滚动轴承打滑蹭伤试验研究*

张 庆 罗 军2 陈 超 曾昭洋 金前冲 徐 进

(1.贵州大学机械工程学院 贵州贵阳 550025；2.贵阳学院化学与材料工程学院, 材料磨损与腐蚀防护贵州省高校工程研究中心 贵州贵阳 550005)

随着大型旋转机械设备朝着高转速、高推重(功重比)比方向发展，作为其重要支撑部件的滚动轴承DN(内径(mm)×转速(r/min))值不断增加。较高的DN值使得滚动轴承在运转过程中表现出滚子打滑、摆动及保持架涡动等动态不稳定状况，进而引起轴承冲击频繁、温升过高、磨损加速、振动及润滑不良等导致的早期失效[1]，其中打滑蹭伤已成为滚动轴承主要早期失效形式之一。由于滚动轴承打滑蹭伤是一个耦合摩擦学、材料学、动力学、热力学等多门学科知识的复杂问题[2]，单纯的理论研究很难获得理想结果，目前部分研究人员已借助试验装置对滚动轴承打滑蹭伤形式之一的涂抹损伤展开试验研究。COCKS和TALLTAN[3]采用双球滑动试验机研究滚动速度、滑动速度、润滑油流量、环境温度、载荷增加速率及球表面粗糙度等因素对轴承涂抹损伤的影响。MARK等[4]基于双辊试验机研究滚动轴承发生涂抹损伤，滚子与滚道间力学特性、摩擦因数、摩擦功率强度、弹流润滑油膜厚度及温度的变化。EVANS等[5]借助四轴试验机评价4种表面涂层/改性层抗涂抹损伤能力；李军宁等[6]利用滚滑试验机研究不同滑差组合导致轴承滑蹭损伤的创成机制。

综上所述，以往研究人员研究滚动轴承打滑蹭伤所采用的试验机，只是单纯模仿滚动体与套圈接触过程，虽取得一定研究进展，却与轴承实际运行过程中，滚动体与套圈所产生的接触过程有所差异。目前仅有SMITH[7]借助滚动轴承试验机研究不同径向油隙对圆柱滚子轴承打滑蹭伤的影响。由于滚动轴承打滑蹭伤具有重要工程应用背景，因此深入研究打滑蹭伤规律具有重要的学术及工程应用价值。本文作者利用先进的高速滚动轴承试验机，基于工况参数对滚动轴承打滑蹭伤展开试验研究，并简要地对试验轴承进行微观分析。

1 试验部分

1.1 轴承试验机

依托清华大学高速滚动轴承试验机开展试验研究。试验机主要由驱动系统、冷却系统、加载系统、测试头装置、润滑系统及数据采集与控制系统组成(见图1所示)。两试验轴承内圈采用过盈配合热装于主轴中心，外圈同样采用过盈配合冷装于密封腔体内侧，中间均由挡环隔开，密封腔体两侧的定位法兰对试验轴承进行轴向定位。润滑油采用喷射方式进入密封腔体对试验轴承进行冷却、润滑，经定位法兰下方回油孔流入测试头腔体，返回油箱。电机通过联轴器带动主轴转动，主轴由两侧支撑轴承(每侧3个，共6个)支撑于测试头腔体内。试验过程中，主轴带动试验轴承内圈旋转，外圈固定(密封腔体固定于测试头腔体)，主轴转速、径向载荷及进油量由控制系统实时控制、监测，试验轴承所受摩擦扭矩、温度、振动加速度以及润滑油温度同样由该系统实时监测。电机、润滑油箱及两侧支撑轴承由水路冷却。该试验机主轴转速控制范围处于0～2×104r/min之间，径向加载控制范围为0～20 kN，试验轴承温度测试范围为室温至200 ℃，摩擦扭矩测试范围为0～15 N·m。

图1 高速滚动轴承试验机结构示意图

1.2 试验材料与方法

采用圆柱滚子轴承为试验对象，其结构参数见表1。试验机采用4109航空润滑油。试验方法：

(1)打滑蹭伤试验：保持径向载荷为0.2 kN，进油量为2.166 L/min，主轴加速度为3.6×105(r/min)/h，仅改变主轴转速，进行轴承打滑蹭伤试验；

(2)烧伤试验：保持径向载荷为1 kN，进油量为4.332 L/min，主轴加速度为3.6×105(r/min)/h，仅改变主轴转速，进行轴承烧伤试验。

试验后，利用FEI Quanta 250 FEG型扫描电子显微镜(SEM)观察试验轴承损伤形貌；利用FEI Quanta 250 FEG型扫描电子显微镜配套Octane pro型能谱仪分析磨斑成分；利用Taylor PGI 420型轮廓仪获取试验轴承表面轮廓；利用线切割对轴承样品切割成适当大小的矩形样品，经镶嵌(树脂热嵌)、磨抛、腐蚀(5%硝酸乙醇溶液)得到待测试样，并置于ZEISS Axio Vert.Al型光学显微镜下观察金相组织。

表1 试验轴承基本参数

2 结果与分析

2.1 打滑蹭伤的实现

图2所示为滚动轴承打滑蹭伤试验曲线。试验过程中径向载荷、进油量、主轴加速度维持恒定，同时不断增加主轴转速，当其达到13 980 r/min时，滚动轴承所受摩擦扭矩、振动加速度及其温度同步突增，整个测试头发出较大异响，拆开测试头检查滚动轴承，在其内圈发现暗灰色“带状”磨损区域，与实际装备在运行中发生打滑蹭伤的轴承的内圈滚道蹭伤带宏观形貌一致(见图3所示)。将蹭伤带区域置于扫描电镜下观察，发现大量大小不一的剥落坑，剥落坑呈“孤岛”状分布，且周边伴随有微裂纹(见图4所示)。进一步对其进行EDX分析，发现O元素(见图5所示)，说明试验过程中滚动轴承内圈滚道表面发生氧化磨损，与方明伟等[9]对实际运行过程中圆柱滚子轴承打滑蹭伤失效分析结果一致。由此断定该滚动轴承试验过程中发生打滑蹭伤。

图3 试验与实际装备运行中打滑蹭伤轴承内圈滚道蹭伤带宏观形貌对比

图4 滚动轴承内圈滚道蹭伤带微观形貌

图5 滚动轴承内圈滚道蹭伤带EDX图谱

滚动轴承高速运转，滚子所受离心力使其远离内圈滚道靠向外圈，产生偏移，进而引起滚子与内圈滚道间油膜拖拽力减小，轴承打滑。打滑会加剧滚子与内圈滚道间摩擦，引起轴承内部摩擦热增大，润滑油黏度下降，材料软化，润滑条件恶化，直至滚子与内圈滚道间润滑油膜破坏，两者瞬间接触，发生滑蹭，引发轴承所受的摩擦扭矩、振动加速度及其温度同步突增[6]。

表2给出滚动轴承打滑蹭伤临界转速。对比第1、第2组试验工况，当进油量自2.166 L/min减为0.541 5 L/min时，滚动轴承打滑蹭伤临界转速自13 980 r/min减为11 050 r/min。这是因为随着进油量减小，一方面滚子与内圈滚道间润滑油膜较薄，在高速运转过程中更易破裂；另一方面，进油量减小使得轴承运行温度冷却效果更差，较高的运行温度，使得润滑油膜同样更易破裂，故打滑蹭伤临界转速较低。

对比第2、第3组试验工况，当径向载荷自1 kN减为0.2 kN，滚动轴承打滑蹭伤临界转速自14 961 r/min减为11 050 r/min。径向载荷较小时，滚动轴承打滑蹭伤临界转速较低。这是因为轻载工况下，滚子所受的油膜拖拽力更不易克服滚子和保持架组件所受各阻力之和，故更易产生打滑。随着主轴转速不断增加，打滑所带来的负面影响越来越大，在相对较低转速下便发生蹭伤。综上所述，滚动轴承在润滑油不充分及轻载工况下，其出现打滑蹭伤时的临界转速更低。

对比第2、3组试验工况，进油量为0.541 5 L/min时，将径向载荷自1 kN减为0.2 kN，滚动轴承打滑蹭伤临界转速自14 961 r/min减为11 050 r/min，减小量为3 911 r/min；对比第1、4组试验工况，进油量为2.166 L/min时，将径向载荷自1 kN减为0.2 kN，滚动轴承打滑蹭伤临界转速自14 910 r/min减为13 980 r/min，减小量为960 r/min。进油量由0.541 5 L/min增加为2.166 L/min，同样将径向载荷自1 kN减为0.2 kN，滚动轴承打滑蹭伤的临界转速减小量降低，可能是因为进油量的增加会在一定程度上减缓径向载荷的变化对滚动轴承打滑蹭伤临界转速的影响。

表2 滚动轴承打滑蹭伤临界转速

图6示出了滚动轴承在打滑蹭伤临界转速下不同运行时间其滚子损伤形貌(由于轴承内圈滚道表面损伤程度具有一定随机性，该处只分析滚子表面轮廓)。轴承在打滑蹭伤转速下分别运行10、40 s，其滚子轮廓最大磨损深度分别约为3、9 μm。可见，滚动轴承打滑蹭伤临界转速下运行时间越长，其磨损越严重。这可能是由于滚动轴承发生打滑蹭伤后，其表面光洁度遭到破坏，摩擦因数加大，磨损过程加速，进而快速破坏轴承轮廓[18]。

图6 滚动轴承打滑蹭伤临界转速下不同运转时间滚子轮廓对 比(F=0.2 kN,L=0.541 5 L/min,a=3.6×105 (r/min)/h)

2.2 烧伤试验

滚动轴承在实际运行过程中发生打滑蹭伤极为隐蔽，在其发生打滑蹭伤后有可能继续以更高转速运转。然而，试验表明这种情况下轴承易发生烧伤。图7所示为滚动轴承烧伤试验曲线。试验过程中径向载荷、进油量、主轴加速度维持恒定，同时不断增加主轴转速，当其增加至18 000 r/min左右时，滚动轴承所受摩擦扭矩、温度及振动加速度同步突增，此时滚动轴承发生打滑蹭伤，继续增加主轴转速至20 000 r/min，并停留一段时间，其中一个滚动轴承温度升至102.8 ℃。拆开测试头并检查该轴承，发现其内圈滚道呈现出不规则椭圆状烧黑区域，并断续环绕整周，滚子基本整周呈暗黑色,如图8所示。

图9所示为烧伤轴承蹭伤表面轮廓。其内圈轮廓最大磨损深度约14.9 μm，滚子轮廓最大磨损深度约10.2 μm，滚动轴承已发生严重磨损。

图7 滚动轴承烧伤试验各参数的变化(F=1 kN, L=4.332 L/min,a=3.6×105 (r/min)/h)

图8 滚动轴承烧伤宏观形貌

图9 滚动轴承烧伤表面轮廓

图10所示为烧伤轴承内圈烧伤区域金相组织。在轴承内圈烧伤表面发现白亮层，白亮层与中心基体区间出现黑色“网状”过渡区，可清楚看见晶粒边界。另外，测量发现，白亮层区域硬度高于中心基体区域。由此可知，该轴承发生二次淬火烧伤，白亮层区域组织为二次淬火马氏体[21]。这可能因为打滑蹭伤后，滚子与内圈接触表面均发生材料迁移，表面光洁度下降，摩擦因数加大，继续更高转速运转将会快速磨损，从而产生大量的热。此外，轴承内圈随其温度不断增加而不断膨胀，径向油隙不断减小，进一步加大接触热的产生，再加上润滑油冷却不及时，使得接触区局部闪温过高，引起表面组织发生变化。当局部闪温超过相变温度时，珠光体向奥氏体转变，随后被相对较冷的基体淬硬，得到淬火马氏体，这就使得接触表面产生二次淬火烧伤[21]。可以预见，滚动轴承实际运行过程中，发生打滑蹭伤后继续以更高转速运转，易产生二次淬火烧伤，大大降低其使用寿命，存在极大安全隐患。故大型装备在实际运行过程中对滚动轴承的打滑蹭伤状况进行实时监测及预防显得尤为重要。

图10 滚动轴承内圈烧伤表面金相组织

3 结论

(1)借助高速滚动轴承试验机实现滚动轴承打滑蹭伤。滚动轴承发生打滑蹭伤瞬间，其所受摩擦扭矩、温度及振动加速度同步突增，且其在润滑不充分及轻载工况下发生打滑蹭伤时的临界转速更低。

(2)滚动轴承在打滑蹭伤临界转速下运转时间越长，磨损越严重。可能是由于滚动轴承一旦发生打滑蹭伤，会破坏其表面光洁度，加大摩擦因数，加速磨损过程，进而破坏轴承形貌。

(3)滚动轴承打滑蹭伤后持续以更高转速运转，易出现二次淬火烧伤，大大降低其使用寿命。故滚动轴承在实际使用过程中，其打滑蹭伤状况的实时监测显得极为重要。