超高速軸承H7014C/HQ1P4性能試驗研究

楊立芳，王東峰，何強

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039；4.安陽工學院 機床關鍵功能部件重點實驗室，河南 安陽 455000)

軸承作為高檔數控機床的關鍵功能部件之一，決定了數控機床的高速性能[1]。角接觸陶瓷球軸承、液體動靜壓軸承和磁懸浮軸承均可滿足高速加工要求，但由于液體靜壓軸承需根據具體機床專門設計，標準化程度低；磁懸浮軸承電氣控制部分復雜，制造成本高，所以其推廣應用受到了很大限制[2-5]。陶瓷球材料由于密度小、熱膨脹系數小、彈性模量大等優點，減少了球的離心力和陀螺力矩，有效提高角接觸陶瓷球軸承的高速及剛度等性能，因此得以廣泛應用。

超高速軸承一般指dmn值大于1×106mm·r·min-1的軸承,其性能指標主要包括振動、熱性能、極值轉速、耐久性、精度壽命等。在已有研究的基礎上[6-7]，下文對角接觸陶瓷球軸承在噴射潤滑下進行了高速性能試驗，通過檢測軸承在不同轉速、軸向預緊力、油壓下的軸承溫升及主機振動，分析了三者對軸承溫升及主機振動的影響規律。

1 試驗

1.1 試驗設備及試樣

試驗設備為T30-70Nf主軸軸承壽命試驗機，試驗軸系采用簡支梁結構，如圖1所示，一次同時安裝2套軸承，軸向預緊力施加于前支承，并通過試驗軸傳遞至后支承。試驗機最高轉速為33 000 r/min，徑向載荷為0，軸向最大預緊力1 200 N。

圖1 試驗軸系結構

試樣為2套H7014C/HQ1P4型軸承，套圈材料為GCr15軸承鋼，陶瓷球材料為Si3N4，保持架材料為酚醛層壓布管。潤滑方式為32#潤滑油噴射潤滑，每套軸承1個噴嘴，噴油量為1.6 L/min，供油壓力為參考值，0.2～0.6 MPa手動可調，潤滑油入口溫度為常溫。測溫、測振點均在被測軸承外圈上。

1.2 試驗方法

首先對軸承進行磨合試驗，參數見表1。

表1 磨合試驗參數

當軸承各項監測指標均無異常(振動或主機電流突變等)，才可進行性能試驗，否則應停機查找原因。

磨合試驗完成后，根據已有的試驗數據，進行若干次輔助試驗。初步確定了性能試驗參數，見表2。

表2 性能試驗參數

2 結果與分析

2.1 轉速對軸承溫升及主機振動的影響

在預緊力800 N、供油壓力0.5 MPa、初始溫度30.1～36.4 ℃下，轉速對軸承溫升及主機振動的影響分別如圖2、圖3所示。

圖2 不同轉速對軸承溫升的影響(60 min后)

圖3 不同轉速對主機振動的影響(60 min后)

由圖可以看出，隨著轉速的升高，軸承溫升增大，即軸承內部摩擦增大，發熱增加；振動值也隨之增加，轉速在21 000 r/min內，主機振動變化不大，但高速時振動值明顯增加；轉速達24 000 r/min時，5 min后軸承溫升達到34.2 ℃，主機振動為1.07g(g為重力加速度)，且主軸電流過大。繼續進行若干次更高速的試驗，軸承溫升大幅增加，因此認為試驗軸承高速性達不到24 000 r/min。

2.2 軸向預緊力對軸承溫升及主機振動的影響

在初始油壓0.4 MPa、初始溫度50 ℃下軸向預緊力對軸承溫升及主機振動的影響分別如圖4、圖5所示。

圖4 預緊力對軸承溫升的影響

圖5 預緊力對主機振動的影響

由圖4可以看出，軸承轉速(n=15 000 r/min)較低時，預緊力對軸承的溫升影響不大；轉速較高時，預緊力對軸承的溫升影響增大，且高速時預緊力不能過小。這是由于預緊力存在一個最佳值，預緊力過小會增加軸承的發熱。

由圖5可以看出，轉速較低時，預緊力對振動值影響不大；轉速較高時，預緊力對振動值影響較大，且高速時，預緊力不能過小。在振動值變化的平緩區，主機最大振動值對應一個預緊力，達到最大振動值后，隨預緊力的增大，振動值變化趨于平緩。

2.3 油壓對軸承溫升及主機振動的影響

在初始溫度47～50 ℃、預緊力600 N下，油壓對軸承溫升和主機振動值的影響分別如圖6、圖7所示。

圖6 潤滑油壓對軸承溫升的影響

圖7 潤滑油壓對主機振動的影響

由圖6可以看出，當油壓小于0.4 MPa時，軸承溫升隨油壓的增加而降低；當油壓大于0.4 MPa時，軸承溫升降低幅度減小，尤其在高轉速下，溫升反而有緩慢增加的趨勢。低轉速下，隨著油壓增大，溫升減小較快。這主要是因為油壓增加，即潤滑油量增大可以帶走更多的熱量。當油壓達到一定值后，熱量達到平衡狀態，軸承溫升變化不明顯。

由圖7可以看出，低轉速時，油壓的變化對主機振動值影響不大；高轉速時，主機振動值隨著油壓的增大而降低，但油壓增加到一定值(0.4 MPa)后，振動值開始緩慢增加。這是由于油壓較低時，潤滑不充分，高速時導致軸承運轉不穩定，從而造成主機振動增大；但油壓過大會給高速運轉下軸承的潤滑性能帶來不穩定因素，也會增加主機振動。

3 結論

1)隨著轉速的提高，軸承溫升增加，主機振動值增大；低速時，主機振動增加不明顯，高速時，振動值顯著增大。轉速在24 000 r/min內，軸承高速性能良好。

2)轉速較低時，軸向預緊力對軸承的溫升、振動影響不大；轉速較高時，預緊力對軸承的溫升、振動影響增大，且高速時，預緊力不能過小。

3)油壓增大可以降低軸承的溫升，當油壓達到一定值后，軸承溫升降低不明顯。低速時，油壓對主機振動值影響不大；高速時，隨著油壓的增大，主機振動值明顯下降，但油壓不能無限制增大，其值不宜超過0.4 MPa。