基于試驗法對球軸承溫度場進行數據分析

張海鵬，趙俊宏，申志新，谷運龍，孟鴻超

(1.洛陽軸承研究所有限公司，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)

軸承的安裝配合、游隙、潤滑方式、工況等影響軸承的溫升與溫度分布狀態，軸承的溫度分布狀態與其承載區域和潤滑油流體邊界等有關。因此，了解軸承溫度分布狀態有利于合理設計和正確使用軸承，提高其性能和壽命，也可以為軸承系統故障和失效分析提供依據。目前，很多學者采用理論計算或軟件仿真對軸承溫度場進行了分析。文獻[1]基于摩擦學和傳熱學理論，建立了滾動軸承穩態溫度場分布；文獻[2]利用熱傳模型和熱流網絡原理分析了軸承溫度場分布；文獻[3]在對軸承傳熱進行分析的基礎上，利用ANSYS軟件仿真得出在任意截面上，溫度按內圈溝道與球接觸點、內圈、球、外圈溝道與球接觸點、外圈、軸承座的順序依次降低；文獻[4]建立了考慮結合面接觸熱阻的角接觸球軸承熱傳遞的模型，對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的分布情況；文獻[5]運用等效熱網格法和有限元法對軸承溫度場進行分析。根據理論分析可知，軸承溫度場大致分布情況為：滾道中心溫度高于軸承端面，承載滾動體與滾道中心接觸應力大，是發熱集中區，溫度高于非承載區。現通過試驗測量軸承溫度，對數據進行整理分析，并與理論溫度場分布進行對比。

1 試驗方法及設備

以6208深溝球軸承為試驗對象，軸承外圈固定，內圈旋轉。采用Pt100溫度傳感器測量軸承溫度，其精度高，穩定性好，耐腐蝕，是中低溫區(-200～600 ℃)應用最廣的溫度檢測器。在外圈端面中心位置銑2個寬8 mm、深3 mm的缺口，將2個溫度傳感器分別嵌入缺口中(圖1)，相比傳統測溫桿形式，這種安裝方式具有靈敏度高，無溫差等優點。

圖1 軸承模型Fig.1 Model of bearing

為了驗證理論分析的結論，在軸承非承載區(水平線上半部分)側面安裝3個溫度傳感器(P1，P3，P4)，在承載區(水平線下半部分)側面安裝P2溫度傳感器，由于溝道中心溫度不方便測試，用試1、試2(溫度傳感器測頭直接接觸滾道中心對應外圈外表面位置)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

根據試驗要求，設計了如圖3所示的試驗工裝。試驗軸承裝入外襯套并固定在試驗臺架上，油缸通過徑向加載承載體和加載軸承對軸系施加徑向載荷，油缸通過軸向加載承載體對試驗軸承施加軸向載荷，潤滑系統通過兩側直徑為1 mm的噴油嘴對3套軸承(兩側為試驗軸承，中間為陪試軸承NU208圓柱滾子軸承)進行潤滑。電主軸通過聯軸節驅動試驗工裝主軸和軸承內圈轉動。

1—軸向加載承載體；2—試驗軸承外襯套；3—1#試驗軸承；4—徑向加載承載體；5—陪試軸承；6—2#試驗軸承；7—試驗軸承外襯套；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轉速(溫度穩定后再升速)進行試驗。利用LabVIEW軟件對溫度、振動、壓力、載荷等試驗數據進行實時采集、處理、分析、記錄及保存。

2 結果與分析

對試驗數據進行處理，軸承溫度曲線如圖4所示，軸承轉速曲線如圖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個原因：1)試1位置較P1更接近于理論承載發熱區(軸承下半部分)，與理論分析中其溫度高于其他位置的結論相符；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更接近理論承載發熱區；P3，P4對稱分布于軸承理論承載發熱區兩側，理論上其溫度應相同，實際上P3溫度略低于P4，這是由于軸承旋轉和旋向因素導致P3區域的潤滑油多于P4區域，因此該區域潤滑油帶走的熱量多于P4區域；試2溫度低于P3，P4溫度是由于試2位置距理論承載發熱區更遠。

3 結束語

通過對深溝球軸承的結構進行改造，將溫度傳感器嵌入不同位置對其溫度進行實時采集，結果表明，溫度場分布趨勢與理論分析結果基本一致，初步驗證了理論分析的正確性。基于試驗方案中溫度測點數量較少，試驗軸承種類單一，無法給出更為全面的溫度場分布，更為精準的軸承溫度場分布試驗方案有待進一步研究。