袁玉同,李紅濤,李鴻亮
(1.河南能源化工集團 裝備制造事業(yè)部,鄭州 450046;2.空軍駐洛陽地區(qū)代表室,河南 洛陽 471000;3.洛陽軸研科技股份有限公司,河南 洛陽 471039)
隨著航空、航天工業(yè)的高速發(fā)展,各類主機性能要求越來越高,軸承在高速運轉(zhuǎn)中可能會遇到貧油或斷油等工況,其性能和可靠性受到嚴峻考驗。為了改善軸承高速時的抗斷油能力,避免因軸承抱死而造成的嚴重事故,對氮化硅陶瓷材料滾動體開展了相關(guān)研究,這是由于氮化硅陶瓷密度較低,高溫力學(xué)性能優(yōu)良,高溫(1 300 ℃)化學(xué)穩(wěn)定性。目前,氮化硅陶瓷球軸承已批量應(yīng)用于高速機床、燃氣輪機、渦輪增壓器等高速結(jié)構(gòu)中,而氮化硅陶瓷滾子比球的加工工藝復(fù)雜,故混合陶瓷滾子軸承的性能仍在試驗研究中[1]。
現(xiàn)分別對混合陶瓷滾子軸承和全鋼滾子軸承進行斷油試驗,對比2種軸承的抗斷油能力。
試驗軸承型號為NU208,其主要參數(shù)見表1。套圈材料為8Cr4Mo4V,保持架材料為鋁青銅,滾子材料分別為8Cr4Mo4V和氮化硅,2種材料的特性見表2。
表1 NU208軸承主要參數(shù)
表2 2種材料特性
試驗設(shè)備為簡支梁高溫高速試驗機,其軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1—軸向加載;2,5—支承軸承;3—試驗軸承;4—徑向加載;6—噴油嘴
試驗軸承安裝于軸系中間,2支點端為支承軸承;電主軸通過柔性聯(lián)軸器與試驗主軸相連拖動軸系高速旋轉(zhuǎn);徑向載荷由徑向加載活塞通過加載套直接施加于試驗軸承外圈上;在試驗軸承兩側(cè)有2只噴油嘴進行高溫噴油潤滑,支承軸承通過中間2只噴油嘴旁路孔噴油潤滑。
隨機選取混合陶瓷軸承和全鋼軸承各1套進行斷油試驗,采用長城牌4010合成航空潤滑油進行潤滑。每套軸承斷油試驗前跑合30 min,跑合試驗參數(shù)見表3。斷油試驗參數(shù)見表4。工況1下油泵運轉(zhuǎn)參數(shù)見表5。其他工況下斷油時油泵運轉(zhuǎn)參數(shù)與此類似,僅供油泵停止的時間隨工況變化。
表3 跑合試驗參數(shù)
表4 斷油試驗方案
表5 工況1下油泵運轉(zhuǎn)參數(shù)
軸承斷油試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)見表6。由表可知,在工況1和工況2下,2種軸承均通過3次30 s的斷油試驗;在工況3下,全鋼軸承通過2次40 s斷油試驗,第3次斷油14 s時,軸承卡死,報警停機,而混合軸承順利通過斷油試驗;在工況4下,混合陶瓷軸承斷油45 s時,主機電流增大至33 A報警停機。由此可知,混合軸承的抗斷油能力優(yōu)于全鋼軸承。
表6 斷油試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)
斷油試驗后2種軸承形貌如圖2所示。由圖可知,全鋼軸承卡死,套圈和保持架表面均有炭黑色附著物(圖2a);混合陶瓷軸承轉(zhuǎn)動靈活,內(nèi)、外圈滾道受力區(qū)有輕微磨損劃傷,保持架表面有炭黑色附著物(圖2b)。這是因為陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)較低,故混合陶瓷軸承斷油時不會因溫度急劇升高而卡死。
(a)全鋼軸承
軸承斷油試驗時軸承外圈溫度曲線如圖3所示。由圖可知,在2種軸承均順利通過的斷油試驗(工況1~工況3)中,混合陶瓷軸承外圈溫升遠小于全鋼軸承,不足其1/4,說明其摩擦發(fā)熱少,這主要是因為陶瓷材料密度小,對外圈的作用力小;此外,陶瓷材料摩擦因數(shù)較小,各零件間的滑動或滾動摩擦少。
圖3 不同工況下軸承外圈溫度
軸承斷油試驗時監(jiān)測的主機電流曲線如圖4所示。由圖可知,在2種軸承均順利通過的斷油試驗中,混合陶瓷軸承試驗時的主機電流較全鋼軸承小,且波動小,其功率消耗小,說明軸承發(fā)熱少,與外圈溫升結(jié)果一致,證明其抗斷油能力優(yōu)于全鋼軸承。
圖4 不同工況下主機電流
通過斷油試驗對比了2種軸承在不同工況下的抗斷油能力,結(jié)果可知:在轉(zhuǎn)速42 000 r/min、徑向載荷4 000 N的工況下,全鋼軸承僅通過2次40 s斷油試驗,第3次斷油14 s時卡死報警停機,而混合陶瓷軸承通過斷油試驗,且在轉(zhuǎn)速升高至45 000 r/min時仍可斷油45 s;試驗后全鋼軸承完全卡死,混合陶瓷轉(zhuǎn)動仍轉(zhuǎn)動靈活。由此證明混合陶瓷軸承的抗斷油能力明顯優(yōu)于全鋼軸承。