密封深溝球軸承抗濺性能試驗機

周堅,周有華,馬純,洪濤

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

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

國內密封深溝球軸承防塵、漏脂和溫升性能試驗方法已成熟，試驗機也已定型，而抗濺性能試驗目前尚無統一的以行業或國家標準形式規定的試驗規程，試驗機也未定型。國內軸承制造企業一般按照國外軸承用戶提出的試驗方法進行抗濺性能試驗。

某汽車零部件供應商對一款轎車內冷式交流發電機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、發電機端6202-2RS)提出了抗濺性能試驗要求，需針對該要求設計相應的抗濺性能試驗機。

1 試驗要求

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

試驗條件：徑向載荷4 N；轉速2 000 r/min，內圈旋轉；液體介質為水，流量1 L/min；噴嘴直徑φ3 mm，數量2個，水平均布且對準軸承中徑處，離軸承端面70 mm(可調)；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；樣本組軸承數量各取10 套。

2 設計方案

試驗機主要由主機、噴濺系統和測控系統組成，其有如下特性：

獨立的試驗軸系——易于保證制造和運行精度，裝拆方便，與電動機軸非剛性連接，避免相互影響。

兩端懸伸試驗軸——兩端均可安裝試驗軸承，試驗效率比傳統的單懸伸結構提高1倍。

接桿式組合軸系——試驗軸承換型僅更換接桿，避免拆裝整個試驗頭。

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要求。

分體式電控柜——維護方便。

自動測控，安全聯鎖——實現無人值守。

觸摸屏——人機界面良好，觀察試驗數據和設置參數方便。

3 主機

主機由機身(臺面)、雙工位試驗頭(座體、軸系)、傳動系統、加載機構等組成。

3.1 機身

焊接機身，鋼板臺面，兩者之間襯以橡膠板，柔性搭接(可避免剛性連接時兩者平面度誤差引起的臺面翹曲)并使用螺栓緊固；減振墊鐵支承機身，減緩試驗機自身振動，并隔離外來干擾；臺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面。

3.2 試驗頭

試驗頭為臥式、單軸、雙工位，由座體、軸系和同步帶傳動組成。

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。

由于試驗軸承不承受軸向載荷，且軸系對軸向位置無嚴格要求，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。將襯套由臺階孔改為通孔，采用孔用彈性擋圈限位代替臺階定位，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應有適當的間隙，以消除軸系長時間運轉產生的熱膨脹。座體與上蓋，底座與臺面均為平面接觸，使用圓錐銷定位，便于復位。

3.2.2 軸系

試驗軸系為簡支梁形式，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。

試驗軸兩端懸伸，試驗軸承通過圓柱頭內六角螺釘、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軸連接。該結構設計中需注意：一是適當選取圓柱面長度L1和螺紋長度L2，使芯軸在旋入時圓柱面起到定位作用(圖2)；二是設定試驗軸旋向，一端(順時針旋向端)芯軸為左旋螺紋，另一端(逆時針旋向端)為右旋螺紋。此外，需要注意在座體合適位置鉚接或粘結的試驗軸旋向標志。

圖2 組合軸系局部示意圖

總體布局及試驗軸系如圖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—臺面;4—托盤;5—加載砝碼;6—防轉叉;7—吊桿;8—擋圈;9—試驗軸承襯套;10—試驗軸承;11—芯軸;12—有機玻璃罩;13—擋板;14—支承軸承襯套;15—同步帶;16—帶輪;17—座體;18—試驗軸;19—孔用彈性擋圈;20—支承軸承;21—甩液盤;22—拆卸環;23—振動傳感器連接孔;24—直噴嘴;25—集液槽

3.2.3 傳動

試驗軸由電動機驅動、同步帶傳動，采取變頻調速，具有轉速準確、變速方便、適應性強的優點。采用的4級三相異步電動機轉速為1 400 r/min，功率為1.5 kW。主、從動帶輪等速比。電動機安裝在機身內鉸接板上，靠其自重張緊皮帶，活節螺栓-球面墊圈鎖緊鉸接板。

對有轉速要求的軸承進行試驗，同步帶是帶傳動中的最佳選擇，選用圓弧齒同步帶。若要求轉速很準確，則需實測試驗軸轉速，反饋控制變頻器輸出頻率。

帶輪安裝在試驗軸中段，為試驗軸兩端懸伸擴展試驗工位創造了條件，水平剖分座體便于更換皮帶。

3.2.4 加載

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

試驗載荷相對較小，為4 N，所以在確定砝碼大小時還應考慮外圈附著物的質量。

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

4 噴濺系統

1—高度和角度調整星形螺母;2—水平位置調整星形螺母;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、腳輪、拉手。

由于噴濺介質中存在顆粒物，不宜采用電磁閥切換液路，因此采用2臺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間實現噴射角度的切換和噴射時間的調整。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)均位于與試驗軸中心線等高的平面內，其孔徑、高低、遠近、開合及角度均可調。噴嘴孔徑設定為3 mm，可根據需要更換。高低和角度調整采取類似磁力表架的鉸接結構，遠近調整采用T形槽和星形螺母，開合調整采用槽板夾緊結構。

在每臺水泵輸出口設置手動調節閥和流量表，調整射流大小，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。

防護罩由不銹鋼擋板和有機玻璃拼接而成，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、調整機構，供液管、排液管等的安裝基礎。托盤與防護罩組成密閉空間，結合部有防止液體外濺結構；托盤內低外高，且外側有環槽和回液孔。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

計算機測試與控制系統由溫度傳感器、振動傳感器、獨立電控柜、工業控制機等組成，實現對試驗機的實時檢測與自動控制，以及數據的自動記錄、顯示(表格和曲線圖)和輸出。

試驗機可按設定的循環模式自動運行，直至循環結束，試驗軸承失效或設備故障停機，實現無人值守。試驗參數(如軸承型號、轉速，空運轉、直噴和斜噴時間，試驗日期、試驗人員等)由人工(鍵盤或屏選)輸入；如軸承外圈溫度和振動(均方根值)、電動機電流、循環次數、累計試驗時間等試驗數據由系統自動采集(人工屏幕設置采集時段，最小間隔1 s)和記錄。軸承失效(溫度和振動判別)或試驗機異常時，自動報警并停機，可自動保存試驗數據并顯示、打印出停機原因。

根據得到的臀部運動軌跡圖分析前面6個點為有效點，所以用MATLAB對前面六個點進行最小二乘法將前六個數據進行擬合[5-6].

試驗過程中，觸摸屏同時以曲線和數據形式實時顯示試驗狀態。試驗報告可打印輸出，試驗數據可轉換成Excel格式。試驗累計時間可以十進制(0.00 h)或時:分:秒(00:00:00)的形式顯示。在安裝相關軟件后，還可以通過局域網遠程實時觀察試驗機運行狀態，調取相關試驗數據。

試驗機除自身具有符合國家相應標準的安全聯鎖保護和聲光報警之外，在其突然停電時可實時保存計算機中的試驗數據。

6 試驗情況

6.1 試驗機考核

6.1.1 功能性考核

在給定試驗條件下，按“空轉3 min→直噴3 min→斜噴3 min”的設定程序，周而復始，對6202-2RS型軸承連續試驗8 h。

試驗結論：試驗機功能和配置滿足要求，性能可靠、運行穩定。

6.1.2 綜合性考核

在給定試驗條件下，先空運轉1 h，然后“直噴1 h→斜噴1 h”周而復始連續試驗。

運行中，其中一套軸承的振動傳感器示值正常，為(1.8～2)g(g為重力加速度)；另一套示值不正常，檢查發現是由于振動傳感器信號線斷開所致。溫度傳感器示值不穩定，檢測發現是由于接線不可靠所致。

試驗結論：試驗機功能和配置滿足技術要求，性能可靠，運行穩定；振動傳感器和溫度傳感器接線方式有待改進。

6.2 軸承抗濺性能考核

6.2.1 驗證試驗

隨機抽取規定數量的軸承(10套)，進行編號、稱重后測振動值、啟動力矩并記錄；按“空轉0.5 h→直噴嘴(90°)噴射2 h→斜噴嘴(45°)噴射2 h”設定流程，周而復始地逐套試驗；按試驗規程稱重、測振，檢查游隙、旋轉精度、啟動力矩，失效分析，評估試驗、檢測結果和軸承質量。

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

6.2.2 對比試驗

相繼對國內外6303-2RS，6202-2RS，6203-2R和608-2RS等密封深溝球軸承進行抗濺性能對比試驗，同一對比組試驗軸承的空轉、直噴、斜噴時間和循環次數設置相同。

其中一例為6套國產6203-2RS與2套進口6203-2RS對比試驗。轉速2 000 r/min，徑向載荷4 N，試驗5 h(空轉1 h→斜噴1 h→直噴1 h→斜噴1 h→直噴1 h)。完成噴濺試驗后，先對比軸承試驗前后質量，然后解體觀察。結果如下：

(1)1套國產軸承質量輕微減少約0.027 g；其余7套軸承質量有少量增加，國產軸承約0.012 9～0.916 7 g，進口軸承約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，內外圈溝道有輕微摩擦痕跡，鋼球表面無明顯磨損。

抗濺試驗結果表明，軸承未失效，基本能達到客戶要求。

6.2.3 耐久試驗

在空運轉0.5 h后，循環“直噴2 h→斜噴2 h”，直至試驗軸承損壞。此項試驗耗時長，但仍有開展的必要。

7 結束語

試驗考核表明，試驗機運行穩定、功能實用、密封性好、低耗高效，體現出以下技術特征：

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

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

(3)試驗轉速、噴濺時間、循環次數、數據存盤間隔可屏幕上設置，試驗模式設定靈活。

(4)可自動或手動控制操作，自動監測、顯示(圖表和曲線)和保存試驗數據(如主機電流、試驗軸承振動和溫度、試驗時間等)，并根據設定值判斷軸承失效(疲勞剝落、溫度異常)或試驗機故障，自動報警、聯鎖保護，實現無人值守。