圆锥滚子轴承油气润滑试验研究

李志恒，马洪伟，郭峰，栗心明 ，刘牧原

(1.青岛理工大学 机械工程学院 ，山东 青岛 266000；2.青岛钢铁控股集团有限责任公司，山东 青岛 266000)

随着旋转机械不断朝着高速化发展，对滚动轴承转速的要求也不断提高。润滑方式是影响轴承转速的重要因素之一。油气润滑技术又称作“气液两相流体冷却润滑技术”，以其微量、高效、环境污染小等优点，广泛应用于钢铁及冶金行业。但是对于油气润滑参数的使用却没有形成规范，并且研究大多集中于球轴承润滑参数，针对滚子轴承润滑参数的研究很少。

文献[1]介绍了油气润滑系统的工作原理、组成和技术要求；文献[2]研究了油气入口位置和进气量对滚动轴承外圈温度的影响；文献[3]研究了供油量、黏度、转速以及油气压力对高速滚动轴承温升的影响；文献[4]研究了油气供油系统中各供油参数对供油率的影响；文献[5]研究了轴承转速、预紧力以及气压对轴承温升的影响。

通过在钢铁厂现场调研发现，中棒生产线上导卫轴承(潮湿多粉尘的工作环境,精轧速度可达15～18 m/s)更换频繁，这与其不当的油气润滑参数有很大关系。因此，以该生产线上的圆锥滚子轴承作为试验对象，研究油气润滑参数(输油管道长度、预紧力、喷嘴个数、气压、转速和供油量)对轴承温升的影响，以温升作为评价油气润滑效果的指标，得出圆锥滚子轴承的最佳油气润滑参数。

1 试验

为了获得油气润滑工作参数对滚动轴承润滑性能的影响，采用图1所示的高速滚动轴承试验装置。

1—喷嘴；2—温度传感器；3—高速电主轴；4—被测轴承

被测轴承为HR32307J圆锥滚子轴承，参数见表1。驱动源为动压润滑高速电主轴，利用变频器对其进行调速，转速范围为0～20 000 r/min；轴承测试单元采用对称式结构置于电主轴两侧；喷嘴中心正对于滚子和内圈接触区；轴承轴向预紧力由两端对称式加载系统施加，通过滚珠丝杠挤压弹簧实现机械弹簧式加载；采用pt100铂电阻温度传感器测量轴承外圈温升，其测温范围为-200～500 ℃。润滑油采用长城46#齿轮油，油气润滑器每次供油量为0.1 mL，若每60 s供一次油，则每小时供油量为6 mL。以此类推，每小时供油量和时间间隔对应关系见表2。

表1 轴承参数

保持试验的室温和油气入口温度始终为20 ℃，研究不同管道长度、预紧力、转速、喷嘴个数及供油量对轴承温升的影响。试验中，轴承从同一初始温度开始运行，当温度稳定时(约30 min)，轴承外圈温度与初始温度之差即为轴承温升。每组试验均进行3次，试验结果取平均值。

表2 供油量和时间间隔

2 结果与讨论

2.1 管道长度与温升的关系

油气输送管道选用外径为6 mm，内径为4 mm的塑料管。管道长度影响油膜的形成及油膜厚度，同时内壁阻力会造成压缩空气流速的损失，进而影响轴承的润滑和冷却效果。

轴向预紧力100 N，供油量5 mL/h，转速5 000 r/min，供气压力0.25 MPa下，管道长度分别为0.6，1.2，1.8，2.4，3.0，3.6 m时的轴承温升如图2所示。

图2 管道长度对轴承温升的影响

由图2可知，管道长度为1.2 m时，轴承温升最低。在油气润滑中，管道不仅用来输送冷却空气和润滑油，还可分散油滴。当管道长度低于1.2 m时，油滴分散情况不好，导致润滑波动很大，轴承温升增加；当管道长度超过1.2 m时，管道内壁阻力增加，空气流速相对降低，从而导致温升呈线性增长。因此，选用1.2 m的管道进行后续试验。

2.2 预紧力与温升的关系

管长1.2 m，转速5 000 r/min，供气压力0.25 MPa，供油量5 mL/h下，轴向预紧力对轴承温升的影响如图3所示。

图3 轴向预紧力对轴承温升的影响

由图3可知，随着轴向预紧力的增加，轴承温升基本呈线性增长。这是由于随着轴向预紧力的增加，轴承有效游隙逐渐减小，滚子、保持架、滚道以及端面挡圈之间的摩擦生热加剧，导致轴承温升逐渐增加。但预紧力在该范围内的增长并未使有效游隙减小为负值，所以温升并未出现剧烈变化。

2.3 喷嘴个数与温升的关系

轴承内润滑油液分布的均匀性对于轴承内部各位置油膜的形成有极大影响，当各个位置润滑油量不同时，成膜难易程度不同。通常喷嘴喷射区域润滑油量多，而非喷射区位置润滑油较少。适当的增加喷嘴个数可以减少这些因素引起的温升。

管长1.2 m，转速5 000 r/min，供气压力0.25 MPa，轴向预紧力100 N，供油量5 mL/h，轴承喷嘴位置如图4所示。使用一个喷嘴时，放置在位置1；使用2个喷嘴时，放置在位置1，2。依次类推，增加喷嘴数量时，其放置位置依次在3，4。喷嘴个数对轴承温升的影响如图5所示。

图4 喷嘴位置

图5 喷嘴个数对轴承温升的影响

由图5可知，当喷嘴个数为3时，轴承温升最低。这是因为当喷嘴个数增加到3时，轴承各个位置供油量更加均匀，有利于均匀润滑油膜的形成，而且不会造成供油量过多引起的搅油温升。但是，喷嘴个数继续增加，每个出口的压缩空气流量及压力明显下降，此时压缩空气的冷却作用下降，造成轴承温升增加；同时，空气压力的降低还可能造成喷嘴处供油波动性增加，影响润滑油膜的形成。具体的形成机理需进行流体力学方面的定量分析。

2.4 气体压力与温升的关系

轴承温升除了受轴承滚子、保持架与套圈之间的摩擦生热以及富油状态下搅拌润滑油产生的热量影响外，还受到压缩空气量的影响。相同情况下气压越大，压缩空气量也就越大。

管长1.2 m，转速5 000 r/min，轴向预紧力100 N，供油量5 mL/h下，供气压力分别为0.20,0.25,0.30,0.35,0.40 MPa的轴承温升如图6所示。

图6 供气压力对轴承温升的影响

由图6可知，随着供气压力的增加，轴承温升逐渐减小，这是因为气压增加，使得相同情况下压缩空气量带走的热量增加，导致温升减小。而温升减小趋势逐渐减缓，是由于气压的增加不仅仅影响压缩空气量，还使同一出口处的油液流度逐渐增加，导致部分润滑油反弹或飞溅，未能黏附在轴承接触区形成润滑油膜，摩擦生热，降低压缩空气的冷却效果。

2.5 转速与轴承温升的关系

管长1.2 m，轴向预紧力100 N，供气压力0.25 MPa，供油量5 mL/h下，转速从3 000～7 000 r/min的轴承温升如图7所示。

由图7可知，轴承温升随转速增大明显增加，增幅也逐渐变大，尤其是5 000～7 000 r/min时温升快速增加。这是因为转速增大，不利于润滑油供油，内部润滑条件变差，同时增加打滑几率，摩擦力增加；由Palmgren经验公式[6]可知，发热量可以通过转速与摩擦力矩相乘获得，同时摩擦力矩又是转速的函数，即发热量与转速是高阶函数的关系。所以随着转速增加，轴承产生大量的热量，从而导致温升快速增加。此外，高速下自旋力矩引起的轴承发热量增加也不可忽略。

图7 转速对轴承温升的影响

2.6 供油量与轴承温升的关系

试验采用导流式喷嘴，结构如图8所示。该喷嘴在普通喷嘴基础上增加了导流体，可以减小供油点供油量随时间的波动，供油有效面积集中，油滴均匀。

图8 导流式喷嘴结构示意图

管长1.2 m，转速5 000 r/min，轴向预紧力100 N，供气压力0.25 MPa下，2种喷嘴的供油量对轴承温升的影响如图9所示。

图9 供油量对轴承温升的影响

由图9可知，2种喷嘴在不同供油量下的温升变化趋势基本相同，均存在一个温升最低点，即最佳供油量，当供油量高于最佳供油量，轴承处于富油状态，搅油阻力增大，轴承温升增加；低于该油量时，轴承处于贫油状态，润滑不充分，摩擦增加，温升增加。导流式喷嘴最佳供油量为2.5 mL/h；普通孔式喷嘴的最佳供油量为5 mL/h，即导流式喷嘴使温升-供油量曲线左移。该差别源于导流式喷嘴的供油有效性及均匀性。导流式喷嘴的最佳供油量较普通喷嘴的低40%～50%。

3 结论

在研究的试验条件下可得：

1)最佳输油管道长度为1.2 m，最佳喷嘴个数为3个，最佳气压范围为0.25～0.4 MPa。

2)轴承轴向预紧力和转速均与温升呈线性递增关系。

3)导流式喷嘴的最佳供油量小于普通孔式喷嘴的最佳供油量。