陸杭聰，李興林，王秋成，曹茂來(lái)

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310014；2.杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司，杭州 310022)

1 概述

評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)就是潤(rùn)滑脂壽命。潤(rùn)滑脂壽命，又稱潤(rùn)滑脂使用壽命或軸承潤(rùn)滑壽命，是指填充于軸承中的潤(rùn)滑脂在一定工作溫度、轉(zhuǎn)速和載荷條件下，保持自身結(jié)構(gòu)不被破壞和維持潤(rùn)滑特性不發(fā)生變化能力的持續(xù)時(shí)間[1]。因此，能夠獲得潤(rùn)滑脂壽命對(duì)選用合適潤(rùn)滑脂有重要導(dǎo)向作用。

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)外一些學(xué)者就對(duì)潤(rùn)滑脂使用壽命進(jìn)行了相應(yīng)的研究。文獻(xiàn)[2-3]研究認(rèn)為，當(dāng)軸承溫度為60～70 ℃時(shí)，軸承失效不僅僅由接觸疲勞決定，還與潤(rùn)滑脂失效有著重大關(guān)聯(lián)。文獻(xiàn)[4]的研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度每上升10～15 ℃時(shí)，潤(rùn)滑脂的使用壽命降低約50%。文獻(xiàn)[5]在后續(xù)的試驗(yàn)中也得出，當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度較高時(shí)，軸承壽命及可靠性強(qiáng)烈依賴于潤(rùn)滑脂性能。然而，上述研究只是說(shuō)明了潤(rùn)滑脂在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中的重要性，未能直接對(duì)潤(rùn)滑脂壽命進(jìn)行測(cè)試。

文獻(xiàn)[6]的研究表明，對(duì)于潤(rùn)滑脂壽命的研究，與軸承壽命研究一樣，關(guān)鍵在于壽命的估計(jì)及計(jì)算。計(jì)算潤(rùn)滑脂壽命的經(jīng)驗(yàn)公式很多，較為統(tǒng)一的觀點(diǎn)是潤(rùn)滑脂壽命具備一定離散性，服從Weibull分布，但這些公式的應(yīng)用只是停留在特定條件下，從理論的角度對(duì)潤(rùn)滑脂壽命進(jìn)行了計(jì)算。為完善潤(rùn)滑脂壽命的理論研究，國(guó)際上還提出了對(duì)潤(rùn)滑脂進(jìn)行壽命試驗(yàn)，即研制用來(lái)測(cè)試軸承潤(rùn)滑脂壽命的試驗(yàn)機(jī)。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[7-8]的歸納總結(jié)，給出了現(xiàn)今國(guó)際上常用的潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 國(guó)際上潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)參數(shù)和試驗(yàn)條件

下文從理論的角度論述了引起潤(rùn)滑脂失效的關(guān)鍵因素，并在某些工況下進(jìn)行了潤(rùn)滑脂的壽命試驗(yàn)，囿于試驗(yàn)條件，主要研究了溫度和轉(zhuǎn)速對(duì)潤(rùn)滑脂壽命的影響關(guān)系。

2 潤(rùn)滑脂失效及影響因素

潤(rùn)滑脂是由基礎(chǔ)油、稠化劑和添加劑組成的具有塑性的潤(rùn)滑劑，其中基礎(chǔ)油維持在稠化劑分子形成的三維骨架結(jié)構(gòu)中，再輔以添加劑從而形成穩(wěn)定的分散體系。在該體系中，基礎(chǔ)油是潤(rùn)滑脂接觸面油膜形成的主體。軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)離不開(kāi)潤(rùn)滑脂的遷移作用，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中潤(rùn)滑脂的遷移分2個(gè)階段[9-10]：(1)運(yùn)轉(zhuǎn)初期大部分潤(rùn)滑脂被擠出滾動(dòng)體與滾道之間，這些脂圍繞在滾動(dòng)體外形成1個(gè)輪廓；(2)旋轉(zhuǎn)致使軸承溫度上升，部分潤(rùn)滑脂繼續(xù)被擠出，摩擦界面只保留了適量的潤(rùn)滑脂。

潤(rùn)滑脂理化性能變化程度的高低決定了潤(rùn)滑脂壽命的長(zhǎng)短。潤(rùn)滑脂的理化性能主要有滴點(diǎn)、錐入度、分油、水分、機(jī)械雜質(zhì)和蒸發(fā)性等指標(biāo)。能夠引起潤(rùn)滑脂理化指標(biāo)變化的因素可歸納為物理因素、化學(xué)因素和人為因素。

(1)物理因素。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，潤(rùn)滑脂將同時(shí)受到剪切力和離心力的作用，而這2個(gè)力又取決于軸承載荷與轉(zhuǎn)速。剪切力可使基礎(chǔ)油從稠化劑中釋放出來(lái)，使?jié)櫥钟湍芰υ黾佣鴫勖陆?；?dāng)剪切力達(dá)到一定程度，潤(rùn)滑脂內(nèi)部的剪切應(yīng)力大于或等于潤(rùn)滑脂強(qiáng)度極限時(shí)，潤(rùn)滑脂中稠化劑形成的骨架結(jié)構(gòu)被破壞，再次加大了潤(rùn)滑脂的分油能力，縮短了潤(rùn)滑脂的使用壽命。離心力可使?jié)櫥凰Τ鰸L道與滾動(dòng)體的摩擦面或分油，使?jié)櫥械挠头轀p少而逐漸硬化，縮短其使用壽命。在高溫和摩擦熱的作用下，溫度越高，潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油蒸發(fā)損失增大，引起潤(rùn)滑脂的硬化或呈現(xiàn)干燥狀態(tài)，進(jìn)一步縮短壽命。相比而言，溫度與潤(rùn)滑脂的分油量、蒸發(fā)量及氧化安定性均密切相關(guān)，直接影響著潤(rùn)滑脂的使用壽命。

(2)化學(xué)因素。潤(rùn)滑脂與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生酸性物質(zhì)，使?jié)櫥械挠坞x堿減少，導(dǎo)致酸性增加，加快了對(duì)金屬表面的腐蝕。溫度越高，潤(rùn)滑脂氧化誘導(dǎo)期越短，吸氧速率越快，潤(rùn)滑脂越容易被氧化[5]。

(3)人為因素。主要表現(xiàn)為填脂量的多少。當(dāng)潤(rùn)滑脂填充過(guò)多時(shí)，工作過(guò)程中的剪切力、摩擦力增大，溫度升高，從而降低潤(rùn)滑脂的使用壽命；如果潤(rùn)滑脂填充過(guò)少，則不能獲得可靠潤(rùn)滑，從而發(fā)生干摩擦，降低其使用壽命。

為能更好地研究這些因素對(duì)軸承潤(rùn)滑脂壽命的影響，需分別探討單一因素對(duì)潤(rùn)滑脂壽命的影響程度。

3 溫度和轉(zhuǎn)速對(duì)潤(rùn)滑脂壽命的影響

目前國(guó)內(nèi)外研究潤(rùn)滑脂壽命的標(biāo)準(zhǔn)主要有ASTM D 3336，DIN 51821以及SH/T 0428等，研究顯示[11-12]，軸承在運(yùn)行過(guò)程中潤(rùn)滑脂承受高溫和剪切應(yīng)力，即所謂的熱載荷與動(dòng)載荷，可通過(guò)溫度和轉(zhuǎn)速的變化進(jìn)行潤(rùn)滑脂壽命的研究。為了試驗(yàn)結(jié)果的可對(duì)比性，須對(duì)試驗(yàn)條件做出嚴(yán)格規(guī)定。

試驗(yàn)的目的在于研究溫度和轉(zhuǎn)速對(duì)潤(rùn)滑脂壽命的影響(不考慮二者的交互影響)，使用的設(shè)備為如圖1所示的FE9軸承潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)臺(tái)，依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是DIN 51821。

圖1 軸承潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)臺(tái)

3.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為某型號(hào)軸承潤(rùn)滑脂，其基礎(chǔ)油、稠化劑和添加劑分別為合成油、復(fù)合鋰和高性能復(fù)合劑，主要理化指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 某型號(hào)潤(rùn)滑脂的主要理化指標(biāo)

試驗(yàn)軸承型號(hào)為7206B。文獻(xiàn)[13]研究表明，填脂量占軸承內(nèi)部空腔的1/3～1/2，轉(zhuǎn)速高時(shí)須減少填脂量。根據(jù)該型號(hào)軸承的參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，確定潤(rùn)滑填脂量為2 mL。

3.2 試驗(yàn)條件

為了更好地研究溫度、轉(zhuǎn)速對(duì)潤(rùn)滑脂壽命的影響，鑒于試驗(yàn)的可操作性，特提出如下試驗(yàn)條件：

Ⅰ組 試驗(yàn)溫度150 ℃，轉(zhuǎn)速6 000 r/min，軸向載荷1 500 N；

Ⅱ組 試驗(yàn)溫度170 ℃，轉(zhuǎn)速6 000 r/min，軸向載荷1 500 N；

Ⅲ組 試驗(yàn)溫度170 ℃，轉(zhuǎn)速9 000 r/min，軸向載荷1 500 N。

其中Ⅰ組和Ⅱ組用于對(duì)比考察溫度對(duì)潤(rùn)滑脂壽命的影響；Ⅱ組和Ⅲ組用于對(duì)比考察轉(zhuǎn)速對(duì)潤(rùn)滑脂壽命的影響。

3.3 操作要求

(1)把軸承浸入到清洗溶劑中，清洗劑為90%石油醚和10%酒精的混合物，用鑷子轉(zhuǎn)動(dòng)清洗，靜置15 min；再用新的溶劑反復(fù)清洗，直至軸承清潔(完全沒(méi)有潤(rùn)滑劑)。

(2)將試驗(yàn)軸承置于100 ℃的電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中，靜置2～3 min。

(3)取2 mL潤(rùn)滑脂，用刮刀將潤(rùn)滑脂樣品均勻地裝填到軸承內(nèi)，潤(rùn)滑脂不得超過(guò)軸承套圈表面。

(4)把試驗(yàn)軸承裝入軸承套中，并用壓內(nèi)圈的方式將其安裝到試驗(yàn)軸上，施加預(yù)定的軸向載荷，使熱電偶與軸承外圈接觸，并連上蓋板。

(5)按順序開(kāi)啟總電源、驅(qū)動(dòng)電源和控制電源，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行“滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)系統(tǒng)”測(cè)試軟件，進(jìn)入界面。

(6)在設(shè)定溫度25 ℃、轉(zhuǎn)速1 500 r/min及載荷1 500 N條件下進(jìn)行2 h跑合試驗(yàn)，使?jié)櫥鶆蚍植荚谳S承內(nèi)部。

(7)在設(shè)定的試驗(yàn)條件下，每組均對(duì)3套軸承進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

判定軸承的潤(rùn)滑脂壽命有相應(yīng)的失效判據(jù)，當(dāng)潤(rùn)滑脂在軸承試驗(yàn)中出現(xiàn)下述任意1種或多種情況時(shí)均視為潤(rùn)滑脂已經(jīng)失效，即：主軸輸入功率為平穩(wěn)值的300%、軸承外圈溫度值超過(guò)平穩(wěn)值15 ℃、試驗(yàn)軸承卡死或皮帶打滑、主軸運(yùn)行扭矩為平穩(wěn)值的500%。

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)每套試驗(yàn)軸承內(nèi)部潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，具體情況如圖2所示。由圖可知，試驗(yàn)后軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂出現(xiàn)了干涸現(xiàn)象，且轉(zhuǎn)速越高，保持架部位的潤(rùn)滑脂越少。當(dāng)保持架上的潤(rùn)滑脂耗盡，則潤(rùn)滑脂壽命也耗盡。當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速增加，保持架轉(zhuǎn)速也增大，潤(rùn)滑脂所受離心力增大，其被甩出保持架的可能性增大，使?jié)櫥瑝勖眲〗档汀?/p>

圖2 試驗(yàn)前后各軸承內(nèi)部潤(rùn)滑狀態(tài)的比較

3.4 結(jié)果分析

潤(rùn)滑脂壽命滿足Weibull分布，當(dāng)樣本容量n<25時(shí)，通常采用最佳線性無(wú)偏估計(jì)(BLUE)的方法，簡(jiǎn)便迅速地進(jìn)行壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理，從而獲得壽命特征的估計(jì)值。

此次試驗(yàn)中，各組樣本容量n=3，各組失效數(shù)r=3，則對(duì)數(shù)Weibull分布中的位置參數(shù)μ和尺度參數(shù)σ為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：gr,n為修偏系數(shù)，對(duì)于不同的r和n，可查《可靠性試驗(yàn)用表》[14]，經(jīng)查g3,3=0.655 3。經(jīng)過(guò)計(jì)算，3組Weibull分布的形狀參數(shù)b和特征壽命ν的估計(jì)值分別為

表4 3組軸承潤(rùn)滑脂壽命可靠性結(jié)果比較 h

分析表中的數(shù)據(jù)可知：

(3)與軸承壽命研究一樣，潤(rùn)滑脂也有基本額定壽命，從試驗(yàn)結(jié)果和潤(rùn)滑脂實(shí)際使用情況來(lái)看，可將潤(rùn)滑脂50%可靠度壽命作為其基本額定壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)溫度和轉(zhuǎn)速對(duì)軸承潤(rùn)滑脂壽命具有直接相關(guān)性。溫度每上升10～15 ℃，潤(rùn)滑脂的使用壽命降低約50%。該結(jié)論與國(guó)際上同類研究結(jié)果基本一致。

(2)需要注意的是，在動(dòng)載荷及熱載荷的共同作用下，必須保證軸承內(nèi)圈、外圈、保持架和滾動(dòng)體的失效晚于潤(rùn)滑脂的失效。在此前提下，整套軸承的失效即可認(rèn)定為是潤(rùn)滑脂失效引起的。

隨著潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)技術(shù)的成熟，越來(lái)越多的新型潤(rùn)滑脂需要進(jìn)行壽命試驗(yàn)，尤其是高溫、長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑脂的使用，在某些特定工況可以提高整個(gè)設(shè)備的可靠性及穩(wěn)定性?？梢灶A(yù)見(jiàn)，長(zhǎng)壽命將是今后潤(rùn)滑脂發(fā)展的趨勢(shì)，而長(zhǎng)壽命的提出也為潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步提供了巨大的動(dòng)力，并推動(dòng)軸承行業(yè)及整個(gè)機(jī)械行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。