任 寧，蔣智杰，張 斌，黃海軍，程 巍，李小明，陳芳華

(1.浙江省機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)所，浙江 杭州 310051；2.浙江省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310022)

0 引 言

重載軸承作為大型工程機(jī)械的關(guān)鍵零部件，常應(yīng)用于礦山機(jī)械、工程攪拌機(jī)械和風(fēng)力發(fā)電機(jī)械等。我國(guó)軸承行業(yè)雖然快速發(fā)展30余年，但軸承的壽命可靠性與國(guó)外仍存在較大差距[1-2]。目前，盾構(gòu)機(jī)軸承、風(fēng)電機(jī)組主軸軸承和發(fā)電機(jī)軸承仍采用進(jìn)口軸承，是國(guó)內(nèi)外軸承差距存在的例證，故重載軸承的壽命提升一直是被人們所關(guān)注。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)軸承行業(yè)從材料[3]、熱處理[4]及工藝裝備[5]等方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，但這一瓶頸一直未能被突破。

風(fēng)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的核心裝備，由風(fēng)輪機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置、偏航機(jī)構(gòu)、調(diào)漿機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙、塔架等構(gòu)成[6]。在風(fēng)能與電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，機(jī)械磨損[7]是造成能量損失的主要部分。如果能適當(dāng)降低機(jī)械磨損造成的能耗，就能提升電能的輸出。故在研究重載軸承延壽的基礎(chǔ)上，應(yīng)同時(shí)開展重載軸承的節(jié)能技術(shù)探索。

一般來(lái)說(shuō)，減小軸承的摩擦磨損可以有效提升軸承壽命和降低驅(qū)動(dòng)能耗，而減小機(jī)械摩擦磨損的主要途徑有：(1)控制造成摩擦磨損的條件，如磨粒、腐蝕等；(2)通過(guò)表面改性、強(qiáng)化等手段提高摩擦副的耐磨性能；(3)使用具有自修復(fù)功能的新材料，在磨損過(guò)程中通過(guò)新的補(bǔ)償來(lái)彌補(bǔ)磨損[8-9]。

基于減小摩擦磨損的途徑，金屬抗磨自修復(fù)技術(shù)作為一項(xiàng)革命性的表面工程領(lǐng)域新技術(shù)，不僅具備抗磨功能，還具備一定的減摩功能，能使摩擦副磨損表面得到動(dòng)態(tài)自修復(fù)，從而大幅延長(zhǎng)機(jī)械裝備的使用壽命。目前許多專家學(xué)者對(duì)銅、鋅、鎂等納米態(tài)金屬和硅酸鹽等復(fù)合物自修復(fù)材料進(jìn)行了磨損自修復(fù)的試驗(yàn)研究[10-12]。研究表明，羥基硅酸鎂具有良好的抗磨減摩效果。

針對(duì)國(guó)內(nèi)重載軸承易磨損、使用壽命短的問題，筆者以風(fēng)力發(fā)電機(jī)重載軸承為例，對(duì)重載軸承中的風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承的運(yùn)行情況進(jìn)行研究分析，進(jìn)行重載軸承節(jié)能延壽技術(shù)研究，探索重載軸承的延壽技術(shù)途徑。

1 金剛瓷抗磨減摩機(jī)理

納米金剛瓷自修復(fù)材料(以下簡(jiǎn)稱“金剛瓷”)為人工化學(xué)合成的混合自修復(fù)材料，主要成分為羥基硅酸鎂、催化劑和活化劑等?，F(xiàn)有材料粒徑為微納米級(jí)，與礦石羥基硅酸鎂相比，其特點(diǎn)為成本低。

金剛瓷以潤(rùn)滑介質(zhì)(潤(rùn)滑油/潤(rùn)滑脂)為載體，在機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)入摩擦副表面，通過(guò)機(jī)械摩擦、摩擦-物理作用和摩擦-化學(xué)作用等，在表面發(fā)生熔融、改性作用，對(duì)磨損表面進(jìn)行一定程度的填補(bǔ)或修復(fù)，以補(bǔ)償所產(chǎn)生的磨損，達(dá)到磨損-修復(fù)的動(dòng)態(tài)平衡，甚至可形成一定厚度的改性層[13-14]，降低摩擦副的摩擦因數(shù)，提高摩擦副接觸表面的硬度，從而延長(zhǎng)摩擦副工作壽命。

該試驗(yàn)通過(guò)潤(rùn)滑脂中添加納米金剛瓷的壽命比對(duì)試驗(yàn)，評(píng)估金剛瓷對(duì)軸承的節(jié)能延壽效果，為重載軸承運(yùn)行可靠性的提升和驅(qū)動(dòng)能耗的降低提供有效措施[15-16]。

2 壽命比對(duì)試驗(yàn)

2.1 潤(rùn)滑介質(zhì)

本研究以克虜伯Klueberplex BEM41-141潤(rùn)滑脂為基礎(chǔ)脂，在其中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的金剛瓷，勻脂處理后調(diào)制成金剛瓷脂。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及試樣

本次試驗(yàn)設(shè)備采用自主研發(fā)的大型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)BLT-L3，并在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上加裝DTS601三相四線電子式電能表，用于記錄壽命試驗(yàn)過(guò)程驅(qū)動(dòng)電機(jī)的耗電量。

試驗(yàn)軸承選取國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的與風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承同型號(hào)的深溝球軸承，軸承型號(hào)為6332-2RS，共計(jì)16套。外形尺寸為d=160 mm×D=340 mm×B=68 mm，額定動(dòng)載荷Cr=313 kN，極限轉(zhuǎn)速nL=1 600 r/min。

將軸承隨機(jī)分為A、B兩組，每組各8套，A組填裝金剛瓷脂，編號(hào)為A1～A8，B組填裝基礎(chǔ)脂，編號(hào)為B1～B8，注脂量均為250 g。

2.3 試驗(yàn)方法與條件

在相同試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)條件下，本研究對(duì)軸承強(qiáng)化壽命試驗(yàn)過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)能耗和試驗(yàn)壽命，評(píng)估金剛瓷的節(jié)能延壽效果。

試驗(yàn)條件：每次裝機(jī)4套軸承，試驗(yàn)過(guò)程中每隔24 h記錄一次電能表數(shù)據(jù)。

軸承安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 軸承安裝結(jié)構(gòu)示意圖Fr—徑向載荷;Fa—軸向載荷

圖1中，F(xiàn)r=95.66 kN，F(xiàn)a=6 kN。

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定n=750 r/min，計(jì)算軸承的額定壽命，如下式所示：

(1)

式中：L10 h—軸承基本額定壽命；C—軸承額定動(dòng)載荷；P—軸承當(dāng)量動(dòng)載荷。

試驗(yàn)方法為定時(shí)截尾法，定時(shí)截尾時(shí)間設(shè)定為L(zhǎng)1=2 000 h。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

軸承延壽試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 軸承延壽試驗(yàn)結(jié)果

表1為A、B組試樣壽命試驗(yàn)結(jié)果，其中A組均達(dá)到2 000 h運(yùn)行時(shí)間，B組則因軸承內(nèi)圈失效導(dǎo)致未能完成設(shè)定的2 000 h試驗(yàn)時(shí)間。

因B組軸承最短失效時(shí)間為1 258 h，為避免帶入軸承失效而未停機(jī)等額外因素引起的誤差干擾，取前1 000 h的軸承運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)做研究對(duì)比。

軸承能耗試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 軸承能耗試驗(yàn)結(jié)果

表2中，A組平均耗電量為4.59 kWh，B組平均耗電量為4.9 kWh，A組較B組能耗下降6.3%。

2.5 試后檢測(cè)

2.5.1 內(nèi)圈滾道粗糙度檢測(cè)

筆者將兩組試驗(yàn)結(jié)束后的軸承拆套，經(jīng)清洗、干燥后，對(duì)軸承未剝落處的內(nèi)圈滾道進(jìn)行檢測(cè)。

粗糙度檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 試樣表面粗糙度檢測(cè)

表3中，A組平均粗糙度為0.040 2 μm，B組平均粗糙度為0.050 6 μm，A組粗糙度經(jīng)壽命試驗(yàn)后，粗糙度有所下降。

2.5.2 內(nèi)圈滾道硬度檢測(cè)

筆者挑選2.5.1節(jié)中A1、B1軸承試樣，通過(guò)納米硬度計(jì)對(duì)軸承內(nèi)圈滾道進(jìn)行檢測(cè)。

納米硬度檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 軸承內(nèi)圈滾道納米硬度檢測(cè)結(jié)果

圖2中，橫坐標(biāo)為試驗(yàn)樣件深度，縱坐標(biāo)為試驗(yàn)納米硬度值，可見A組試樣在50 nm深度處，納米硬度達(dá)到19 GPa，B組試樣在1 300 nm深度處，納米硬度也僅為2.8 GPa。

2.6 結(jié)果分析

由表1可見，添加金剛瓷脂的軸承試驗(yàn)壽命明顯延長(zhǎng)；由表2可見，在相同載荷、轉(zhuǎn)速條件下，軸承驅(qū)動(dòng)能耗明顯降低，平均降幅達(dá)到6.30%；由表3可見，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)運(yùn)行后，相對(duì)于基礎(chǔ)脂，添加金剛瓷脂的軸承內(nèi)圈滾道表面粗糙度顯著降低，降低了約20.57%。

由圖2可見，經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)運(yùn)行后，金剛瓷在軸承摩擦副表面形成了表面改性層或修復(fù)層，大幅提高了滾道表面硬度，硬度最高可達(dá)19 GPa，從而提高了軸承滾道的抗磨性能，延長(zhǎng)了軸承的試驗(yàn)壽命。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)潤(rùn)滑脂中添加納米金剛瓷的壽命比對(duì)試驗(yàn)，筆者評(píng)估了金剛瓷對(duì)軸承的節(jié)能延壽效果，為重載軸承運(yùn)行可靠性的提升和驅(qū)動(dòng)能耗的降低提供了有效措施。

研究結(jié)論如下：

(1)金剛瓷脂填入軸承內(nèi)腔，軸承在高載下經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，滾道表面硬度上升到非常高的程度，硬度最高可達(dá)19 GPa，大幅度提升了軸承滾道表面的耐磨性能，提高了軸承在重載下的壽命；

(2)金剛瓷脂填入軸承內(nèi)腔，軸承在高載下經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，內(nèi)圈滾道表面粗糙度相對(duì)基礎(chǔ)脂降低了20.57%，降低了摩擦副的摩擦因素使驅(qū)動(dòng)能耗降低了6.30%，證明金剛瓷具有明顯的減摩效果；

(3)未加注金剛瓷脂的軸承試樣試后納米硬度僅為2.8 GPa左右，遠(yuǎn)低于套圈基體硬度值8.5 GPa左右，其原因可能是套圈在試驗(yàn)過(guò)程中長(zhǎng)期承受高頻交變循環(huán)應(yīng)力作用，導(dǎo)致次表層組織發(fā)生改變，形成胞狀鐵素體、鐵素體和初始馬氏體，導(dǎo)致硬度發(fā)生退化，同時(shí)表面硬化層已被磨損脫落所致。