潤(rùn)滑油不同含水量對(duì)滑動(dòng)軸承性能的影響
2010-11-01
作者：徐 華；劉輝萍 （西安交通大學(xué)潤(rùn)滑理論及軸承研究所）
摘 要：通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究滑動(dòng)軸承使用不同含水量的潤(rùn)滑油對(duì)滑動(dòng)軸承性能的影響。通過(guò)構(gòu)建滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)量了工作轉(zhuǎn)速?gòu)?00r/min到2750r/min，工作載荷為2212N，潤(rùn)滑油供油溫度在40℃，潤(rùn)滑油的含水量分別為0％、1％、2％、3％時(shí)滑動(dòng)軸承內(nèi)溫度的變化，軸心的運(yùn)動(dòng)軌跡及相對(duì)的偏心位置的變化。在給定實(shí)驗(yàn)工況下實(shí)驗(yàn)軸承通過(guò)200h以上的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行在線測(cè)量了上述參數(shù)，分析了不同含水量潤(rùn)滑油對(duì)滑動(dòng)軸承壽命的影響。研究結(jié)果表明潤(rùn)滑油少量的含水量對(duì)滑動(dòng)軸承的溫度、軸心的運(yùn)動(dòng)軌跡及相對(duì)的偏心位置影響不大，但是含水潤(rùn)滑油會(huì)對(duì)滑動(dòng)軸承使用壽命會(huì)造成一定的影響，更為準(zhǔn)確的結(jié)果還需長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：流體潤(rùn)滑；滑動(dòng)軸承；運(yùn)動(dòng)軌跡；性能實(shí)驗(yàn)
1 概述
對(duì)于大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如透平機(jī)械，各種泵類和壓縮機(jī)等，其滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng),由于密封和工質(zhì)的問題，而不可避免地造成潤(rùn)滑油會(huì)含有一定量的水份。由于水的動(dòng)力粘度通常僅為潤(rùn)滑油粘度的數(shù)十分之一，因此潤(rùn)滑油含有一定量的水份會(huì)對(duì)滑動(dòng)軸承的性能產(chǎn)生一定的影響，另外潤(rùn)滑油含有一定量的水份對(duì)滑動(dòng)軸承的使用壽命有什么影響？也是工程實(shí)際頗為關(guān)注的問題。
為了研究不同含水量對(duì)滑動(dòng)軸承性能的影響，本文建立滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)和滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究了滑動(dòng)軸承使用不同含水量的潤(rùn)滑油對(duì)滑動(dòng)軸承性能的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的工作轉(zhuǎn)速?gòu)?00r/min到2750r/mi，工作載荷為2212N，潤(rùn)滑油供油溫度在40℃，潤(rùn)滑油的含水量分別為0％、1％、2％、3％。在上述給定的實(shí)驗(yàn)工況下每套實(shí)驗(yàn)軸承通過(guò)200h以上的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，在線測(cè)量了滑動(dòng)軸承內(nèi)溫度的變化，軸心的運(yùn)動(dòng)軌跡及相對(duì)的偏心位置的變化。分析了不同含水量潤(rùn)滑油對(duì)滑動(dòng)軸承壽命的影響。
2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介
關(guān)鍵詞：流體潤(rùn)滑；滑動(dòng)軸承；運(yùn)動(dòng)軌跡；性能實(shí)驗(yàn)
1 概述
對(duì)于大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如透平機(jī)械，各種泵類和壓縮機(jī)等，其滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng),由于密封和工質(zhì)的問題，而不可避免地造成潤(rùn)滑油會(huì)含有一定量的水份。由于水的動(dòng)力粘度通常僅為潤(rùn)滑油粘度的數(shù)十分之一，因此潤(rùn)滑油含有一定量的水份會(huì)對(duì)滑動(dòng)軸承的性能產(chǎn)生一定的影響，另外潤(rùn)滑油含有一定量的水份對(duì)滑動(dòng)軸承的使用壽命有什么影響？也是工程實(shí)際頗為關(guān)注的問題。
為了研究不同含水量對(duì)滑動(dòng)軸承性能的影響，本文建立滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)和滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究了滑動(dòng)軸承使用不同含水量的潤(rùn)滑油對(duì)滑動(dòng)軸承性能的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的工作轉(zhuǎn)速?gòu)?00r/min到2750r/mi，工作載荷為2212N，潤(rùn)滑油供油溫度在40℃，潤(rùn)滑油的含水量分別為0％、1％、2％、3％。在上述給定的實(shí)驗(yàn)工況下每套實(shí)驗(yàn)軸承通過(guò)200h以上的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，在線測(cè)量了滑動(dòng)軸承內(nèi)溫度的變化，軸心的運(yùn)動(dòng)軌跡及相對(duì)的偏心位置的變化。分析了不同含水量潤(rùn)滑油對(duì)滑動(dòng)軸承壽命的影響。
2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1，其中5為主軸，6下軸承座，9上軸承座，10上軸瓦，11下軸瓦，13聯(lián)軸器。實(shí)驗(yàn)軸承為剖分式圓軸承（零件10，11），位于兩個(gè)支撐軸承支持的轉(zhuǎn)軸的中部，在外加載荷作用下可與轉(zhuǎn)軸形成相對(duì)位移。轉(zhuǎn)軸直徑為30mm由Z－17.5型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)采用JSC-601晶閘管實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。潤(rùn)滑油為滿足GB11120-1989標(biāo)準(zhǔn)的L-TSA46抗氧防銹汽輪機(jī)油。靜載荷采用杠桿系統(tǒng)通過(guò)鋼絲繩對(duì)實(shí)驗(yàn)軸承進(jìn)行柔性加載。載荷控制在2000N。采用LF-802A多功能智能轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)軸的工作轉(zhuǎn)速。
圖1試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖
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潤(rùn)滑油溫度控制系統(tǒng)和潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)見圖3
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2 實(shí)驗(yàn)方法
（1）油液取樣方法
取樣的基本采樣點(diǎn)確定在油箱下部的中間位置，位于回油入口點(diǎn)附近。油液的取樣頻率視試驗(yàn)本身而定，本文取樣間隔為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)7×24h一次。每次取樣200mL。
（2）信號(hào)采集系統(tǒng)
如圖4所示，信號(hào)采集硬件上采用了凌華公司DAQ-2214數(shù)據(jù)采集卡，該卡為PCI 結(jié)構(gòu)，具備數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)模擬輸入和模擬輸出電壓信號(hào)。與該采集卡一起采集數(shù)據(jù)的接線端子板為：DIN－68S/1M。軟件方面所使用的平臺(tái)為L(zhǎng)abview開發(fā)的環(huán)境。Labview提供了簡(jiǎn)單易用的圖形化開發(fā)環(huán)境，帶有專門用于數(shù)據(jù)采集和儀器控制的庫(kù)函數(shù)和開發(fā)工具，適用于測(cè)試和控制應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。
（3）溫度測(cè)量
油膜溫度分布難以直接測(cè)量，本文采用的方法是在軸瓦上打孔，將溫度傳感器深入孔內(nèi)。因?yàn)闇囟仁锹冃盘?hào)，油膜溫度測(cè)量不追求采樣頻率，所以試驗(yàn)中把探頭深入到距離軸瓦表面1.5mm附近，這樣既不破壞油膜原有狀態(tài)，又可以測(cè)得溫度分布。由于軸瓦直徑僅為30mm，而普通熱電阻探頭尺寸基本上大于2mm，無(wú)法滿足需要，而熱電偶探頭尺寸可以做到1mm，占用空間小并且安裝方便，因此選用鎳鉻－鎳硅熱電偶溫度傳感器。該傳感器測(cè)得的電壓信號(hào)為10-3數(shù)量級(jí)（單位：V），而采集卡的量程在－10V～＋10V，如果直接采集，難以保證有效位數(shù)，影響測(cè)量的精度，需配置合適的溫度變送器。該實(shí)驗(yàn)選用了ACT溫度變送器，該變送器具有冷端補(bǔ)償，它的輸出電壓為1V～5V。
（1）油液取樣方法
取樣的基本采樣點(diǎn)確定在油箱下部的中間位置，位于回油入口點(diǎn)附近。油液的取樣頻率視試驗(yàn)本身而定，本文取樣間隔為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)7×24h一次。每次取樣200mL。
（2）信號(hào)采集系統(tǒng)
如圖4所示，信號(hào)采集硬件上采用了凌華公司DAQ-2214數(shù)據(jù)采集卡，該卡為PCI 結(jié)構(gòu)，具備數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)模擬輸入和模擬輸出電壓信號(hào)。與該采集卡一起采集數(shù)據(jù)的接線端子板為：DIN－68S/1M。軟件方面所使用的平臺(tái)為L(zhǎng)abview開發(fā)的環(huán)境。Labview提供了簡(jiǎn)單易用的圖形化開發(fā)環(huán)境，帶有專門用于數(shù)據(jù)采集和儀器控制的庫(kù)函數(shù)和開發(fā)工具，適用于測(cè)試和控制應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。
（3）溫度測(cè)量
油膜溫度分布難以直接測(cè)量，本文采用的方法是在軸瓦上打孔，將溫度傳感器深入孔內(nèi)。因?yàn)闇囟仁锹冃盘?hào)，油膜溫度測(cè)量不追求采樣頻率，所以試驗(yàn)中把探頭深入到距離軸瓦表面1.5mm附近，這樣既不破壞油膜原有狀態(tài)，又可以測(cè)得溫度分布。由于軸瓦直徑僅為30mm，而普通熱電阻探頭尺寸基本上大于2mm，無(wú)法滿足需要，而熱電偶探頭尺寸可以做到1mm，占用空間小并且安裝方便，因此選用鎳鉻－鎳硅熱電偶溫度傳感器。該傳感器測(cè)得的電壓信號(hào)為10-3數(shù)量級(jí)（單位：V），而采集卡的量程在－10V～＋10V，如果直接采集，難以保證有效位數(shù)，影響測(cè)量的精度，需配置合適的溫度變送器。該實(shí)驗(yàn)選用了ACT溫度變送器，該變送器具有冷端補(bǔ)償，它的輸出電壓為1V～5V。
（4）位移測(cè)量
測(cè)位移的傳感器有接觸式和非接觸式，接觸式的如光柵位移傳感器，非接觸式如電渦流位移傳感器。電渦流位移傳感器作為非接觸式的傳感器具有靈敏度高、頻率范圍寬、結(jié)構(gòu)尺寸小和不受油污等介質(zhì)的影響，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域。實(shí)際測(cè)軸心軌跡時(shí)，使用兩個(gè)相互垂直的位移傳感器測(cè)出轉(zhuǎn)軸相對(duì)于軸承座的位置變化。
（5）摩擦力矩測(cè)量
摩擦力矩測(cè)量時(shí)將扭矩薄壁套筒的一端與浮動(dòng)的軸承端面聯(lián)接，另一端固定在靜止的底座上。當(dāng)軸承由于軸頸的轉(zhuǎn)動(dòng)受到潤(rùn)滑油膜傳遞的摩擦力矩時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使薄壁套筒發(fā)生變形，從而使貼在套筒壁上的應(yīng)變片阻值發(fā)生變化。進(jìn)而測(cè)出摩擦力矩。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
測(cè)位移的傳感器有接觸式和非接觸式，接觸式的如光柵位移傳感器，非接觸式如電渦流位移傳感器。電渦流位移傳感器作為非接觸式的傳感器具有靈敏度高、頻率范圍寬、結(jié)構(gòu)尺寸小和不受油污等介質(zhì)的影響，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域。實(shí)際測(cè)軸心軌跡時(shí)，使用兩個(gè)相互垂直的位移傳感器測(cè)出轉(zhuǎn)軸相對(duì)于軸承座的位置變化。
（5）摩擦力矩測(cè)量
摩擦力矩測(cè)量時(shí)將扭矩薄壁套筒的一端與浮動(dòng)的軸承端面聯(lián)接，另一端固定在靜止的底座上。當(dāng)軸承由于軸頸的轉(zhuǎn)動(dòng)受到潤(rùn)滑油膜傳遞的摩擦力矩時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使薄壁套筒發(fā)生變形，從而使貼在套筒壁上的應(yīng)變片阻值發(fā)生變化。進(jìn)而測(cè)出摩擦力矩。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
圖5 含水量在2%時(shí)不同轉(zhuǎn)速下軸承溫度分布
圖5中綠色為轉(zhuǎn)速為500r/min的工況，紅色為轉(zhuǎn)速為2750r/min工況下的溫度分布，由圖5可見，潤(rùn)滑油在進(jìn)油孔處的溫度Z低，隨著軸頸順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，溫度逐漸升高，到達(dá)Z小油膜厚度處，溫度達(dá)到Z高，之后溫度又逐漸下降。
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圖6 2000r/min時(shí)不同含水量情況下軸承溫度分布
圖6為工作轉(zhuǎn)速在2000r/min時(shí)不同含水量情況下軸承溫度分布規(guī)律。由圖6可見，含水量為3%時(shí)所測(cè)的Z高溫度與進(jìn)油溫度之差為18.85℃，稍高于含水量為1%時(shí)的溫度。
圖7 2750r/min時(shí)不同含水量情況下軸承摩擦力隨載荷的變化
圖7為轉(zhuǎn)速為2750r/min時(shí)摩擦力與載荷的關(guān)系圖。由圖7可見載荷在770N以下，摩擦力隨載荷的變化比較緩慢；四條曲線比較接近，因此可以認(rèn)為，在轉(zhuǎn)速為2750r/min，載荷在770N以下時(shí)，含水量在1%～3%變化時(shí)對(duì)摩擦力的影響不大。載荷較大時(shí)，如1925N，潤(rùn)滑油含少量的水會(huì)使摩擦力增大。相同含水量，不同轉(zhuǎn)速下的軸心軌跡見圖8。
圖8 含水量為1%時(shí)不同工作轉(zhuǎn)速情況下軸心軌跡圖
從圖8可見在含水量為1%時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的降低，軸心向左下方偏移（軸頸的轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r(shí)針），從而使Z小油膜厚度隨之變薄。
圖9 為轉(zhuǎn)速相同，而含水量不同時(shí)的軸心軌跡圖。
圖9中的“2-2750”表示，含水量為2%、轉(zhuǎn)速為2750r/min，同理“3-500”表示含水量為3%、轉(zhuǎn)速為500r/min。圖9中粉色與藍(lán)色兩條個(gè)曲線為含水量為3%的軸心軌跡，其相對(duì)于含水量為2%的兩個(gè)曲線（黃色與黑色曲線），其Z小油膜厚度要大。
4 結(jié)論
用試驗(yàn)的方法研究了滑動(dòng)軸承使用不同含水量的潤(rùn)滑油對(duì)滑動(dòng)軸承性能的影響。研究結(jié)果表明，潤(rùn)滑油少量的含水量對(duì)滑動(dòng)軸承的溫度、軸心運(yùn)動(dòng)軌跡及相對(duì)偏心位置影響不大，從較大載荷情況下滑動(dòng)軸承的摩擦力變化可見，由于潤(rùn)滑油含水造成摩擦力增大，所以含水潤(rùn)滑油會(huì)對(duì)滑動(dòng)軸承使用壽命會(huì)造成一定的影響，更為準(zhǔn)確的結(jié)果還需長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
圖9中的“2-2750”表示，含水量為2%、轉(zhuǎn)速為2750r/min，同理“3-500”表示含水量為3%、轉(zhuǎn)速為500r/min。圖9中粉色與藍(lán)色兩條個(gè)曲線為含水量為3%的軸心軌跡，其相對(duì)于含水量為2%的兩個(gè)曲線（黃色與黑色曲線），其Z小油膜厚度要大。
4 結(jié)論
用試驗(yàn)的方法研究了滑動(dòng)軸承使用不同含水量的潤(rùn)滑油對(duì)滑動(dòng)軸承性能的影響。研究結(jié)果表明，潤(rùn)滑油少量的含水量對(duì)滑動(dòng)軸承的溫度、軸心運(yùn)動(dòng)軌跡及相對(duì)偏心位置影響不大，從較大載荷情況下滑動(dòng)軸承的摩擦力變化可見，由于潤(rùn)滑油含水造成摩擦力增大，所以含水潤(rùn)滑油會(huì)對(duì)滑動(dòng)軸承使用壽命會(huì)造成一定的影響，更為準(zhǔn)確的結(jié)果還需長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
