氮化硅陶瓷滚子轴承的抗断油能力试验

袁玉同，李红涛，李鸿亮

(1．河南能源化工集团 装备制造事业部，郑州 450046；2．空军驻洛阳地区代表室，河南 洛阳 471000；3．洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

随着航空、航天工业的高速发展，各类主机性能要求越来越高，轴承在高速运转中可能会遇到贫油或断油等工况，其性能和可靠性受到严峻考验。为了改善轴承高速时的抗断油能力，避免因轴承抱死而造成的严重事故，对氮化硅陶瓷材料滚动体开展了相关研究，这是由于氮化硅陶瓷密度较低，高温力学性能优良，高温(1 300 ℃)化学稳定性。目前，氮化硅陶瓷球轴承已批量应用于高速机床、燃气轮机、涡轮增压器等高速结构中，而氮化硅陶瓷滚子比球的加工工艺复杂，故混合陶瓷滚子轴承的性能仍在试验研究中[1]。

现分别对混合陶瓷滚子轴承和全钢滚子轴承进行断油试验，对比2种轴承的抗断油能力。

1 试验

1.1 试样

试验轴承型号为NU208，其主要参数见表1。套圈材料为8Cr4Mo4V，保持架材料为铝青铜，滚子材料分别为8Cr4Mo4V和氮化硅，2种材料的特性见表2。

表1 NU208轴承主要参数

表2 2种材料特性

1.2 试验设备

试验设备为简支梁高温高速试验机，其轴系结构如图1所示。

1—轴向加载；2，5—支承轴承；3—试验轴承；4—径向加载;6—喷油嘴

试验轴承安装于轴系中间，2支点端为支承轴承；电主轴通过柔性联轴器与试验主轴相连拖动轴系高速旋转；径向载荷由径向加载活塞通过加载套直接施加于试验轴承外圈上；在试验轴承两侧有2只喷油嘴进行高温喷油润滑，支承轴承通过中间2只喷油嘴旁路孔喷油润滑。

1.3 试验方法

随机选取混合陶瓷轴承和全钢轴承各1套进行断油试验，采用长城牌4010合成航空润滑油进行润滑。每套轴承断油试验前跑合30 min，跑合试验参数见表3。断油试验参数见表4。工况1下油泵运转参数见表5。其他工况下断油时油泵运转参数与此类似，仅供油泵停止的时间随工况变化。

表3 跑合试验参数

表4 断油试验方案

表5 工况1下油泵运转参数

2 结果与分析

轴承断油试验监测数据见表6。由表可知，在工况1和工况2下，2种轴承均通过3次30 s的断油试验；在工况3下，全钢轴承通过2次40 s断油试验，第3次断油14 s时，轴承卡死，报警停机，而混合轴承顺利通过断油试验；在工况4下，混合陶瓷轴承断油45 s时，主机电流增大至33 A报警停机。由此可知，混合轴承的抗断油能力优于全钢轴承。

表6 断油试验监测数据

断油试验后2种轴承形貌如图2所示。由图可知，全钢轴承卡死，套圈和保持架表面均有炭黑色附着物(图2a)；混合陶瓷轴承转动灵活，内、外圈滚道受力区有轻微磨损划伤，保持架表面有炭黑色附着物(图2b)。这是因为陶瓷材料的热膨胀系数较低，故混合陶瓷轴承断油时不会因温度急剧升高而卡死。

(a)全钢轴承

轴承断油试验时轴承外圈温度曲线如图3所示。由图可知，在2种轴承均顺利通过的断油试验(工况1～工况3)中，混合陶瓷轴承外圈温升远小于全钢轴承，不足其1/4，说明其摩擦发热少，这主要是因为陶瓷材料密度小，对外圈的作用力小；此外，陶瓷材料摩擦因数较小，各零件间的滑动或滚动摩擦少。

图3 不同工况下轴承外圈温度

轴承断油试验时监测的主机电流曲线如图4所示。由图可知，在2种轴承均顺利通过的断油试验中，混合陶瓷轴承试验时的主机电流较全钢轴承小，且波动小，其功率消耗小，说明轴承发热少，与外圈温升结果一致，证明其抗断油能力优于全钢轴承。

图4 不同工况下主机电流

3 结论

通过断油试验对比了2种轴承在不同工况下的抗断油能力，结果可知：在转速42 000 r/min、径向载荷4 000 N的工况下，全钢轴承仅通过2次40 s断油试验，第3次断油14 s时卡死报警停机，而混合陶瓷轴承通过断油试验，且在转速升高至45 000 r/min时仍可断油45 s；试验后全钢轴承完全卡死，混合陶瓷转动仍转动灵活。由此证明混合陶瓷轴承的抗断油能力明显优于全钢轴承。