張海鵬，趙俊宏，申志新，谷運(yùn)龍，孟鴻超

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

軸承的安裝配合、游隙、潤滑方式、工況等影響軸承的溫升與溫度分布狀態(tài)，軸承的溫度分布狀態(tài)與其承載區(qū)域和潤滑油流體邊界等有關(guān)。因此，了解軸承溫度分布狀態(tài)有利于合理設(shè)計(jì)和正確使用軸承，提高其性能和壽命，也可以為軸承系統(tǒng)故障和失效分析提供依據(jù)。目前，很多學(xué)者采用理論計(jì)算或軟件仿真對軸承溫度場進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[1]基于摩擦學(xué)和傳熱學(xué)理論，建立了滾動軸承穩(wěn)態(tài)溫度場分布；文獻(xiàn)[2]利用熱傳模型和熱流網(wǎng)絡(luò)原理分析了軸承溫度場分布；文獻(xiàn)[3]在對軸承傳熱進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件仿真得出在任意截面上，溫度按內(nèi)圈溝道與球接觸點(diǎn)、內(nèi)圈、球、外圈溝道與球接觸點(diǎn)、外圈、軸承座的順序依次降低；文獻(xiàn)[4]建立了考慮結(jié)合面接觸熱阻的角接觸球軸承熱傳遞的模型，對比了考慮接觸熱阻和不考慮接觸熱阻情況下角接觸球軸承溫度場的分布情況；文獻(xiàn)[5]運(yùn)用等效熱網(wǎng)格法和有限元法對軸承溫度場進(jìn)行分析。根據(jù)理論分析可知，軸承溫度場大致分布情況為：滾道中心溫度高于軸承端面，承載滾動體與滾道中心接觸應(yīng)力大，是發(fā)熱集中區(qū)，溫度高于非承載區(qū)?，F(xiàn)通過試驗(yàn)測量軸承溫度，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，并與理論溫度場分布進(jìn)行對比。

1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

以6208深溝球軸承為試驗(yàn)對象，軸承外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)。采用Pt100溫度傳感器測量軸承溫度，其精度高，穩(wěn)定性好，耐腐蝕，是中低溫區(qū)(-200～600 ℃)應(yīng)用最廣的溫度檢測器。在外圈端面中心位置銑2個寬8 mm、深3 mm的缺口，將2個溫度傳感器分別嵌入缺口中(圖1)，相比傳統(tǒng)測溫桿形式，這種安裝方式具有靈敏度高，無溫差等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 軸承模型Fig.1 Model of bearing

為了驗(yàn)證理論分析的結(jié)論，在軸承非承載區(qū)(水平線上半部分)側(cè)面安裝3個溫度傳感器(P1，P3，P4)，在承載區(qū)(水平線下半部分)側(cè)面安裝P2溫度傳感器，由于溝道中心溫度不方便測試，用試1、試2(溫度傳感器測頭直接接觸滾道中心對應(yīng)外圈外表面位置)溫度代替溝道中心溫度，傳感器具體安裝方位圖如圖2所示。

圖2 傳感器安裝方位圖Fig.2 Diagram of mounting position of sensor

根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了如圖3所示的試驗(yàn)工裝。試驗(yàn)軸承裝入外襯套并固定在試驗(yàn)臺架上，油缸通過徑向加載承載體和加載軸承對軸系施加徑向載荷，油缸通過軸向加載承載體對試驗(yàn)軸承施加軸向載荷，潤滑系統(tǒng)通過兩側(cè)直徑為1 mm的噴油嘴對3套軸承(兩側(cè)為試驗(yàn)軸承，中間為陪試軸承NU208圓柱滾子軸承)進(jìn)行潤滑。電主軸通過聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動試驗(yàn)工裝主軸和軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動。

1—軸向加載承載體；2—試驗(yàn)軸承外襯套；3—1#試驗(yàn)軸承；4—徑向加載承載體；5—陪試軸承；6—2#試驗(yàn)軸承；7—試驗(yàn)軸承外襯套；8—噴油嘴

在2 000 N徑向載荷下，分別以3 000,6 000,10 000,12 000,15 000,18 000 r/min轉(zhuǎn)速(溫度穩(wěn)定后再升速)進(jìn)行試驗(yàn)。利用LabVIEW軟件對溫度、振動、壓力、載荷等試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集、處理、分析、記錄及保存。

2 結(jié)果與分析

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，軸承溫度曲線如圖4所示，軸承轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示。

圖4 軸承溫度曲線Fig.4 Curves of bearing temperature

圖5 軸承轉(zhuǎn)速曲線Fig.5 Curve of bearing rotational speed

由圖4可知，試1與P2溫度相近，高于P1；P3和P4溫度相近，均高于試2。試1和試2溫度的變化率與P1，P2，P3,P4的差異不大。

試1溫度高于P1有2個原因：1)試1位置較P1更接近于理論承載發(fā)熱區(qū)(軸承下半部分)，與理論分析中其溫度高于其他位置的結(jié)論相符；2)試1在溝道中心，P1在端面，與理論上溝道中心溫度高于端面的結(jié)論相符。試1與P2溫度相近可能是軸向和徑向位置差異引起的溫差相互抵消。P2溫度高于P1是由于P2更接近理論承載發(fā)熱區(qū)；P3，P4對稱分布于軸承理論承載發(fā)熱區(qū)兩側(cè)，理論上其溫度應(yīng)相同，實(shí)際上P3溫度略低于P4，這是由于軸承旋轉(zhuǎn)和旋向因素導(dǎo)致P3區(qū)域的潤滑油多于P4區(qū)域，因此該區(qū)域潤滑油帶走的熱量多于P4區(qū)域；試2溫度低于P3，P4溫度是由于試2位置距理論承載發(fā)熱區(qū)更遠(yuǎn)。

3 結(jié)束語

通過對深溝球軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，將溫度傳感器嵌入不同位置對其溫度進(jìn)行實(shí)時采集，結(jié)果表明，溫度場分布趨勢與理論分析結(jié)果基本一致，初步驗(yàn)證了理論分析的正確性?；谠囼?yàn)方案中溫度測點(diǎn)數(shù)量較少，試驗(yàn)軸承種類單一，無法給出更為全面的溫度場分布，更為精準(zhǔn)的軸承溫度場分布試驗(yàn)方案有待進(jìn)一步研究。