滚动轴承与润滑脂寿命试验技术的应用研究

徐国耀 徐晋

摘 要：滚动轴承与润滑脂广泛应用于机械领域，是机械设备的重要组成部分。本文对滚动轴承寿命试验机和润滑脂寿命试验机进行了介绍，指出两类试验机具有相似的原理；同时在润滑脂寿命试验机上对某型号的润滑脂进行了寿命试验，定量描述了轴承运行温度对润滑脂寿命的影响。

关键词：滚动轴承；润滑脂；寿命试验

中图分类号： TH871.6 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）22-171-3

1 概述

滚动轴承普遍应用于各种机械设备，几乎有旋转的地方就配有轴承。随着各行业对轴承的要求愈来愈高，研发高性能、长寿命轴承是今后的主要方向。近年来机械设计和制造技术的稳步提升，使得轴承传统“四大件”对轴承性能的影响降到了最低，这也令润滑脂在轴承中的地位变得愈来愈重要。从润滑脂被称之为“轴承第五大件”[1-2]，即可知道润滑脂在轴承中具有举足轻重的地位。此外，伴随技术的发展，工业领域对滚动轴承的性能要求逐渐增强，滚动轴承的多种特性开始显现并得到研究。在滚动轴承的多种特性中，研究最多的便是轴承疲劳寿命，并已自主研发了多款滚动轴承疲劳寿命强化试验机，还建立了相应的国家标准或行业标准[3]。

然而，轴承离不开润滑，滚动轴承疲劳寿命理论是建立在轴承充分润滑的基础上进行试验研究得到的。当润滑条件受限制，则对轴承的疲劳寿命必然产生重大影响。近些年来对轴承的研究逐步从轴承疲劳寿命过渡到研究难度更高的轴承润滑脂寿命。

轴承润滑脂寿命，简称润滑脂寿命，是指填充于轴承中的润滑脂在一定工作温度、转速和载荷条件下保持自身结构不被破坏和维持润滑特性不发生变化的能力的持续时间[4]。填充于轴承中的润滑脂受到工作温度、轴承转速及载荷等多方面条件的影响，其工作环境非常恶劣。因此，为研究润滑脂在一定温度、转速和载荷等条件下的工作性能和使用寿命，滚动轴承润滑脂寿命试验技术就应运而生了。

2 滚动轴承寿命试验技术

2.1 ZS型轴承寿命试验机

早在20世纪初，我国的轴承工业一直沿用由前苏联研制的ZS型轴承寿命试验机进行轴承寿命试验[5]。试验机采用单个试验头，其试验轴承的安装为封闭式，加载方式为手动加载。在改革开放之前，该试验机在我国的使用率较高。随着工业技术与试验要求的提高，此类试验机的加载系统不稳定、工作强度大、试验成本高，而且无自动控制系统，已无法满足当前高性能长寿命轴承的试验需求。

2.2 F&M5型滚动轴承疲劳寿命试验机

F&M5型轴承寿命试验机技术最初是从美国引进的，与ZS型轴承寿命试验机不同的是，它采用两套试验头，试验轴承的安装为开启式，使得观察方便且便于装拆，其加载方式采用砝码和减压阀，具有连续补偿功能，精度高。然而该设备体型大且成本高昂，其气动高压动力源的使用频率为60Hz，不太适合中国国情。故该试验机的推广具有一定的局限性。

2.3 ABLT系列滚动轴承寿命强化试验机

ABLT（Accelerated Bearing Life Tester）系列滚动轴承疲劳寿命强化试验机是由杭州轴承试验研究中心在20世纪90年代始对国外先进试验机技术持续吸收的基础上进行研制的新一代具有自动控制功能的滚动轴承疲劳寿命试验机。经过20多年的技术持续消化和自主创新，已经研制了ABLT系列（ABLT-1～ABLT-5）的试验机，可对内径从5mm到240mm范围内的绝大多数轴承进行疲劳寿命试验。表1列举了该系列试验机的主要性能参数。相比于ZS型轴承寿命试验机和F&M5型轴承寿命试验机，ABLT系列轴承寿命试验机不但具有加载稳定、操作方面、使用可靠等方面的优点，而且在一定程度上采用了自动化控制技术，现已广泛使用于各大企业及科学研究机构，如瓦房店轴承集团有限公司检测试验中心、中国·摩士集团宁波轴承研究院和浙江工业大学等

3 轴承润滑脂寿命试验技术

轴承发生疲劳剥落前，有一个“润滑寿命”的概念，即润滑脂从开始运行至润滑脂发生失效的持续时间，对轴承润滑脂进行寿命试验就是测试出该阶段的持续时间。

与轴承疲劳寿命试验机一样，润滑脂寿命试验机也是在一定的温度、转速及载荷的作用下进行试验的，两类试验机具有相似的原理，图1表示的是润滑脂寿命试验机的结构示意图。

1—电机；2—V带；3—变速箱；4—联轴器；5—扭矩传感器；6—前支承；7—传动轴；8—后支承；9—轴承箱；10—试验轴承；11—恒温箱；12—轴向加载油缸；13—径向加载油缸

图1 润滑脂轴承寿命试验机结构简图

目前国内外沿用的轴承润滑脂寿命试验机与图1描述的类似，均是通过电动机带动试验主轴，采用液压方式加载或机械方式加载，不同的是有些试验机只有轴向载荷，而有些具备轴向和径向载荷，不同试验机的试验标准各异。

比如，瑞典SKF公司研制的SKF ROF轴承润滑脂寿命试验机，其运行参数[7]：转速5000～25000r/min；温度范围从室温到230℃变化；径向载荷50～900N，轴向载荷100～1100N；试验所用轴承为6202、6203、6204和608轴承。在试验过程中，当出现试验轴承温度或电机电流超过设定值时，自动停机。所得试验结果用Weibest进行数据处理，包括按90%置信度计算出装有待测润滑脂的轴承的10%和50%失效概率的运行时间。

此外，德国标准化学会根据高温、重载的润滑脂试验要求，制定了DIN 51821《润滑剂的检验 在FAG滚动轴承润滑脂检验设备FE9上检验 润滑脂检验方法》试验标准，并研制了与该试验方法配套的FE9滚动轴承润滑脂寿命试验机[4]。该试验机一次能试验5套轴承，在轴承连续运转中，直到某套轴承因润滑脂失效导致旋转摩擦力矩增大到至少为稳定状态的2倍时自动停机。

针对这些润滑脂寿命试验机，国际上相关研究机构及企业制定了相应的试验标准，比如ASTM D3336、DIN 51821、SH/T0428等。因此，有了试验标准和试验机就可以进行轴承润滑脂寿命试验。

4 润滑脂寿命试验的实验研究

有关润滑脂寿命试验的研究显示[8]，轴承试验中的润滑脂失效可以通过快速增加温度或扭矩来实现，即热负荷与动力负荷，也就是通过改变温度、转速和载荷，对润滑脂寿命进行研究。本次实验主要研究的是温度对润滑脂寿命的影响。

4.1 试验参数及方法

试验设备及试验标准：FE9轴承润滑脂寿命试验机和DIN 51821《润滑剂的检验 在FAG滚动轴承润滑脂检验设备FE9上检验 润滑脂检验方法》试验标准。

试验条件：Ⅰ组：试验温度150℃、试验转速6000rpm、载荷1500N；Ⅱ组：试验温度170℃、试验转速6000rpm、载荷1500N。

试验用润滑脂：某型号润滑脂A，其各项指标如表2所示。

试验轴承：7206B型角接触球轴承，其要求满足DIN 51821试验标准。

4.2 试验过程及步骤

①把轴承部分地浸入清洗溶剂中，清洗剂为90%石油醚和10%酒精，用镊子转动清洗，静置15min。再用新的溶剂反复清洗，直至轴承清洁，完全没有润滑剂。

②将试验轴承放置于温度100℃的电热鼓风恒温干燥箱中，静置2～3min。

③取样2ml润滑脂样品A，用刮刀将润滑脂样品均匀地装填到轴承内，润滑脂不得超过轴承圈表面。

④把轴承装入轴承套中，并用压内环的方式将其安装到试验轴上，配准轴向载荷，使得热电偶和试验轴承外圈接触上，并联上盖板。

⑤按顺序开启总电源、驱动电源与控制电源，启动计算机，运行“滚动轴承润滑脂寿命试验系统”测试软件，进入界面。

⑥跑合。在设定25℃、1500r/min、1500N的条件下进行2小时跑合试验，其目的是使润滑脂充分分布在轴承内部。

⑦运行。在设定的条件下运行，每组试验进行3次重复试验。

⑧实验数据记录。数据结果见表3。

4.3 试验结果分析

润滑脂寿命满足Weibull分布，可通过对数威布尔分布的位置参数和尺度参数的最佳线性无偏估计（BLUE，Best Linear Unbiased Estimation）简便迅速地进行寿命试验的数据处理，从而获得寿命特征的估计值[9]。表4列出了Ⅰ组和Ⅱ组的数据结果，表中分别给出了在两组试验条件下得到的润滑脂特征寿命、90%可靠度寿命L10、50%可靠度寿命L50以及平均寿命LM。

从表4可以分析得出，当其它试验条件一致时，温度越高，润滑脂可靠性寿命值就越小。从Ⅰ组和Ⅱ组的比较可以得出，温度增加20℃，L10降低了12.04%； L50降低了60.48%；平均寿命LM降低了69.68%。

根据表4得出的结果，可绘制出Ⅰ组和Ⅱ组相应的可靠度函数，即可靠度函数R（L）随着寿命值L的变化曲线图，分别如图2、图3所示。

5 结论

本文对滚动轴承寿命试验技术和轴承润滑脂寿命试验技术进行了简单的介绍，指出这两种试验技术具有一定的共性。同时在轴承润滑脂寿命试验机上，针对某型号的润滑脂进行了寿命试验，主要考察了温度对润滑脂寿命的影响。实验结果显示，当温度从150℃上升至170℃，90%可靠度寿命L10的减小量不大，但50%可靠度寿命L50和平均寿命LM显著降低，逾六成之多。

此外，温度只是影响润滑脂寿命众多因素中的一个，若要详细研究润滑脂寿命的影响因素，还须分别对这些因素进行研究，而且各种因素可能存在交互影响，因此对润滑脂寿命试验的研究还有很长的路要走。

参 考 文 献

[1] 李兴林，蒋万里，吴宝杰，刘庆廉.我国滚动轴承润滑脂现状与发展（上）[J].现代零部件，2004，10：81-82.

[2] 刘泽九，贺士荃，李兴林等.滚动轴承应用手册[M].北京：机械工业出版社，2014.

[3] 李兴林，张燕辽，张仰平，陆水根，卓继志，鄢建辉.滚动轴承寿命及可靠性试验应用[A].2009年全国机械可靠性技术学术交流会暨第四届可靠性工程分会成立大会论文集[C].中国机械工程学会可靠性工程分会，

2009：5.

[4] 李兴林，薛进，吴宝杰，冯强，章有良，陈掌娥.滚动轴承润滑脂寿命试验技术进展[J].石油商技，2011，06：26-29.

[5] 宋剑虹，李超强，张旭.ZS-15/30型轴承寿命试验机全自动改造[J].轴承，2010，12：42-45.

[6] 李兴林，张燕辽，曹茂来，张仰平，陆水根，李建平.滚动轴承寿命试验机及其试验技术的现状及发展[J].试验技术与试验机，2007，03：1-6.

[7] 颉敏杰，谢惊春，安旭鹏.轴承润滑脂寿命试验方法概述[J].石油商技，2012，05：29-31.

[8] Cann P M. Grease Degradation in ROF Bearing Tests[J]. Tribology transactions， 2007，50： 187-197.

[9] 第四机械工业部标准化研究所.可靠性试验用表[M].北京：国防工业出版社，1979.