氮化硅陶瓷滾子軸承的抗斷油能力試驗(yàn)

袁玉同，李紅濤，李鴻亮

(1．河南能源化工集團(tuán) 裝備制造事業(yè)部，鄭州 450046；2．空軍駐洛陽(yáng)地區(qū)代表室，河南 洛陽(yáng) 471000；3．洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

隨著航空、航天工業(yè)的高速發(fā)展，各類主機(jī)性能要求越來(lái)越高，軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中可能會(huì)遇到貧油或斷油等工況，其性能和可靠性受到嚴(yán)峻考驗(yàn)。為了改善軸承高速時(shí)的抗斷油能力，避免因軸承抱死而造成的嚴(yán)重事故，對(duì)氮化硅陶瓷材料滾動(dòng)體開(kāi)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(jī)床、燃?xì)廨啓C(jī)、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(yàn)研究中[1]。

現(xiàn)分別對(duì)混合陶瓷滾子軸承和全鋼滾子軸承進(jìn)行斷油試驗(yàn)，對(duì)比2種軸承的抗斷油能力。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試驗(yàn)軸承型號(hào)為NU208，其主要參數(shù)見(jiàn)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(jiàn)表2。

表1 NU208軸承主要參數(shù)

表2 2種材料特性

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為簡(jiǎn)支梁高溫高速試驗(yàn)機(jī)，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(yàn)軸承；4—徑向加載;6—噴油嘴

試驗(yàn)軸承安裝于軸系中間，2支點(diǎn)端為支承軸承；電主軸通過(guò)柔性聯(lián)軸器與試驗(yàn)主軸相連拖動(dòng)軸系高速旋轉(zhuǎn)；徑向載荷由徑向加載活塞通過(guò)加載套直接施加于試驗(yàn)軸承外圈上；在試驗(yàn)軸承兩側(cè)有2只噴油嘴進(jìn)行高溫噴油潤(rùn)滑，支承軸承通過(guò)中間2只噴油嘴旁路孔噴油潤(rùn)滑。

1.3 試驗(yàn)方法

隨機(jī)選取混合陶瓷軸承和全鋼軸承各1套進(jìn)行斷油試驗(yàn)，采用長(zhǎng)城牌4010合成航空潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑。每套軸承斷油試驗(yàn)前跑合30 min，跑合試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。斷油試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表4。工況1下油泵運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)見(jiàn)表5。其他工況下斷油時(shí)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)與此類似，僅供油泵停止的時(shí)間隨工況變化。

表3 跑合試驗(yàn)參數(shù)

表4 斷油試驗(yàn)方案

表5 工況1下油泵運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)

2 結(jié)果與分析

軸承斷油試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。由表可知，在工況1和工況2下，2種軸承均通過(guò)3次30 s的斷油試驗(yàn)；在工況3下，全鋼軸承通過(guò)2次40 s斷油試驗(yàn)，第3次斷油14 s時(shí)，軸承卡死，報(bào)警停機(jī)，而混合軸承順利通過(guò)斷油試驗(yàn)；在工況4下，混合陶瓷軸承斷油45 s時(shí)，主機(jī)電流增大至33 A報(bào)警停機(jī)。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(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

斷油試驗(yàn)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(dòng)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?yàn)樘沾刹牧系臒崤蛎浵禂?shù)較低，故混合陶瓷軸承斷油時(shí)不會(huì)因溫度急劇升高而卡死。

(a)全鋼軸承

軸承斷油試驗(yàn)時(shí)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(guò)的斷油試驗(yàn)(工況1～工況3)中，混合陶瓷軸承外圈溫升遠(yuǎn)小于全鋼軸承，不足其1/4，說(shuō)明其摩擦發(fā)熱少，這主要是因?yàn)樘沾刹牧厦芏刃?，?duì)外圈的作用力?。淮送?，陶瓷材料摩擦因數(shù)較小，各零件間的滑動(dòng)或滾動(dòng)摩擦少。

圖3 不同工況下軸承外圈溫度

軸承斷油試驗(yàn)時(shí)監(jiān)測(cè)的主機(jī)電流曲線如圖4所示。由圖可知，在2種軸承均順利通過(guò)的斷油試驗(yàn)中，混合陶瓷軸承試驗(yàn)時(shí)的主機(jī)電流較全鋼軸承小，且波動(dòng)小，其功率消耗小，說(shuō)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(jī)電流

3 結(jié)論

通過(guò)斷油試驗(yàn)對(duì)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(guò)2次40 s斷油試驗(yàn)，第3次斷油14 s時(shí)卡死報(bào)警停機(jī)，而混合陶瓷軸承通過(guò)斷油試驗(yàn)，且在轉(zhuǎn)速升高至45 000 r/min時(shí)仍可斷油45 s；試驗(yàn)后全鋼軸承完全卡死，混合陶瓷轉(zhuǎn)動(dòng)仍轉(zhuǎn)動(dòng)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。