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潤滑油不同含水量對滑動軸承性能的影響

2010-11-01

作者：徐華；劉輝萍　（西安交通大學潤滑理論及軸承研究所）

摘　要：通過實驗的方法研究滑動軸承使用不同含水量的潤滑油對滑動軸承性能的影響。通過構建滑動軸承實驗臺，測量了工作轉速從500r/min到2750r/min，工作載荷為2212N，潤滑油供油溫度在40℃，潤滑油的含水量分別為0％、1％、2％、3％時滑動軸承內溫度的變化，軸心的運動軌跡及相對的偏心位置的變化。在給定實驗工況下實驗軸承通過200h以上的實驗運行在線測量了上述參數，分析了不同含水量潤滑油對滑動軸承壽命的影響。研究結果表明潤滑油少量的含水量對滑動軸承的溫度、軸心的運動軌跡及相對的偏心位置影響不大，但是含水潤滑油會對滑動軸承使用壽命會造成一定的影響，更為準確的結果還需長期的實驗驗證。
　　關鍵詞：流體潤滑；滑動軸承；運動軌跡；性能實驗
　　1　概述
　　對于大多數旋轉機械，如透平機械，各種泵類和壓縮機等，其滑動軸承的潤滑油循環系統,由于密封和工質的問題，而不可避免地造成潤滑油會含有一定量的水份。由于水的動力粘度通常僅為潤滑油粘度的數十分之一，因此潤滑油含有一定量的水份會對滑動軸承的性能產生一定的影響，另外潤滑油含有一定量的水份對滑動軸承的使用壽命有什么影響？也是工程實際頗為關注的問題。
　　為了研究不同含水量對滑動軸承性能的影響，本文建立滑動軸承實驗測量系統和滑動軸承實驗臺，通過實驗的方法研究了滑動軸承使用不同含水量的潤滑油對滑動軸承性能的影響。實驗測量的工作轉速從500r/min到2750r/mi，工作載荷為2212N，潤滑油供油溫度在40℃，潤滑油的含水量分別為0％、1％、2％、3％。在上述給定的實驗工況下每套實驗軸承通過200h以上的實驗運行，在線測量了滑動軸承內溫度的變化，軸心的運動軌跡及相對的偏心位置的變化。分析了不同含水量潤滑油對滑動軸承壽命的影響。
　　2　實驗系統簡介

　　實驗系統的結構簡圖見圖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聯軸器。實驗軸承為剖分式圓軸承（零件10，11），位于兩個支撐軸承支持的轉軸的中部，在外加載荷作用下可與轉軸形成相對位移。轉軸直徑為30mm由Z－17.5型直流電機驅動，直流電動機采用JSC-601晶閘管實現無級調速。潤滑油為滿足GB11120-1989標準的L-TSA46抗氧防銹汽輪機油。靜載荷采用杠桿系統通過鋼絲繩對實驗軸承進行柔性加載。載荷控制在2000N。采用LF-802A多功能智能轉速計測量轉軸的工作轉速。

圖1試驗臺結構示意圖

　　潤滑油溫度控制系統和潤滑油循環系統見圖3

　　2　實驗方法
　　（1）油液取樣方法
　　取樣的基本采樣點確定在油箱下部的中間位置，位于回油入口點附近。油液的取樣頻率視試驗本身而定，本文取樣間隔為連續運轉7×24h一次。每次取樣200mL。
　　（2）信號采集系統
　　如圖4所示，信號采集硬件上采用了凌華公司DAQ-2214數據采集卡，該卡為PCI 結構，具備數/模轉換器（DAC）和模數轉換器（ADC），可以同時實現模擬輸入和模擬輸出電壓信號。與該采集卡一起采集數據的接線端子板為：DIN－68S/1M。軟件方面所使用的平臺為Labview開發的環境。Labview提供了簡單易用的圖形化開發環境，帶有專門用于數據采集和儀器控制的庫函數和開發工具，適用于測試和控制應用系統的開發。
　　（3）溫度測量
　　油膜溫度分布難以直接測量，本文采用的方法是在軸瓦上打孔，將溫度傳感器深入孔內。因為溫度是慢變信號，油膜溫度測量不追求采樣頻率，所以試驗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，又可以測得溫度分布。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。該傳感器測得的電壓信號為10-3數量級（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，影響測量的精度，需配置合適的溫度變送器。該實驗選用了ACT溫度變送器，該變送器具有冷端補償，它的輸出電壓為1V～5V。

　　（4）位移測量
　　測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、結構尺寸小和不受油污等介質的影響，安裝方便等優點，廣泛應用于工業生產和科學研究領域。實際測軸心軌跡時，使用兩個相互垂直的位移傳感器測出轉軸相對于軸承座的位置變化。
　　（5）摩擦力矩測量
　　摩擦力矩測量時將扭矩薄壁套筒的一端與浮動的軸承端面聯接，另一端固定在靜止的底座上。當軸承由于軸頸的轉動受到潤滑油膜傳遞的摩擦力矩時會發生偏轉，使薄壁套筒發生變形，從而使貼在套筒壁上的應變片阻值發生變化。進而測出摩擦力矩。
　　3　實驗結果分析

　　圖5 含水量在2%時不同轉速下軸承溫度分布

　　圖5中綠色為轉速為500r/min的工況，紅色為轉速為2750r/min工況下的溫度分布，由圖5可見，潤滑油在進油孔處的溫度Z低，隨著軸頸順時針的旋轉，溫度逐漸升高，到達Z小油膜厚度處，溫度達到Z高，之后溫度又逐漸下降。

　　圖6 2000r/min時不同含水量情況下軸承溫度分布

　　圖6為工作轉速在2000r/min時不同含水量情況下軸承溫度分布規律。由圖6可見，含水量為3%時所測的Z高溫度與進油溫度之差為18.85℃，稍高于含水量為1%時的溫度。

圖7 2750r/min時不同含水量情況下軸承摩擦力隨載荷的變化

　　圖7為轉速為2750r/min時摩擦力與載荷的關系圖。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，因此可以認為，在轉速為2750r/min，載荷在770N以下時，含水量在1%～3%變化時對摩擦力的影響不大。載荷較大時，如1925N，潤滑油含少量的水會使摩擦力增大。相同含水量，不同轉速下的軸心軌跡見圖8。

　　圖8 含水量為1%時不同工作轉速情況下軸心軌跡圖

　　從圖8可見在含水量為1%時隨著轉速的降低，軸心向左下方偏移（軸頸的轉向為順時針），從而使Z小油膜厚度隨之變薄。

　　圖9 為轉速相同，而含水量不同時的軸心軌跡圖。
　　圖9中的“2-2750”表示，含水量為2%、轉速為2750r/min，同理“3-500”表示含水量為3%、轉速為500r/min。圖9中粉色與藍色兩條個曲線為含水量為3%的軸心軌跡，其相對于含水量為2%的兩個曲線（黃色與黑色曲線），其Z小油膜厚度要大。
　　4　結論
　　用試驗的方法研究了滑動軸承使用不同含水量的潤滑油對滑動軸承性能的影響。研究結果表明，潤滑油少量的含水量對滑動軸承的溫度、軸心運動軌跡及相對偏心位置影響不大，從較大載荷情況下滑動軸承的摩擦力變化可見，由于潤滑油含水造成摩擦力增大，所以含水潤滑油會對滑動軸承使用壽命會造成一定的影響，更為準確的結果還需長期的實驗驗證。

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