油膜轴承润滑油温度特性实验研究

王 淼，王建梅，蔡 敏

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

随着科学技术的不断发展，油膜轴承设备的使用工况日益苛刻，油膜轴承油作为油膜轴承安全运转的血液，其润滑性能将直接影响机械的正常运转和使用寿命[1]，因此对油膜轴承润滑油提出了更高要求。设备润滑过程中，润滑油温升主要由功耗变热引起，以对流和传热方式不能完全把功耗产生的热量带走，将使得润滑油温度升高，从而降低润滑油的粘度。油膜轴承油粘度的降低会造成轴承承载能力下降，油膜厚度变薄，容易导致两摩擦副之间的摩擦磨损或者更严重的事故[2]。因此，润滑油的运行性能是决定设备使用性能的关键[3]。

近年来，周朝勤[4]对460号油膜轴承油的应用进行了研究；马宏等[5]人对100号油膜轴承油在不锈钢线材轧机上的应用进行了研究。本文基于大型油膜轴承试验台，对三种润滑油进行了运行测试，通过实时监测油膜轴承不同区域的热电偶的温度，以反映不同润滑油在在同一工况下的温度特性，为油膜轴承润滑油的选用提供参考价值。

1 实验方法

1.1 实验设备

图1所示为大型油膜轴承试验台，主要由机械系统、动压润滑系统、静压润滑系统、增速器稀油润滑系统、液压加载系统、电气控制系统、气动控制系统和数据采集系统组成。通过直流电机和液压加载系统来完成轧辊转速和轴承载荷的调控，以实现不同工况下油膜特性参数的动态测量。试验轴承采用线性度好、灵敏度高、稳定性和均匀性好的T型热电偶测量油膜温度，将采集的模拟信号经过PLC转化后存入计算机数据库，便于数据处理分析。

图1 大型油膜轴承试验台Fig.1 The large-scale test platform of oil-film bearing

1.2 实验原理

在试验轴承承载区和非承载区安装T型热电偶，实时采集不同润滑油实验过程中轴承表面的油膜温度，获得油膜温度随时间变化曲线。通过分析轴承不同部位温度随时间的变化关系，判断轴承各部位油膜厚度，进而分析出润滑性能。最后，将实验数据进行整理，分析不同润滑油性能的差异。

试验轴承T型热电偶分布如图2和图3.

图2 承载区热电偶分布Fig.2 The distribution of thermocouples in theload-carrying area

图3 非承载区热电偶分布Fig.3 The distribution of thermocouples in thenon load-carrying field

1.3 实验油品

基于大型油膜轴承试验台对油膜轴承润滑油进行实验性能检测，实验过程中采用了三种润滑油，分别是润滑油460A、润滑油220A和润滑油220B.

2 数据处理与分析

根据实验过程中所采集的相关数据，对460A与220A、220A与220B进行比较分析，得到了不同油品使用性能的差异。

根据轴承结构特性，为了准确、简洁地表示和对比出不同油品的性能差异，本文选取了油膜轴承内具有代表性位置的承载区温度数据进行处理[6]，并且将轴承中几个特殊部位的热电偶测得的温度数据单独取出进行对比。

处理时，将承载区每组数据分为轴向和周向两部分。轴承内承载区热电偶的分布如图2所示，热电偶1～12所在方向为周向，热电偶13、6、14、15所在方向为轴向。

2.1 460A与220A对比分析

选取对应工况相同时间段的数据对460A与220A进行对比；当对比承载区周向与轴向温度时，将运行时间平均分成六段，每点取该时间段内的平均值，画出热电偶温度随时间变化图。

注：p表示period，例如1st-p表示1st-period图4 300 r/min-6 MPa工况下460A与220A承载区周向油膜温度对比Fig.4 Circumferential oil-film temperature contrast of 460A and 220A at 300 r/min-6 MPa

图4为300 r/min-6 MPa工况下460A与220A润滑油膜轴承时承载区周向温度对比。从图中可知，最高温度都是出现在同一个位置，同一时刻周向油膜温度的分布趋势相同，随着轧辊运行时间的增加，两种润滑油工作时油膜温度经历了从逐步升高到渐渐平稳的过程。但是460A最高温度与最低温度之差要大，对于同一热电偶，460A大约升高6.5 ℃，比220A高1.5 ℃.

图5为300 r/min-6 MPa工况下460A与220A润滑油膜轴承时承载区轴向温度对比，可知两种润滑油工作时轴向油膜温度分布趋势相同，都呈凹形“抛物线”型，但是与理论计算结果[7](凸形“抛物线”型)相反，主要是因为试验台轴承采用端泄回油，通过润滑油带走的热量汇聚于轴承两端使其温度较高。460A最高温度与最低温度之差要大，对于同一热电偶，460A升高约5 ℃，比220A高约1 ℃.

注：p表示period，例如1st-p表示1st-period图5 300 r/min-6 MPa工况下460A与220A承载区轴向油膜温度对比Fig.5 Axial oil-film temperature contrast of 460A and 220A at 300 r/min-6 MPa

综合图4-5可知，相同工况下，两种润滑油460A和220A工作时承载区各温度分布的趋势基本相同，但220A的温度变化比460A更缓慢平稳。主要是由于高粘度润滑油运动时分子之间的摩擦变大，流动过程中阻力所产生的热量增加，使得油膜温度升高。虽然润滑油粘度随着油膜温度的升高而降低[8]，但其流动性能依然比220A差，产生的热量不易被润滑油带走，温升梯度大，所以220A的油膜温度较先达到稳定状态。

图6 300 r/min-6 MPa工况下460A与220A特殊部位油膜温度对比Fig.6 Oil-film temperature contrast of 460A and 220Aof special locations at 300 r/min-6 MPa

图6为相同时间内460A与220A中特殊热电偶的温度随时间的变化曲线。其中T3位于承载区接近入油口处，T6位于承载区周向与轴向的交点处，T8靠近承载区中心，T21位于非承载区靠近入油口位置。

图6表明不同油品运行时T3、T6、T8、T21温度均随时间变化而不断增长。460A中四个热电偶的起始温度均高于220A，相同时间内的温升也全部高于220A.从图中曲线趋势可知，220A的温度将会先于460A达到稳定状态，实现热平衡。主要由于220A的粘度较低，其内摩擦小于460A，轴承运转时受到的阻力较小，产生的热量较少，并且其流动性比460A好，更容易将热量带走，使润滑油温度上升速度降低。460A虽然粘度大，形成的油膜厚度较大，可以更有效地避免两摩擦副的直接接触，但其内摩擦较大，由摩擦产生的热量较多，且流动性较差，不易将热量及时带走，所以温升梯度大。

以上两种润滑油温度特性虽然存在差异，但运行情况都比较稳定，能满足设备正常的润滑需求。

2.2 220A与220B对比分析

选取对应工况相同时间段的数据对220A与220B进行对比；当对比承载区周向与轴向温度时，将运行时间平均分成八段，每点取该时间段内的平均值，画出热电偶温度随时间变化图。

注：p表示period，例如1st-p表示1st-period图7 300 r/min-6 MPa工况下220A与220B承载区周向油膜温度对比Fig.7 Circumferential oil-film temperature contrast of 220A and 220B of load-carrying area at 300 r/min-6 MPa

图7为300 r/min-6 MPa工况下220A与220B润滑油膜轴承时承载区周向温度对比。从图可知，最高温度出现在同一位置，同一时刻周向油膜温度分布趋势相同，随着轧辊运行时间增加，两种润滑油工作时油膜温度经历了从逐步升高到渐渐平稳的过程。但是220A最高温度与最低温度之差要小，对于同一热电偶，220A大约升高12 ℃，比220B低8 ℃.

注：p表示period，例如1st-p表示1st-period图8 300 r/min-6 MPa工况下220A与220B承载区轴向油膜温度对比Fig.8 Axial oil-film temperature contrast of 220Aand 220B of load-carrying area at 300 r/min-6 MPa

图8为300 r/min-6 MPa工况下220A与220B润滑油膜轴承时承载区轴向温度对比。由图可知，两种润滑油工作时轴向油膜温度分布趋势相同，都呈凹形“抛物线”型，与理论计算结果[7](凸形“抛物线”型)相反，可能是因为试验台轴承采用端泄回油，通过润滑油带走的热量汇聚于轴承两端使其温度较高。220A最高温度与最低温度之差要小，对于同一热电偶，220A升高约10 ℃，比220B低约7 ℃.

综合图7-8可知，相同工况下，两种润滑油220A和220B工作时承载区各温度分布的趋势基本相同，但220A的温度变化比220B更缓慢平稳。主要是由于220A与220B理论粘度相同，但实际运行样品中所测粘度220A始终稍大于220B，表明220B的流动性比220A好一些，但是粘度偏低，容易造成两摩擦副的直接接触，导致摩擦增加的热量大，不易被润滑油流动带走，所以温升梯度较大，且达到热平衡所需的时间较长[2]。

图9为相同时间内220A与220B中特殊热电偶的温度随时间的变化。由图可知，220A与220B中温度均随时间变化而不断增长。220A中四个热电偶的起始温度均高于220B，但相同时间内的温升小于220B.两种润滑油的最终温度很接近，从两条温度曲线的趋势看，220A将会先于220B达到稳定状态，实现热平衡。原因在于220B粘度随时间变化始终稍低于220A，220B在轴承运转过程中形成的油膜厚度相比来说要小一些，有可能造成两摩擦副的直接接触，使摩擦产生的热量增加，并且摩擦增加的热量不易被润滑油流动带走，温度升高较快且达到热平衡所需的时间较长。

图9 300 r/min-6 MPa工况下220A与220B特殊部位油膜温度对比Fig.9 Oil-film temperature contrast of 220A and 220Bof special locations at 300 r/min-6 MPa

以上两种润滑油温度特性虽然稍有差异，但运行情况都比较稳定，均能满足设备正常的润滑需求。

3 结论

(1)通过大型油膜轴承试验台采集的实验数据，分析了460A与220A、220A和220B的温度特性。其中，460A和220A工作时各温度分布的趋势基本相同，但220A的温度变化比460A更缓慢平稳；220A和220B工作时各温度分布的趋势基本相同，但220A的温度变化比220B更缓慢平稳。为油膜轴承润滑油的选取提供了数据支持和理论依据。

(2)提出了一种基于相同工况下不同润滑油的油温数据，对比分析不同润滑油在承载区轴向和周向的温度特性，分析润滑油性能的台架实验方法。

参考文献：

[1] 陈斌，王忠.用近红外透射光谱快速检测内燃机润滑油性能[J].农业机械学报，2002，33(5)：17-19.

[2] 董浚修.润滑原理及润滑油[M].北京：中国石化出版社，1998.

[3] 冯健，郭永胜.油膜轴承与油膜轴承油[J].太原重型机械学院学报，2002，23(S0)：52-54.

[4] 马宏，金承华，芦涛，等.100号油膜轴承油在不锈钢线材轧机上的应用[J].合成润滑材料，2012，39(1)：22-23.

[5] 周朝勤.460号油膜轴承油的应用[J].合成润滑材料，2008，35(2)：14-15.

[6] 孙建召，王建梅，薛涛，等.轧机轴承润滑油膜温度场有限元分析[J].润滑与密封，2011，36(1)：39-42.

[7] 王建梅，黄庆学，杨世春.大型轧机油膜轴承的三维弹性流体动力润滑分析[J].太原重型机械学院学报，2004，25(S0)：14-17.

[8] 张大虎，谢凤.润滑油的理化性能及意义[J].合成润滑材料，2004，31(4)：29-31.