值L的變化曲線圖，分別如圖2、圖3所示。

5 結(jié)論

本文對滾動軸承壽命試驗(yàn)技術(shù)和軸承潤滑脂壽命試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了簡單的介紹，指出這兩種試驗(yàn)技術(shù)具有一定的共性。同時在軸承潤滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)上，針對某型號的潤滑脂進(jìn)行了壽命試驗(yàn)，主要考察了溫度對潤滑脂壽命的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)溫度從150℃上升至170℃，90%可靠度壽命L10的減小量不大，但50%可靠度壽命L50和平均壽命LM顯著降低，逾六成之多。

此外，溫度只是影響潤滑脂壽命眾多因素中的一個，若要詳細(xì)研究潤滑脂壽命的影響因素，還須分別對這些因素進(jìn)行研究，而且各種因素可能存在交互影響，因此對潤滑脂壽命試驗(yàn)的研究還有很長的路要走。

參 考 文 獻(xiàn)

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