焦一航，栗心明，劉牧原，郭峰

(青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266520)

隨著制造業(yè)對(duì)表面質(zhì)量和加工效率要求的提高，高速電主軸成為滿足這一要求的關(guān)鍵，而主軸轉(zhuǎn)速提高的關(guān)鍵在于其軸承轉(zhuǎn)速的提高[1]，因此，對(duì)主軸軸承的潤(rùn)滑方式提出了新要求。油氣潤(rùn)滑技術(shù)是繼油霧潤(rùn)滑之后發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的潤(rùn)滑技術(shù)[2-3]，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、微量、均勻的供油，可有效地降低軸承發(fā)熱。

針對(duì)油氣潤(rùn)滑在主軸軸承中的應(yīng)用，文獻(xiàn)[4]研究了油氣進(jìn)口位置變化、進(jìn)氣量大小以及在不同載荷下供油量變化對(duì)油氣潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承外圈溫度的影響；文獻(xiàn)[5]研究了不同載荷下軸承的溫升，結(jié)果表明,不同工況時(shí)最佳供油量不同，適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力有助于降低軸承溫升以及壓縮空氣的流速對(duì)軸承摩擦力矩有顯著的影響；文獻(xiàn)[6]研究了不同工況與軸承所需油氣潤(rùn)滑供油量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在不同工況下都存在最佳的供油量；文獻(xiàn)[7-8]研究了軸承在不同油氣潤(rùn)滑參數(shù)下的溫升，并利用ANSYS軟件對(duì)在不同工況下試驗(yàn)軸承的溫升進(jìn)行了仿真。這些研究有助于改善油氣潤(rùn)滑在主軸軸承中的應(yīng)用，但缺少在相同工況和油氣潤(rùn)滑參數(shù)下同時(shí)對(duì)主軸前后軸承室內(nèi)軸承潤(rùn)滑性能的研究，其ANSYS仿真也缺乏對(duì)軸承室內(nèi)整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域氣流速度分布和油滴分布的仿真。

文中基于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的YQR170電主軸進(jìn)行了潤(rùn)滑性能測(cè)試與理論分析，將電主軸前后軸承室單獨(dú)加工，并分別安裝于高速軸承試驗(yàn)臺(tái)兩側(cè)，根據(jù)實(shí)際工況改變預(yù)緊力、油氣潤(rùn)滑參數(shù)及轉(zhuǎn)速，得到滿足前后軸承溫升的最佳供油量，并對(duì)軸承室的整個(gè)流場(chǎng)使用ANSYS Fluent仿真計(jì)算，得到軸承室內(nèi)流場(chǎng)區(qū)域的油滴分布和空氣流速分布。

1 油氣潤(rùn)滑軸承單元試驗(yàn)系統(tǒng)

油氣潤(rùn)滑軸承單元試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。高速軸承試驗(yàn)臺(tái)由動(dòng)壓潤(rùn)滑的高速電主軸驅(qū)動(dòng)，最高轉(zhuǎn)速為20 000 r/min。電主軸右側(cè)安裝7010C軸承單元，左側(cè)安裝7008C軸承單元，該試驗(yàn)使用軸向加載系統(tǒng)對(duì)2套軸承單元同時(shí)進(jìn)行加載，通過(guò)工控機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)0～4 900 N可調(diào)加載。采用pt100鉑電阻溫度傳感器測(cè)量軸承外圈溫度，其測(cè)溫范圍為-200～500 ℃。

圖1 油氣潤(rùn)滑軸承單元試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Test system of oil-air lubrication bearing unit

試驗(yàn)采用長(zhǎng)城32#機(jī)械油，油氣潤(rùn)滑泵為定量泵，單次供油0.1 mL，通過(guò)調(diào)整油泵的供油間隔，實(shí)現(xiàn)軸承供油量的調(diào)整。

軸承單元是根據(jù)YQR170電主軸前后軸承室內(nèi)部結(jié)構(gòu)加工而成。軸承安裝在芯軸上，外圈與套筒間隙配合，套筒固定不動(dòng)，通過(guò)芯軸實(shí)現(xiàn)與高速軸承試驗(yàn)臺(tái)連接，并通過(guò)加載端蓋傳遞軸向力實(shí)現(xiàn)加載。油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)通過(guò)油氣進(jìn)口對(duì)內(nèi)圈進(jìn)行噴油。將軸承從右往左排列序號(hào)：7010C-1，7010C-2，7008C-3和7008C-4，以方便記錄數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 軸承單元Fig.2 Bearing unit

2 軸承單元供油參數(shù)試驗(yàn)

主要研究轉(zhuǎn)速、預(yù)緊力和油氣潤(rùn)滑參數(shù)對(duì)軸承溫升的影響，根據(jù)實(shí)際工況制定了試驗(yàn)方案，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)不考慮供氣壓力的變化，首先設(shè)定轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速不變的情況下改變軸承預(yù)緊力，然后固定軸承預(yù)緊力,改變每個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)(4套軸承處)的供油量。轉(zhuǎn)速取值6 000，9 000，12 000 r/min，預(yù)緊力取值100，200，300，400 N，每個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)的供油量取值1，0.5，0.25，0.15，0.075，0.025 mL/h，在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中還將根據(jù)實(shí)際溫升調(diào)整供油量。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度保持在18 ℃，根據(jù)彈性流體潤(rùn)滑理論，具體試驗(yàn)操作過(guò)程如下：

1)將7008C和7010C軸承單元分別安裝于高速主軸試驗(yàn)臺(tái)兩側(cè)，保證軸向中心線的高度一致，固定軸承單元；

2)啟動(dòng)空壓機(jī)，設(shè)定供氣壓力0.25 MPa；

3)啟動(dòng)油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)，設(shè)置供油間隔時(shí)間。試驗(yàn)中潤(rùn)滑油泵每次供油0.1 mL，如果間隔時(shí)間為180 s，則每小時(shí)總共供油2 mL；

4)待供油穩(wěn)定后，啟動(dòng)主軸潤(rùn)滑油泵，開啟主軸冷卻水，并將工控機(jī)打開，開啟LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

5)設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速和預(yù)緊力，啟動(dòng)主軸，記錄運(yùn)行30 min后軸承溫升數(shù)據(jù)；

6)試驗(yàn)結(jié)束，主軸停機(jī)并卸載，關(guān)閉主軸潤(rùn)滑油泵、冷卻水、油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)和空壓機(jī)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)7010C-1和7008C-4軸承的溫升進(jìn)行分析。

2.3.1 定壓預(yù)緊

預(yù)緊力分別為100，400 N時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下軸承溫升隨供油量的變化如圖3所示。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下軸承溫升隨供油量的變化Fig.3 Variation of temperature rise of bearing with oil supply amount under different rotational speeds

由圖3可知：1)在相同供油量下，溫升隨著轉(zhuǎn)速的增大而升高。根據(jù)Palmgren[9]的經(jīng)驗(yàn)公式，發(fā)熱量是由轉(zhuǎn)速與摩擦力矩相乘獲得，同時(shí)摩擦力矩又是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，即發(fā)熱量與轉(zhuǎn)速是高階函數(shù)的關(guān)系；2)在同一轉(zhuǎn)速和載荷條件下，隨著供油量的減少，溫升先降低后升高，即存在一個(gè)最佳供油量，多于這個(gè)供油量時(shí)，大量的潤(rùn)滑油產(chǎn)生的攪油阻力使軸承溫度升高；少于這個(gè)供油量，軸承內(nèi)球與溝道之間出現(xiàn)乏油現(xiàn)象，軸承處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)下，溫升隨之升高；3)當(dāng)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí)，軸承7010C和7008C的最佳供油量一致，溫升變化緩慢。隨著轉(zhuǎn)速的增大，軸承最佳供油量減小，且7008C-4軸承的最佳供油量要小于7010C-1軸承的最佳供油量。

2.3.2 恒定轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速分別為6 000，9 000和12 000 r/min時(shí)，7010C-1和7008C-4軸承在不同預(yù)緊力下溫升隨供油量的變化如圖4所示。由圖可知，對(duì)于7008C-4，在相同供油量下，溫升隨預(yù)緊力增大而升高，這是由于隨著預(yù)緊力的增大，球與溝道間的接觸表面壓力增大,導(dǎo)致摩擦發(fā)熱加劇，從而產(chǎn)生更多熱量。但7010C-1軸承在轉(zhuǎn)速12 000 r/min時(shí)的溫升隨預(yù)緊力的增大而降低，這主要是因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)速下離心力增大，較小的軸向載荷無(wú)法抑制球的打滑，從而引起發(fā)熱加劇。

圖4 不同預(yù)緊力下軸承溫升隨供油量的變化Fig.4 Variation of temperature rise of bearing with oil supply amount under different pretightening forces

3 ANSYS Fluent仿真分析

在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，靠近加載端的7010C-1和7008C-4溫升比靠近主軸的7010C-2和7008C-3溫升高，如圖5所示。因軸承單元內(nèi)軸承、隔墊和加載端蓋的軸向端面都是緊密配合，以保證載荷的有效傳遞。針對(duì)此問(wèn)題，使用ANSYS Fluent有限元軟件對(duì)軸承單元內(nèi)部整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，以得到軸承室內(nèi)流場(chǎng)區(qū)域的氣流流速分布和油滴的分布，分析同型號(hào)軸承溫升產(chǎn)生差異的原因。

圖5 供油量對(duì)軸承溫升的影響(100 N，9 000 r/min)Fig.5 Influence of oil supply amount on temperature rise of bearing

3.1 流場(chǎng)模型建立

根據(jù)軸承室內(nèi)部流場(chǎng)區(qū)域建立了1∶1的流場(chǎng)仿真模型，如圖6所示，并根據(jù)實(shí)際工況對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行了設(shè)置。

根據(jù)油氣兩相流的基本原理分別設(shè)置了壓縮空氣速度入口和潤(rùn)滑油速度入口(圖6)，球與流場(chǎng)壁面的間距設(shè)為0.1 mm。對(duì)整個(gè)流場(chǎng)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并根據(jù)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)局部進(jìn)行網(wǎng)格加密。

圖6 流場(chǎng)模型示意圖Fig.6 Diagram of flow field model

3.2 Fluent參數(shù)設(shè)置

1)為了能夠清晰的獲得油氣兩相交界面，采用VOF模型，并打開表面張力模型；

2)選擇RNGκ-ε湍流模型，該模型比標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型具有更高的可信度和精度，近壁面選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面功能(Standard Wall Functions)；

3)邊界條件設(shè)置：壓縮空氣采用速度入口(Velocity Inlet)，速度為20 m/s，初始表壓0.25 MPa，進(jìn)氣體積分?jǐn)?shù)為1；潤(rùn)滑油也采用速度入口(Velocity Inlet)，速度為0.1 m/s，進(jìn)油體積分?jǐn)?shù)為1。該流場(chǎng)最左端設(shè)置為壓力出口(Pressure Outlet)，其余邊界設(shè)置為壁面(Wall)；

4)求解采用基于壓力速度耦合的二階精度SIMPLE算法。

3.3 仿真結(jié)果及分析

軸承單元內(nèi)部流場(chǎng)絕對(duì)壓力分布如圖7所示，可以看出壓力分布主要有高、中、低3個(gè)壓力梯次，對(duì)流場(chǎng)區(qū)的氣流分布造成了影響，這就形成了如圖8所示的氣流速度分布。由圖8可知，靠近加載端的球周圍的氣流速度要比靠近出口處球周圍的速度低的多。而油氣潤(rùn)滑中的液體相是在氣體帶動(dòng)下流動(dòng)的，壓力分布和氣流速度分布的不均將造成油滴流速和分布的不均，進(jìn)而形成如圖9所呈現(xiàn)的油滴分布差異。由圖9可知，近加載端的球周圍油滴分布的很少，球靠近加載端的一側(cè)有一定的積油；前者會(huì)造成球與套圈之間乏油，而后者會(huì)造成攪油溫度的升高，這2種油滴分布都會(huì)造成該軸承溫升升高。這就使得靠近加載端的軸承溫升要比靠近壓力出口端的軸承溫升要高。

圖7 壓力分布Fig.7 Pressure distribution

圖8 氣流速度分布Fig.8 Airflow velocity distribution

圖9 油滴分布Fig.9 Oil droplet distribution

4 結(jié)論

1)軸承的發(fā)熱量與供油量有密切聯(lián)系，供油量過(guò)大時(shí)，軸承內(nèi)攪油溫度增加，使得軸承溫升升高；供油量過(guò)小時(shí)，球與內(nèi)外圈溝道處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦生熱多，軸承溫升也將升高。

2)在相同供油量下，低速時(shí)軸承的溫升隨轉(zhuǎn)速、預(yù)緊力的增大而升高；高速時(shí)需要考慮離心力對(duì)軸承溫升的影響。

3)在電主軸實(shí)際安裝過(guò)程中，根據(jù)不同的軸承型號(hào)，合理選擇軸承的預(yù)緊力對(duì)降低軸承溫升至關(guān)重要。

4)軸承單元內(nèi)，靠近加載端的軸承溫升比靠近壓力出口端的軸承溫升高。