基于試驗(yàn)法對(duì)球軸承溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析

張海鵬，趙俊宏，申志新，谷運(yùn)龍，孟鴻超

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 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(yáng) 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039)

軸承的安裝配合、游隙、潤(rùn)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(rùn)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(duì)軸承溫度場(chǎng)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(dòng)軸承穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)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(chǎng)分布；文獻(xiàn)[3]在對(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)軸承溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。根據(jù)理論分析可知，軸承溫度場(chǎng)大致分布情況為：滾道中心溫度高于軸承端面，承載滾動(dòng)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(guò)試驗(yàn)測(cè)量軸承溫度，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，并與理論溫度場(chǎng)分布進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

以6208深溝球軸承為試驗(yàn)對(duì)象，軸承外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)。采用Pt100溫度傳感器測(cè)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(cè)器。在外圈端面中心位置銑2個(gè)寬8 mm、深3 mm的缺口，將2個(gè)溫度傳感器分別嵌入缺口中(圖1)，相比傳統(tǒng)測(cè)溫桿形式，這種安裝方式具有靈敏度高，無(wú)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(gè)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(cè)試，用試1、試2(溫度傳感器測(cè)頭直接接觸滾道中心對(duì)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(tái)架上，油缸通過(guò)徑向加載承載體和加載軸承對(duì)軸系施加徑向載荷，油缸通過(guò)軸向加載承載體對(duì)試驗(yàn)軸承施加軸向載荷，潤(rùn)滑系統(tǒng)通過(guò)兩側(cè)直徑為1 mm的噴油嘴對(duì)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(rùn)滑。電主軸通過(guò)聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)工裝主軸和軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(duì)溫度、振動(dòng)、壓力、載荷等試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理、分析、記錄及保存。

2 結(jié)果與分析

對(duì)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(gè)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(duì)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(rùn)滑油多于P4區(qū)域，因此該區(qū)域潤(rùn)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(yǔ)

通過(guò)對(duì)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(duì)其溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，結(jié)果表明，溫度場(chǎng)分布趨勢(shì)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(cè)點(diǎn)數(shù)量較少，試驗(yàn)軸承種類單一，無(wú)法給出更為全面的溫度場(chǎng)分布，更為精準(zhǔn)的軸承溫度場(chǎng)分布試驗(yàn)方案有待進(jìn)一步研究。