密封深溝球軸承抗濺性能試驗(yàn)機(jī)

周堅(jiān),周有華,馬純,洪濤

(1.河南省特種設(shè)備安全檢測研究院 洛陽分院,河南 洛陽 471000; 2.泛科軸承集團(tuán)有限公司,福建 泉州 362300;3.瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司 工程技術(shù)中心,遼寧 瓦房店 116300)

抗濺性能指密封軸承抵抗液體介質(zhì)(水、泥漿、油液或其他危險(xiǎn)液體)噴濺并在一定時(shí)間內(nèi)保持所要求的性能和外觀的能力，亦稱防水性或抗液性。相應(yīng)地，用于考核密封軸承抵抗液體介質(zhì)噴濺能力的試驗(yàn)機(jī)稱為密封軸承抗濺性能試驗(yàn)機(jī)，也有因介質(zhì)為泥漿而稱為泥漿試驗(yàn)機(jī)。

國內(nèi)密封深溝球軸承防塵、漏脂和溫升性能試驗(yàn)方法已成熟，試驗(yàn)機(jī)也已定型，而抗濺性能試驗(yàn)?zāi)壳吧袩o統(tǒng)一的以行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)形式規(guī)定的試驗(yàn)規(guī)程，試驗(yàn)機(jī)也未定型。國內(nèi)軸承制造企業(yè)一般按照國外軸承用戶提出的試驗(yàn)方法進(jìn)行抗濺性能試驗(yàn)。

某汽車零部件供應(yīng)商對(duì)一款轎車內(nèi)冷式交流發(fā)電機(jī)用兩面帶接觸式骨架橡膠密封圈深溝球軸承(皮帶輪端6303-2RS、發(fā)電機(jī)端6202-2RS)提出了抗濺性能試驗(yàn)要求，需針對(duì)該要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的抗濺性能試驗(yàn)機(jī)。

1 試驗(yàn)要求

在承受如下條件的水流噴濺后，軸承應(yīng)保持所要求的技術(shù)狀態(tài)(如游隙、旋轉(zhuǎn)精度等)和外觀；振動(dòng)符合規(guī)定值；啟動(dòng)力矩(較開式狀態(tài)時(shí))不超過20%；與原始質(zhì)量相比，軸承質(zhì)量變動(dòng)量不超過0.1 g(測量精度±0.01 g)；油脂火焰測試不能有爆裂聲。

試驗(yàn)條件：徑向載荷4 N；轉(zhuǎn)速2 000 r/min，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)；液體介質(zhì)為水，流量1 L/min；噴嘴直徑φ3 mm，數(shù)量2個(gè)，水平均布且對(duì)準(zhǔn)軸承中徑處，離軸承端面70 mm(可調(diào))；噴射方向與軸承端面垂直(直噴)和呈45°夾角(斜噴)，先直噴2 h，隨后斜噴2 h；溫度為室溫；樣本組軸承數(shù)量各取10 套。

2 設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)機(jī)主要由主機(jī)、噴濺系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成，其有如下特性：

獨(dú)立的試驗(yàn)軸系——易于保證制造和運(yùn)行精度，裝拆方便，與電動(dòng)機(jī)軸非剛性連接，避免相互影響。

兩端懸伸試驗(yàn)軸——兩端均可安裝試驗(yàn)軸承，試驗(yàn)效率比傳統(tǒng)的單懸伸結(jié)構(gòu)提高1倍。

接桿式組合軸系——試驗(yàn)軸承換型僅更換接桿，避免拆裝整個(gè)試驗(yàn)頭。

分體式水箱——用不銹鋼板制作，換水、除渣方便。

直噴斜噴交替——噴濺形式滿足軸承試驗(yàn)要求。

分體式電控柜——維護(hù)方便。

自動(dòng)測控，安全聯(lián)鎖——實(shí)現(xiàn)無人值守。

觸摸屏——人機(jī)界面良好，觀察試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)方便。

3 主機(jī)

主機(jī)由機(jī)身(臺(tái)面)、雙工位試驗(yàn)頭(座體、軸系)、傳動(dòng)系統(tǒng)、加載機(jī)構(gòu)等組成。

3.1 機(jī)身

焊接機(jī)身，鋼板臺(tái)面，兩者之間襯以橡膠板，柔性搭接(可避免剛性連接時(shí)兩者平面度誤差引起的臺(tái)面翹曲)并使用螺栓緊固；減振墊鐵支承機(jī)身，減緩試驗(yàn)機(jī)自身振動(dòng)，并隔離外來干擾；臺(tái)面邊沿有足夠深的集液槽，并接引流管，防止所噴濺的液體溢出臺(tái)面。

3.2 試驗(yàn)頭

試驗(yàn)頭為臥式、單軸、雙工位，由座體、軸系和同步帶傳動(dòng)組成。

3.2.1 座體

座體為鑄件，水平剖分，便于裝拆支承軸承及更換皮帶。

由于試驗(yàn)軸承不承受軸向載荷，且軸系對(duì)軸向位置無嚴(yán)格要求，因此與座孔配合處的支承軸承襯套外圓上無需止口(擋邊)。無需嚴(yán)格控制座孔寬度和襯套擋邊間距，兩端座孔的同軸度更易于保證。出于粗略定位的考慮，可在座孔與襯套之間增加圓柱銷。

無軸向止口的襯套與座體的連接形式如圖1所示。將襯套由臺(tái)階孔改為通孔，采用孔用彈性擋圈限位代替臺(tái)階定位，孔加工工藝改善、精度提高且方便軸承拆卸。

1—支承軸承;2—圓柱銷;3—襯套;4—孔用彈性擋圈;5—座體上部；6—通孔

座孔與襯套之間為過渡或過盈配合，一端支承軸承軸向可無間隙，另一端支承軸承靠外側(cè)應(yīng)有適當(dāng)?shù)拈g隙，以消除軸系長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱膨脹。座體與上蓋，底座與臺(tái)面均為平面接觸，使用圓錐銷定位，便于復(fù)位。

3.2.2 軸系

試驗(yàn)軸系為簡支梁形式，支承軸承采用2套6206-2RZ型兩面帶非接觸式骨架橡膠密封圈的深溝球軸承。

試驗(yàn)軸兩端懸伸，試驗(yàn)軸承通過圓柱頭內(nèi)六角螺釘、彈簧墊圈和擋圈緊固在芯軸上，芯軸以圓柱面定位并以螺紋連接的形式與試驗(yàn)軸連接。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需注意：一是適當(dāng)選取圓柱面長度L1和螺紋長度L2，使芯軸在旋入時(shí)圓柱面起到定位作用(圖2)；二是設(shè)定試驗(yàn)軸旋向，一端(順時(shí)針旋向端)芯軸為左旋螺紋，另一端(逆時(shí)針旋向端)為右旋螺紋。此外，需要注意在座體合適位置鉚接或粘結(jié)的試驗(yàn)軸旋向標(biāo)志。

圖2 組合軸系局部示意圖

總體布局及試驗(yàn)軸系如圖3所示，為減小懸伸端撓度，需要合理選擇懸伸a與跨距L之比。

1—床身;2—橡膠墊;3—臺(tái)面;4—托盤;5—加載砝碼;6—防轉(zhuǎn)叉;7—吊桿;8—擋圈;9—試驗(yàn)軸承襯套;10—試驗(yàn)軸承;11—芯軸;12—有機(jī)玻璃罩;13—擋板;14—支承軸承襯套;15—同步帶;16—帶輪;17—座體;18—試驗(yàn)軸;19—孔用彈性擋圈;20—支承軸承;21—甩液盤;22—拆卸環(huán);23—振動(dòng)傳感器連接孔;24—直噴嘴;25—集液槽

3.2.3 傳動(dòng)

試驗(yàn)軸由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、同步帶傳動(dòng)，采取變頻調(diào)速，具有轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確、變速方便、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。采用的4級(jí)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，功率為1.5 kW。主、從動(dòng)帶輪等速比。電動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)身內(nèi)鉸接板上，靠其自重張緊皮帶，活節(jié)螺栓-球面墊圈鎖緊鉸接板。

對(duì)有轉(zhuǎn)速要求的軸承進(jìn)行試驗(yàn)，同步帶是帶傳動(dòng)中的最佳選擇，選用圓弧齒同步帶。若要求轉(zhuǎn)速很準(zhǔn)確，則需實(shí)測試驗(yàn)軸轉(zhuǎn)速，反饋控制變頻器輸出頻率。

帶輪安裝在試驗(yàn)軸中段，為試驗(yàn)軸兩端懸伸擴(kuò)展試驗(yàn)工位創(chuàng)造了條件，水平剖分座體便于更換皮帶。

3.2.4 加載

在試驗(yàn)軸承外圈襯套的下部固定吊桿，采用砝碼加載；上部放置振動(dòng)傳感器拾取試驗(yàn)軸承振動(dòng)信號(hào)；斜上部45°方向放置溫度傳感器。

試驗(yàn)載荷相對(duì)較小，為4 N，所以在確定砝碼大小時(shí)還應(yīng)考慮外圈附著物的質(zhì)量。

借助砝碼吊桿和試驗(yàn)軸下部擋板上伸出的叉桿，可防止試驗(yàn)軸承外圈偏轉(zhuǎn)；砝碼帶有臺(tái)階，可防止脫落。

4 噴濺系統(tǒng)

1—高度和角度調(diào)整星形螺母;2—水平位置調(diào)整星形螺母;3—立柱(T形槽用螺栓);4—斜噴嘴;5—槽板;6—直噴嘴;7—試驗(yàn)軸承;8—T形槽;9—夾緊套;10—夾緊軸;11—開口夾

泥水箱用不銹鋼鋼板焊制，有液位觀察鏡、加注口、排泄口、起吊環(huán)、腳輪、拉手。

由于噴濺介質(zhì)中存在顆粒物，不宜采用電磁閥切換液路，因此采用2臺(tái)小型耐蝕不銹鋼潛水泵及其管路分別給直噴嘴和斜噴嘴供液,通過程序控制水泵啟停時(shí)間實(shí)現(xiàn)噴射角度的切換和噴射時(shí)間的調(diào)整。管路采用耐壓透明軟管，并盡量采用快換接頭。

噴嘴(直噴嘴和斜噴嘴各2個(gè))均位于與試驗(yàn)軸中心線等高的平面內(nèi)，其孔徑、高低、遠(yuǎn)近、開合及角度均可調(diào)。噴嘴孔徑設(shè)定為3 mm，可根據(jù)需要更換。高低和角度調(diào)整采取類似磁力表架的鉸接結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)近調(diào)整采用T形槽和星形螺母，開合調(diào)整采用槽板夾緊結(jié)構(gòu)。

在每臺(tái)水泵輸出口設(shè)置手動(dòng)調(diào)節(jié)閥和流量表，調(diào)整射流大小，分流的液體沖入泥水箱底部，攪拌泥水使其保證一定的渾濁度。

防護(hù)罩由不銹鋼擋板和有機(jī)玻璃拼接而成，與液體接觸的噴嘴、管接頭、擋板、托盤、甩液盤、緊固件等均為不銹鋼件。

托盤是噴嘴及其夾持、調(diào)整機(jī)構(gòu)，供液管、排液管等的安裝基礎(chǔ)。托盤與防護(hù)罩組成密閉空間，結(jié)合部有防止液體外濺結(jié)構(gòu)；托盤內(nèi)低外高，且外側(cè)有環(huán)槽和回液孔。為減少液體外泄，在軸端靠近擋板處加裝甩液盤。

5 測控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)測試與控制系統(tǒng)由溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、獨(dú)立電控柜、工業(yè)控制機(jī)等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的實(shí)時(shí)檢測與自動(dòng)控制，以及數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄、顯示(表格和曲線圖)和輸出。

試驗(yàn)機(jī)可按設(shè)定的循環(huán)模式自動(dòng)運(yùn)行，直至循環(huán)結(jié)束，試驗(yàn)軸承失效或設(shè)備故障停機(jī)，實(shí)現(xiàn)無人值守。試驗(yàn)參數(shù)(如軸承型號(hào)、轉(zhuǎn)速，空運(yùn)轉(zhuǎn)、直噴和斜噴時(shí)間，試驗(yàn)日期、試驗(yàn)人員等)由人工(鍵盤或屏選)輸入；如軸承外圈溫度和振動(dòng)(均方根值)、電動(dòng)機(jī)電流、循環(huán)次數(shù)、累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間等試驗(yàn)數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動(dòng)采集(人工屏幕設(shè)置采集時(shí)段，最小間隔1 s)和記錄。軸承失效(溫度和振動(dòng)判別)或試驗(yàn)機(jī)異常時(shí)，自動(dòng)報(bào)警并停機(jī)，可自動(dòng)保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)并顯示、打印出停機(jī)原因。

根據(jù)得到的臀部運(yùn)動(dòng)軌跡圖分析前面6個(gè)點(diǎn)為有效點(diǎn)，所以用MATLAB對(duì)前面六個(gè)點(diǎn)進(jìn)行最小二乘法將前六個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[5-6].

試驗(yàn)過程中，觸摸屏同時(shí)以曲線和數(shù)據(jù)形式實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)狀態(tài)。試驗(yàn)報(bào)告可打印輸出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)換成Excel格式。試驗(yàn)累計(jì)時(shí)間可以十進(jìn)制(0.00 h)或時(shí):分:秒(00:00:00)的形式顯示。在安裝相關(guān)軟件后，還可以通過局域網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀察試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)取相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)機(jī)除自身具有符合國家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的安全聯(lián)鎖保護(hù)和聲光報(bào)警之外，在其突然停電時(shí)可實(shí)時(shí)保存計(jì)算機(jī)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

6 試驗(yàn)情況

6.1 試驗(yàn)機(jī)考核

6.1.1 功能性考核

在給定試驗(yàn)條件下，按“空轉(zhuǎn)3 min→直噴3 min→斜噴3 min”的設(shè)定程序，周而復(fù)始，對(duì)6202-2RS型軸承連續(xù)試驗(yàn)8 h。

試驗(yàn)結(jié)論：試驗(yàn)機(jī)功能和配置滿足要求，性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定。

6.1.2 綜合性考核

在給定試驗(yàn)條件下，先空運(yùn)轉(zhuǎn)1 h，然后“直噴1 h→斜噴1 h”周而復(fù)始連續(xù)試驗(yàn)。

運(yùn)行中，其中一套軸承的振動(dòng)傳感器示值正常，為(1.8～2)g(g為重力加速度)；另一套示值不正常，檢查發(fā)現(xiàn)是由于振動(dòng)傳感器信號(hào)線斷開所致。溫度傳感器示值不穩(wěn)定，檢測發(fā)現(xiàn)是由于接線不可靠所致。

試驗(yàn)結(jié)論：試驗(yàn)機(jī)功能和配置滿足技術(shù)要求，性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定；振動(dòng)傳感器和溫度傳感器接線方式有待改進(jìn)。

6.2 軸承抗濺性能考核

6.2.1 驗(yàn)證試驗(yàn)

隨機(jī)抽取規(guī)定數(shù)量的軸承(10套)，進(jìn)行編號(hào)、稱重后測振動(dòng)值、啟動(dòng)力矩并記錄；按“空轉(zhuǎn)0.5 h→直噴嘴(90°)噴射2 h→斜噴嘴(45°)噴射2 h”設(shè)定流程，周而復(fù)始地逐套試驗(yàn)；按試驗(yàn)規(guī)程稱重、測振，檢查游隙、旋轉(zhuǎn)精度、啟動(dòng)力矩，失效分析，評(píng)估試驗(yàn)、檢測結(jié)果和軸承質(zhì)量。

其中一例為4套6202-2RS和6套6303-2RS試驗(yàn)。轉(zhuǎn)速2 000 r/min，徑向載荷4 N，試驗(yàn)4.5 h(空轉(zhuǎn)0.5 h→直噴2 h→斜噴2 h)。完成噴濺試驗(yàn)后，僅對(duì)比軸承試驗(yàn)前后質(zhì)量。檢測結(jié)果顯示10套軸承的質(zhì)量均有少量增加，約0.027 0～1.469 6 g。

6.2.2 對(duì)比試驗(yàn)

相繼對(duì)國內(nèi)外6303-2RS，6202-2RS，6203-2R和608-2RS等密封深溝球軸承進(jìn)行抗濺性能對(duì)比試驗(yàn)，同一對(duì)比組試驗(yàn)軸承的空轉(zhuǎn)、直噴、斜噴時(shí)間和循環(huán)次數(shù)設(shè)置相同。

其中一例為6套國產(chǎn)6203-2RS與2套進(jìn)口6203-2RS對(duì)比試驗(yàn)。轉(zhuǎn)速2 000 r/min，徑向載荷4 N，試驗(yàn)5 h(空轉(zhuǎn)1 h→斜噴1 h→直噴1 h→斜噴1 h→直噴1 h)。完成噴濺試驗(yàn)后，先對(duì)比軸承試驗(yàn)前后質(zhì)量，然后解體觀察。結(jié)果如下：

(1)1套國產(chǎn)軸承質(zhì)量輕微減少約0.027 g；其余7套軸承質(zhì)量有少量增加，國產(chǎn)軸承約0.012 9～0.916 7 g，進(jìn)口軸承約0.202 1～1.214 8 g。

(2)目測密封圈正常，軸承油脂呈乳白色，保持架完好，內(nèi)外圈溝道有輕微摩擦痕跡，鋼球表面無明顯磨損。

抗濺試驗(yàn)結(jié)果表明，軸承未失效，基本能達(dá)到客戶要求。

6.2.3 耐久試驗(yàn)

在空運(yùn)轉(zhuǎn)0.5 h后，循環(huán)“直噴2 h→斜噴2 h”，直至試驗(yàn)軸承損壞。此項(xiàng)試驗(yàn)耗時(shí)長，但仍有開展的必要。

7 結(jié)束語

試驗(yàn)考核表明，試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、功能實(shí)用、密封性好、低耗高效，體現(xiàn)出以下技術(shù)特征：

(1)可根據(jù)工況進(jìn)行多型號(hào)密封深溝球軸承的水、油液或其他介質(zhì)噴濺試驗(yàn)，適應(yīng)面寬。盡管在此臺(tái)試驗(yàn)機(jī)上僅使用添加防銹劑的自來水作為噴濺介質(zhì)，但所配備的不銹鋼潛水泵及其管路在軸承泥漿試驗(yàn)機(jī)上有成功的應(yīng)用。

(2)換型方便，噴濺流量、噴嘴大小、噴距、高度和角度可調(diào)，直噴/斜噴自動(dòng)切換，操作宜人。

(3)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、噴濺時(shí)間、循環(huán)次數(shù)、數(shù)據(jù)存盤間隔可屏幕上設(shè)置，試驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)定靈活。

(4)可自動(dòng)或手動(dòng)控制操作，自動(dòng)監(jiān)測、顯示(圖表和曲線)和保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)(如主機(jī)電流、試驗(yàn)軸承振動(dòng)和溫度、試驗(yàn)時(shí)間等)，并根據(jù)設(shè)定值判斷軸承失效(疲勞剝落、溫度異常)或試驗(yàn)機(jī)故障，自動(dòng)報(bào)警、聯(lián)鎖保護(hù)，實(shí)現(xiàn)無人值守。