基于试验法对球轴承温度场进行数据分析

2019-07-23张海鹏赵俊宏申志新谷运龙孟鸿超

轴承 2019年4期

张海鹏，赵俊宏，申志新，谷运龙，孟鸿超

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南洛阳 471039)

轴承的安装配合、游隙、润滑方式、工况等影响轴承的温升与温度分布状态，轴承的温度分布状态与其承载区域和润滑油流体边界等有关。因此，了解轴承温度分布状态有利于合理设计和正确使用轴承，提高其性能和寿命，也可以为轴承系统故障和失效分析提供依据。目前，很多学者采用理论计算或软件仿真对轴承温度场进行了分析。文献[1]基于摩擦学和传热学理论，建立了滚动轴承稳态温度场分布；文献[2]利用热传模型和热流网络原理分析了轴承温度场分布；文献[3]在对轴承传热进行分析的基础上，利用ANSYS软件仿真得出在任意截面上，温度按内圈沟道与球接触点、内圈、球、外圈沟道与球接触点、外圈、轴承座的顺序依次降低；文献[4]建立了考虑结合面接触热阻的角接触球轴承热传递的模型，对比了考虑接触热阻和不考虑接触热阻情况下角接触球轴承温度场的分布情况；文献[5]运用等效热网格法和有限元法对轴承温度场进行分析。根据理论分析可知，轴承温度场大致分布情况为：滚道中心温度高于轴承端面，承载滚动体与滚道中心接触应力大，是发热集中区，温度高于非承载区。现通过试验测量轴承温度，对数据进行整理分析，并与理论温度场分布进行对比。

1 试验方法及设备

以6208深沟球轴承为试验对象，轴承外圈固定，内圈旋转。采用Pt100温度传感器测量轴承温度，其精度高，稳定性好，耐腐蚀，是中低温区(-200～600 ℃)应用最广的温度检测器。在外圈端面中心位置铣2个宽8 mm、深3 mm的缺口，将2个温度传感器分别嵌入缺口中(图1)，相比传统测温杆形式，这种安装方式具有灵敏度高，无温差等优点。

图1 轴承模型Fig.1 Model of bearing

为了验证理论分析的结论，在轴承非承载区(水平线上半部分)侧面安装3个温度传感器(P1，P3，P4)，在承载区(水平线下半部分)侧面安装P2温度传感器，由于沟道中心温度不方便测试，用试1、试2(温度传感器测头直接接触滚道中心对应外圈外表面位置)温度代替沟道中心温度，传感器具体安装方位图如图2所示。

图2 传感器安装方位图Fig.2 Diagram of mounting position of sensor

根据试验要求，设计了如图3所示的试验工装。试验轴承装入外衬套并固定在试验台架上，油缸通过径向加载承载体和加载轴承对轴系施加径向载荷，油缸通过轴向加载承载体对试验轴承施加轴向载荷，润滑系统通过两侧直径为1 mm的喷油嘴对3套轴承(两侧为试验轴承，中间为陪试轴承NU208圆柱滚子轴承)进行润滑。电主轴通过联轴节驱动试验工装主轴和轴承内圈转动。

1—轴向加载承载体；2—试验轴承外衬套；3—1#试验轴承；4—径向加载承载体；5—陪试轴承；6—2#试验轴承；7—试验轴承外衬套；8—喷油嘴

在2 000 N径向载荷下，分别以3 000,6 000,10 000,12 000,15 000,18 000 r/min转速(温度稳定后再升速)进行试验。利用LabVIEW软件对温度、振动、压力、载荷等试验数据进行实时采集、处理、分析、记录及保存。

2 结果与分析

对试验数据进行处理，轴承温度曲线如图4所示，轴承转速曲线如图5所示。

图4 轴承温度曲线Fig.4 Curves of bearing temperature

图5 轴承转速曲线Fig.5 Curve of bearing rotational speed

由图4可知，试1与P2温度相近，高于P1；P3和P4温度相近，均高于试2。试1和试2温度的变化率与P1，P2，P3,P4的差异不大。

试1温度高于P1有2个原因：1)试1位置较P1更接近于理论承载发热区(轴承下半部分)，与理论分析中其温度高于其他位置的结论相符；2)试1在沟道中心，P1在端面，与理论上沟道中心温度高于端面的结论相符。试1与P2温度相近可能是轴向和径向位置差异引起的温差相互抵消。P2温度高于P1是由于P2更接近理论承载发热区；P3，P4对称分布于轴承理论承载发热区两侧，理论上其温度应相同，实际上P3温度略低于P4，这是由于轴承旋转和旋向因素导致P3区域的润滑油多于P4区域，因此该区域润滑油带走的热量多于P4区域；试2温度低于P3，P4温度是由于试2位置距理论承载发热区更远。