重載軸承節能延壽試驗研究*

任 寧，蔣智杰，張 斌，黃海軍，程 巍，李小明，陳芳華

(1.浙江省機電產品質量檢測所，浙江 杭州 310051；2.浙江省機電設計研究院有限公司，浙江 杭州 310022)

0 引 言

重載軸承作為大型工程機械的關鍵零部件，常應用于礦山機械、工程攪拌機械和風力發電機械等。我國軸承行業雖然快速發展30余年，但軸承的壽命可靠性與國外仍存在較大差距[1-2]。目前，盾構機軸承、風電機組主軸軸承和發電機軸承仍采用進口軸承，是國內外軸承差距存在的例證，故重載軸承的壽命提升一直是被人們所關注。近年來，國內軸承行業從材料[3]、熱處理[4]及工藝裝備[5]等方面進行技術攻關，但這一瓶頸一直未能被突破。

風電機組是將風能轉化為電能的核心裝備，由風輪機構、傳動裝置、偏航機構、調漿機構、發電機、機艙、塔架等構成[6]。在風能與電能量轉換過程中，機械磨損[7]是造成能量損失的主要部分。如果能適當降低機械磨損造成的能耗，就能提升電能的輸出。故在研究重載軸承延壽的基礎上，應同時開展重載軸承的節能技術探索。

一般來說，減小軸承的摩擦磨損可以有效提升軸承壽命和降低驅動能耗，而減小機械摩擦磨損的主要途徑有：(1)控制造成摩擦磨損的條件，如磨粒、腐蝕等；(2)通過表面改性、強化等手段提高摩擦副的耐磨性能；(3)使用具有自修復功能的新材料，在磨損過程中通過新的補償來彌補磨損[8-9]。

基于減小摩擦磨損的途徑，金屬抗磨自修復技術作為一項革命性的表面工程領域新技術，不僅具備抗磨功能，還具備一定的減摩功能，能使摩擦副磨損表面得到動態自修復，從而大幅延長機械裝備的使用壽命。目前許多專家學者對銅、鋅、鎂等納米態金屬和硅酸鹽等復合物自修復材料進行了磨損自修復的試驗研究[10-12]。研究表明，羥基硅酸鎂具有良好的抗磨減摩效果。

針對國內重載軸承易磨損、使用壽命短的問題，筆者以風力發電機重載軸承為例，對重載軸承中的風電機組發電機軸承的運行情況進行研究分析，進行重載軸承節能延壽技術研究，探索重載軸承的延壽技術途徑。

1 金剛瓷抗磨減摩機理

納米金剛瓷自修復材料(以下簡稱“金剛瓷”)為人工化學合成的混合自修復材料，主要成分為羥基硅酸鎂、催化劑和活化劑等。現有材料粒徑為微納米級，與礦石羥基硅酸鎂相比，其特點為成本低。

金剛瓷以潤滑介質(潤滑油/潤滑脂)為載體，在機械運動過程中進入摩擦副表面，通過機械摩擦、摩擦-物理作用和摩擦-化學作用等，在表面發生熔融、改性作用，對磨損表面進行一定程度的填補或修復，以補償所產生的磨損，達到磨損-修復的動態平衡，甚至可形成一定厚度的改性層[13-14]，降低摩擦副的摩擦因數，提高摩擦副接觸表面的硬度，從而延長摩擦副工作壽命。

該試驗通過潤滑脂中添加納米金剛瓷的壽命比對試驗，評估金剛瓷對軸承的節能延壽效果，為重載軸承運行可靠性的提升和驅動能耗的降低提供有效措施[15-16]。

2 壽命比對試驗

2.1 潤滑介質

本研究以克虜伯Klueberplex BEM41-141潤滑脂為基礎脂，在其中添加質量分數為0.8%的金剛瓷，勻脂處理后調制成金剛瓷脂。

2.2 試驗設備及試樣

本次試驗設備采用自主研發的大型軸承壽命試驗機BLT-L3，并在驅動電機上加裝DTS601三相四線電子式電能表，用于記錄壽命試驗過程驅動電機的耗電量。

試驗軸承選取國內某廠生產的與風電機組發電機軸承同型號的深溝球軸承，軸承型號為6332-2RS，共計16套。外形尺寸為d=160 mm×D=340 mm×B=68 mm，額定動載荷Cr=313 kN，極限轉速nL=1 600 r/min。

將軸承隨機分為A、B兩組，每組各8套，A組填裝金剛瓷脂，編號為A1～A8，B組填裝基礎脂，編號為B1～B8，注脂量均為250 g。

2.3 試驗方法與條件

在相同試驗設備和試驗條件下，本研究對軸承強化壽命試驗過程中的驅動能耗和試驗壽命，評估金剛瓷的節能延壽效果。

試驗條件：每次裝機4套軸承，試驗過程中每隔24 h記錄一次電能表數據。

軸承安裝結構示意圖如圖1所示。

圖1 軸承安裝結構示意圖Fr—徑向載荷;Fa—軸向載荷

圖1中，Fr=95.66 kN，Fa=6 kN。

試驗轉速設定n=750 r/min，計算軸承的額定壽命，如下式所示：

(1)

式中：L10 h—軸承基本額定壽命；C—軸承額定動載荷；P—軸承當量動載荷。

試驗方法為定時截尾法，定時截尾時間設定為L1=2 000 h。

2.4 試驗結果

軸承延壽試驗結果如表1所示。

表1 軸承延壽試驗結果

表1為A、B組試樣壽命試驗結果，其中A組均達到2 000 h運行時間，B組則因軸承內圈失效導致未能完成設定的2 000 h試驗時間。

因B組軸承最短失效時間為1 258 h，為避免帶入軸承失效而未停機等額外因素引起的誤差干擾，取前1 000 h的軸承運行能耗數據做研究對比。

軸承能耗試驗結果如表2所示。

表2 軸承能耗試驗結果

表2中，A組平均耗電量為4.59 kWh，B組平均耗電量為4.9 kWh，A組較B組能耗下降6.3%。

2.5 試后檢測

2.5.1 內圈滾道粗糙度檢測

筆者將兩組試驗結束后的軸承拆套，經清洗、干燥后，對軸承未剝落處的內圈滾道進行檢測。

粗糙度檢測結果如表3所示。

表3 試樣表面粗糙度檢測

表3中，A組平均粗糙度為0.040 2 μm，B組平均粗糙度為0.050 6 μm，A組粗糙度經壽命試驗后，粗糙度有所下降。

2.5.2 內圈滾道硬度檢測

筆者挑選2.5.1節中A1、B1軸承試樣，通過納米硬度計對軸承內圈滾道進行檢測。

納米硬度檢測結果如圖2所示。

圖2 軸承內圈滾道納米硬度檢測結果

圖2中，橫坐標為試驗樣件深度，縱坐標為試驗納米硬度值，可見A組試樣在50 nm深度處，納米硬度達到19 GPa，B組試樣在1 300 nm深度處，納米硬度也僅為2.8 GPa。

2.6 結果分析

由表1可見，添加金剛瓷脂的軸承試驗壽命明顯延長；由表2可見，在相同載荷、轉速條件下，軸承驅動能耗明顯降低，平均降幅達到6.30%；由表3可見，經長時間試驗運行后，相對于基礎脂，添加金剛瓷脂的軸承內圈滾道表面粗糙度顯著降低，降低了約20.57%。

由圖2可見，經較長時間試驗運行后，金剛瓷在軸承摩擦副表面形成了表面改性層或修復層，大幅提高了滾道表面硬度，硬度最高可達19 GPa，從而提高了軸承滾道的抗磨性能，延長了軸承的試驗壽命。

3 結束語

通過潤滑脂中添加納米金剛瓷的壽命比對試驗，筆者評估了金剛瓷對軸承的節能延壽效果，為重載軸承運行可靠性的提升和驅動能耗的降低提供了有效措施。

研究結論如下：

(1)金剛瓷脂填入軸承內腔，軸承在高載下經較長時間運行，滾道表面硬度上升到非常高的程度，硬度最高可達19 GPa，大幅度提升了軸承滾道表面的耐磨性能，提高了軸承在重載下的壽命；

(2)金剛瓷脂填入軸承內腔，軸承在高載下經較長時間運行，內圈滾道表面粗糙度相對基礎脂降低了20.57%，降低了摩擦副的摩擦因素使驅動能耗降低了6.30%，證明金剛瓷具有明顯的減摩效果；

(3)未加注金剛瓷脂的軸承試樣試后納米硬度僅為2.8 GPa左右，遠低于套圈基體硬度值8.5 GPa左右，其原因可能是套圈在試驗過程中長期承受高頻交變循環應力作用，導致次表層組織發生改變，形成胞狀鐵素體、鐵素體和初始馬氏體，導致硬度發生退化，同時表面硬化層已被磨損脫落所致。