高速鐵路軸箱軸承用潤滑脂耐久性試驗研究

趙偉樺，馬聰，曾獻智，楊嘯，何峰濤

(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)

潤滑脂耐久性試驗也稱為潤滑脂壽命試驗，反映潤滑脂在滾動軸承中的有效使用壽命，是評價潤滑脂綜合性能的重要指標。目前，我國潤滑脂檢測與試驗方法標準共46項，其中國家標準9項，石油化工行業標準37項。這些標準大多數針對潤滑脂理化指標的檢測和試驗，針對潤滑脂動態性能的試驗較少，欠缺試驗數據和經驗的積累。

文獻[1]提出了一種與德國制訂的高溫重載潤滑脂壽命試驗標準類似的試驗方法，區別在于試驗溫度為低于潤滑脂滴點30 ℃。文獻[2]模擬標準化動車組時速385 km/h時的牽引電動機軸承實際轉速，進行了高速列車牽引電動機軸承潤滑脂壽命試驗，通過對比試驗確定軸承、潤滑脂的壽命能否達到高鐵的標準要求。文獻[3]研究了不同基礎油種類等因素對復合鋰基潤滑脂壽命的影響，試驗溫度為145 ℃，試驗方法依據SH/T 0428—2008《高溫下潤滑脂在球軸承中的壽命測定法》，取得了一定成果。文獻[4]對SKF Emcor潤滑脂動態抗腐蝕測試、FAG FE8潤滑脂磨損性能和動態抗極壓測試、FAG FE9潤滑脂潤滑壽命動態測試進行了介紹，對正確選用潤滑脂及滾動軸承可靠度設計提供了參考。文獻[5]在不同溫度和轉速下，使用角接觸球軸承探討了某型號潤滑脂的壽命試驗影響因素，結果表明，溫度越高，轉速越大，潤滑脂潤滑可靠度越低，壽命越短。

我國高速鐵路軸承及高速鐵路軸承用潤滑脂目前全部依賴進口，國內缺乏針對高速鐵路軸箱軸承用潤滑脂耐久性的試驗研究，為此進行相關試驗。

1 試驗

1.1 試驗設備

試驗機由試驗主體部件、驅動系統、電加熱系統、液壓加載系統、冷卻系統、電氣控制及軟件系統等組成。試驗機工作原理如圖1所示。工業計算機通過變頻器控制電主軸實現無級調速，電主軸通過聯軸器與試驗主體相連。液壓加載系統分為軸向加載和徑向加載，以放大器和比例閥的配合實現載荷的調整。電加熱系統由置于試驗軸承外襯套內的加熱棒模擬完成。冷卻系統包括水冷和氣冷組件，水泵為電主軸提供冷卻水循環，氣泵為加載軸承提供冷卻氣循環。數據采集系統實時采集襯套加熱溫度、軸承溫度、電主軸參數等，反饋給工業計算機，實現閉環控制。

圖1 試驗機工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of tester

試驗主體結構如圖2所示。采用簡支梁支承方式，主要包括底座、電主軸、加熱組件、試驗軸承、加載軸承、徑向加載組件、氣冷卻組件、軸向加載組件等。電主軸采用ZYS-150SD15Z7.5脂潤滑型電主軸，可連續工作運轉。圖中底座采用剖分式鑄件結構，便于拆裝。徑向加載和軸向加載組件為薄膜式油缸加載結構。試驗軸承外襯套位于試驗主體兩側，每側裝有6個200 W的電加熱棒，呈環狀均勻分布，構造出試驗所需環境溫度。加載軸承外襯套由兩部分壓裝成中空結構，外接氣冷卻組件，以降低加載軸承溫度。試驗使用4支JM608V-PT100一體化溫度傳感器采集試驗軸承和加載軸承外圈溫度，采用YD-3壓電式加速度傳感器監測試驗主體振動。

圖2 試驗主體結構Fig.2 Main structure of test

1.2 試驗條件及方法

國內外潤滑脂潤滑壽命試驗方法[6]的主要特點見表1。日本NTN公司依據ASTM D3336—1997《高溫下滾珠軸承中潤滑脂使用壽命的標準試驗方法》研發出CRC潤滑脂壽命試驗機，該設備充分模擬了潤滑脂實際運行環境，通用性顯著；德國FAG公司按照DIN 51821(DIN 51821-1-1988為第1部分：一般工作原則；DIN 51821-2-1989為第2部分：試驗方法)研制了FE9五工位滾動軸承潤滑脂潤滑壽命試驗機，溫度、速度和載荷均有較寬的調整范圍；瑞典SKF研制出高鐵潤滑脂試驗機SKF RHF1，用于評價高鐵滾動軸承用潤滑脂使用壽命等[7]。表中FS 791B 331.1和FS 791B 331.2為美國高溫下潤滑脂在抗磨軸承中工作性能測定標準。SH/T 0428—2008是在參照ASTM D3336—1997的基礎上，制訂出的適合我國國情的石油化工行業潤滑脂壽命試驗方法標準。

表1 國內外潤滑脂壽命試驗方法[6]Tab.1 Test methods for life of greases at home and abroad

國內高速鐵路動車組軸箱軸承均為進口雙列圓錐滾子軸承[8]，參考國內外相關潤滑脂潤滑壽命試驗標準和高速鐵路動車組軸箱軸承用潤滑脂高溫壽命試驗方法，對國內高速鐵路動車組軸箱軸承用某種潤滑脂進行耐久性試驗，試驗條件見表2，軸承連續運轉。

表2 試驗條件Tab.2 Test conditions

試驗用殼牌納潤達某種潤滑脂參數見表3。3套軸承潤滑脂的填充量均為試驗軸承內部空間的15%～20%，試驗前均跑合至溫度平衡。

表3 殼牌納潤達某種潤滑脂基本參數Tab.3 Basic parameters of a certain kind of Shell Nerita grease

采用3套4T-30204圓錐滾子軸承作為試驗軸承，其基本參數見表4。

表4 4T-30204型圓錐滾子軸承基本參數Tab.4 Basic parameters of 4T-30204 tapered roller bearings

1.3 試驗失效判據

判據A:在運轉周期內，將試驗軸承溫度超過試驗設定溫度15 ℃作為潤滑脂潤滑失效的主要判據。潤滑脂性能下降或潤滑失效會導致軸承工作表面磨損，最直接的表現為軸承溫升。

判據B:在啟動和試驗周期內，電主軸電流超過預警值或試驗軸系卡死。

判據A中試驗軸承溫度是指經過長時間運轉后設備及零部件達到溫度均衡，不再出現較大的溫度波動時試驗軸承達到的穩定溫度。試驗設定徑向載荷為150 N，軸向載荷為100 N。環境溫度為120 ℃，經測試運轉，試驗軸承穩定運行溫度為123 ℃左右，故試驗預警值設置見表5。

表5 試驗預警值設置Tab.5 Setting for prewarning values of test

2 結果與分析

2.1 試驗數據及外觀檢查

3套軸承均采用上述潤滑脂，在相同試驗條件下進行。為保證潤滑脂試驗結果的正確，排除其他因素的干擾，試驗前必須檢查試驗軸承外觀、校準傳感器等一系列規范措施。根據失效判據，試驗3套軸承失效現象均為電主軸電流過載。3組潤滑脂高溫耐久性試驗數據見表6。

表6 潤滑脂高溫耐久性試驗結果Tab.6 High temperature durability test results for grease h

試驗后拆機檢查，3組試驗后軸承及潤滑脂外觀檢查結果相似，以一組為例，分別如圖3和圖4所示。由圖3可知，試驗軸承外圈磨痕均勻，軌跡正常；保持架部分斷裂，其他部分存在保持架過梁邊緣輕微起皮現象，局部有毛刺，存在非正常磨損，表面發黃；滾子表面有可見劃痕損傷。由圖4可知，潤滑脂已完全變色干結，其中摻雜氧化物顆粒和鐵屑，失去黏性。

圖3 試驗軸承保持架斷裂圖Fig.3 Fracture diagram of cage in test bearing

圖4 潤滑脂失效Fig.4 Failured grease

2.2 數據分析

2.2.1 理論計算

1)試驗軸承基本額定壽命L10h

試驗軸承轉速恒定，基本額定壽命L10h為

(1)

式中：C為基本額定動載荷,N；P為當量動載荷,N。

代入數據，可得L10h=1.57×108h。

2)潤滑脂理論壽命計算L′

目前，我國尚未建立滾動軸承潤滑脂壽命計算方法，國內潤滑脂壽命研究預測大都采用國外的經驗公式。本文采用修正Booser潤滑脂壽命計算公式[9]，如下

logL′=-2.6+2 450/(273+T)-fv，

(2)

fv=9.6×10-7kbdini，

式中：L′為潤滑脂壽命；T為試驗潤滑脂工作溫度，T=120 ℃；fv為潤滑脂壽命的速度因素影響系數；kb為不同類型滾動軸承的速度系數，圓錐滾子軸承取kb=4；di為軸承內徑，di=20 mm；ni為軸承內圈轉速，ni=5 000 r/min。

代入數據，可得L′=1 778.3 h。

2.2.2 軸承試驗壽命數據處理

潤滑脂試驗壽命符合Weibull分布，試驗數據采用Weibull分布處理。由于樣本數n=3，且為完全試驗，數據處理適宜采用最佳線性不變估計系數[10]，如下：

(3)

(4)

式中：Li為試驗得到的潤滑脂試驗壽命；CI，DI為與容量n、截尾數r和壽命序號i有關的最佳線性不變系數，其值查表可得[11]。

當軸承疲勞壽命破壞概率F(L)=0.1時，90%可靠度下的潤滑脂試驗潤滑壽命為

(5)

當軸承疲勞壽命破壞概率F(L)=0.5時，50%可靠度下的潤滑脂試驗潤滑壽命為

(6)

上述3組軸承試驗數據處理結果見表7。

2.2.3 試驗結果分析

潤滑脂壽命結果會呈現顯著的離散型，且符合Weibull分布，因此，必須進行重復試驗[12]。表7中3組試驗結果具有明顯離散型。

表7 數據處理結果Tab.7 Data processing results

潤滑失效是滾動軸承最主要的早期失效方式。對上述3組試驗，以軸承溫升15 ℃作為判據得到的潤滑脂試驗潤滑壽命終結時，軸承套圈和滾子工作表面并未發生疲勞剝落；計算所得的潤滑脂理論壽命也遠小于計算所得軸承的經典疲勞剝落壽命。試驗后外觀檢查未出現軸承損壞，而潤滑脂黏性良好，未出現變色情況。因此，對軸承進行包括選擇合適潤滑脂在內的潤滑設計是避免軸承發生早期失效的有效方法。

大多數軸承疲勞失效后形狀參數分布在1.5左右[13]，本試驗潤滑脂潤滑失效后形狀參數為1.575，兩者相當接近。被測潤滑脂50%可靠度下的潤滑脂潤滑壽命L50t為2 312.3 h，90%可靠度下的壽命L10t為706.9 h。文獻[5]建議將潤滑脂50%可靠度壽命L50t作為潤滑脂基本額定壽命，故本試驗潤滑脂中值額定壽命為2 312.3 h，與平均試驗壽命2 458.7 h較為接近。由此說明，本試驗方案及數據處理方式合理可行。

3 結束語

對高速鐵路軸箱軸承用某種潤滑脂進行了高溫耐久性試驗，試驗條件保證軸承失效不會先于潤滑失效，并以高于軸承穩定運轉階段溫度15 ℃作為判定軸承發生潤滑失效的依據，對試驗數據進行了處理。結果表明，試驗方案和數據處理方式合理可行，對高速鐵路軸箱軸承用潤滑脂潤滑壽命的動態試驗評價及該油脂的國產化具有一定的借鑒意義。