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浙江工业大学硕士学位论文 高温润滑脂轴承寿命试验方法研究与系统开发 摘要 高温润滑脂是高温设备正常运转的关键，其性能的好坏直接关系到高温设备的运行 状态。高温润滑脂轴承寿命是高温润滑脂的一项极其重要性能指标，它是高温润滑脂综 合性能的反映。 我国润滑脂行业缺乏对高温润滑脂轴承寿命试验技术的研究，同时也没有成熟的自 主开发的试验设备。所以高温润滑脂轴承寿命试验技术的研究具有重要的现实意义。本 文具体工作内容如下： ( 1 ) 分析了国内外高温润滑脂轴承寿命试验技术的研究现状以及存在的问题，给 出本论文主要研究内容。 ( 2 ) 通过分析高温润滑脂在滚动轴承中的失效机理和现有的润滑脂轴承寿命试验 方法，提出一种更为适合高温润滑脂轴承寿命试验的方法。 ( 3 ) 分析了高温润滑脂轴承寿命试验系统的功能要求，完成了试验系统的总体设 计。 ( 4 ) 对高温润滑脂轴承寿命试验台设计中的关键技术开展研究：加载装置方案及 加载力的控制、主轴临界转速的分析计算、辅助轴承润滑系统设计。 ( 5 ) 对测控系统结构进行了分析，以图形化编程语言l a b v i e w 为平台，应用o p c 技术实现了基于l a b v i e wd s c 模块的p c 与p l c 之间的实时通讯，设计了系统软件的 主要工作模块，并对其进行了相关调试工作。 关键词：高温润滑脂，寿命试验，试验方法，试验系统 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h et e s tm e t h o d o fh i g h t e m p e r a t u r eg r e a s eb e a r i n gl i f ea n d s y s t e me x p l o i t a t i o n a b s t r a c t h i g ht e m p e r a t u r eg r e b e i st h ek e ye l e m e n tt ot h en o r m a l o p e r a t i o no ft h e h i g h t e m p e r a t u r ee q u i p m e n t i t sp e r f o r m a n c eh a sad i r e c tr e l a t i o n s h i pt ot h eo p e r a t i o ns t a t e o f t h eh i g h - t e m p e r a t u r ee q u i p m e n t t h el i f eo f t h eg r e a s ei nb e a r i n gi sa ne x t r e n l e l yi m p o r t a n t p e r f o r m a n c ei n d i c m o rt o t h eh i g ht e m p e r a t u r eg r e b ea n di ti sa l s ot h ec o m p r e h e n s i v e p r o p e r t yr e f l e c t i o no ft h eh i g ht e m p e r a t u r eg r e b e g r e b ei n d u s t r yh a sl i t t l er e s e a r c ho nt h e t e s tt e c h n o l o g yo ft h el i f eo ft h eh i g ht e m p e r a t u r eg r e a s eb e a r i n gi no u rc o u n t r y a tt h es a m e t i m e ，t h e r ei s n om a t u r es e l f - d e v e l o p e dt e s te q u i p m e n t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ft h el i f e t e s t i n gt e c h n o l o g yo n t h e h i g ht e m p e r a t u r eg r e b eb e a r i n g h a sa ni m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t h er e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c h d et h e s ea s p e c t s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hs t a t u sa n de x i s t e dp r o b l e m so f t h el i f et e s t i n gt e c h n o l o g y t ot h eh i g ht e m p e r a t u r eg r e b eb e a r i n gi nd o m e s t i ca n df o r e 远l l ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to f t h i sp a p e ri sg i v e n ( 2 ) b ya n a l y z i n gt h ef a i l u r em e c h a n i s mo ft h eh i g ht e m p e r a t u r eg r e a s ei nr o l l i n g b e a r i n ga n dt h et e s tm e t h o d so ft h el i f et e s t i n go ft h eg r e a s eb e a r i n g ，am o r es u i t a b l e e x p e r i m e n t a lm e t h o dt ot h el i f et e s t i n go f t h eh i g ht e m p e r a t u r eg r e a s eb e a r i n gi sp r o p o s e d ( 3 ) t h eo v e r a l ld e s i g no ft h et e s ts y s t e mi sc o m p l e t e db ya n a l y z i n gt h ef u n c t i o n a l r e q u k e m e n t so ft h el i f et e s t i n gs y s t e mo ft h eh i g ht e m p e r a t u r eg r e b eb e a r i n g ( 4 ) s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e st ot h el i f et e s t i n gr i gd e s i g no ft h eh i g ht e m p e r a t u r e g r e b eb e a r i n gi ss t u d i e d ：l o a d i n gd e v i c ep r o g r a ma n dl o a d i n gf o r c ec o n t r o l ，a n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o no ft h ec r i t i c a ls p e e do ft h es p i n d l e ，l u b r i c a t i o ns y s t e md e s i g no ft h ea u x i l i a r y b e a r i n g s ( 5 ) c o n s t r u c to ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e na n a l y z e da n dt h e r e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h el a b v i e wd s cm o d u l ea n dt h ep l ci si m p l e m e n t e d b a s e do nt h ep l a t f o r mo ft h eg r a p h i c a lp r o g r a ml a n g u a g el a b v i e wa n dt h eo p ct e c h n o l o g y t h ep a p e ra l s od e s i g n e dt h em a i nw o r km o d u l e so ft h es y s t e ms o f t w a r ea n dc a r r i e do u tt h e r e l a t e dd e b u g g i n g k e yw o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r eg r e a s e ，l i f et e s t ，t e s tm e t h o d ，t e s ts y s t e m n 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究的意义 随着我国经济的不断发展，科技水平和工业化水平不断提高，先进设备的使用越来 越多，各行各业中越来越多的机械设备的润滑部位处于高温环境中，对润滑脂高温性能 的要求也不断提高。近年来，随着先进制造技术的引进和大量资金的投入，我国润滑脂 行业得到了快速的发展，但是关于高温润滑脂的研究一直处于落后状态，在品种和数量 上与发达国家相比存在较大差距。据统计，我国高性能高温润滑脂占润滑脂总量比例不 到1 0 ，而世界平均比例水平接近3 0 【l 】。因此，必须重视高温润滑脂性能的研究，它 是研究开发新润滑脂和改进、提高现有润滑脂的基础。 在润滑脂的众多性能中，润滑脂使用寿命是其中一项极其重要的性能指标，它是润 滑脂各种理化性能的综合反映。润滑脂使用寿命一般是指润滑脂在滚动轴承中的润滑寿 命( 简称润滑脂轴承寿命) 。润滑脂轴承寿命与润滑脂的氧化安定性、胶体安定性等理 化性能密切相关【2 1 ，同时润滑脂的使用条件对润滑脂轴承寿命也有很大影响，影响润滑 脂轴承寿命的因素多且复杂，相应的理论分析方法还不够完善，试验是进行润滑脂性能 研究的重要手段。 进行润滑脂试验有三种方法：理化试验、性能试验和使用试验。一般理化试验大都 评价润滑脂静态性能，如滴点、锥入度等，难以反映润滑脂的实际使用情况。性能试验 使用滚动轴承进行，并且试验条件模拟轴承的实际运行条件，测试结果更接近润滑脂实 际工作情况。使用试验是在实际工况条件下考察润滑脂的综合性能。由于使用试验消耗 人力、物力、财力较大，而且试验周期长，通常只在新产品定型批量生产前采用。因此， 性能试验是进行润滑脂轴承寿命试验的有有效手段，也就是模拟试验【3 4 1 。 高温润滑脂轴承寿命试验是在轴承寿命试验机上，模拟润滑脂在一定的工作条件下 工作，测试润滑脂在滚动轴承中的使用寿命。这种试验方法成本低，而且试验结果比较 接近真实。通过润滑脂轴承寿命试验，能够真实地评价润滑脂的可靠性和寿命，更加深 入的了解高温润滑脂的性能，为将来润滑脂生产商控制润滑脂质量提供依据。同时可以 第1 章绪论 向客户提供可靠的试验数据和试验报告，为它们合理选择润滑脂和确定二次填补润滑脂 的时间提供依据。因此对润滑脂轴承寿命试验技术的研究具有重要的意义。 在我国，润滑脂轴承寿命试验技术的研究相对鼠外而言，比较落后，国内目前润滑 脂厂商尚未掌握系统成熟的台架试验技术，虽然从国j l - 弓l 进了一批先进的测试系统。但 是，引进系统的最大问题是成本高，技术不交底、系统( 功能、方式等) 不可更改、维 护成本高。为增强企业在国际同行业中的竞争力，润滑脂企业急需拥有评定其产品寿命 的试验方法和配套的试验系统，并在此基础上制定各产品的寿命试验标准，使企业在市 场竞争中处于领先地位。使得企业越来越重视润滑脂轴承寿命试验技术。在这种背景下， 我们应某润滑脂企业的委托研制针对高温润滑脂产品寿命的检测系统，为企业产品的寿 命试验提供平台具有重要的意义。 1 2 高温润滑脂 润滑脂是由一种或多种稠化剂和一种( 或几种) 基础油所组成的一种具有塑性的润 滑剂。为了提高润滑脂的某些性能，可以在润滑脂中加入少量添加剂和填料。基础油和 稠化剂是润滑脂的两大主要成分。基础油约占润滑脂总重量的7 0 一9 5 ，对润滑脂各 方面的性能指标有着重要的影响；稠化剂含量约占润滑脂总重量的5 3 0 ，它同基础 油一样决定着润滑脂的性能【5 1 。通过研究表明，稠化剂的分子或分子聚结体在润滑油中 形成三维结构骨架，油被保持在这些骨架的空隙处。如图1 - 1 是电子显微镜的润滑脂结 构图。 图1 1 润滑脂结构副6 】 浙江工业大学硕士学位论文 润滑脂因其具有不需要经常添加、在润滑部位能起到密封作用、附着性好不易飞溅、 适用于苛刻条件、宽的工作温度范围等特点，而被广泛应用于国民经济各部门。据权威 部门估计，约有8 0 以上的滚动轴承和2 0 的滑动轴承是以脂润滑的【7 1 。 随着现代工业的发展，越来越多的机械设备的润滑部位处于高温环境中，高温润滑 脂对处于高温环境中的机械设备的润滑起到了重要的作用，因此高温润滑脂的需求也越 来越多。 关于高温润滑脂的工作温度范围，目前还没有明确的界限，也没有统一的标准。 b o n n a r 【8 1 把在2 0 4 c 。3 1 6 c 温度范围内有效工作的润滑脂看作高温润滑脂；s t e v e n s 9 1 认 为高温润滑脂是能在1 4 9 c 2 3 2 。c ( 3 0 0 f - - 4 5 0 f ) 温度范围工作的润滑脂；熊会思认 为高温润滑脂应能在1 0 0 c 1 2 0 。c 温度范围内长期稳定工作。中南大学学者俸颢1 1 1 根据 目前工业上的实际应用情况、公开发表的学术论文、国家标准以及厂商提供的性能指标， 对高温润滑脂的工作温度范围进行了总结，其认为一般高温润滑脂的工作温度范围应在 1 5 0 c - 2 5 0 c 之间。 。 1 3 高温润滑脂轴承寿命试验技术的研究现状 1 3 1 国外高温润滑脂轴承寿命试验技术的研究现状 为了适应现代工业的发展，国外很多公司很早就开始研究耐高温、长寿命的润滑脂。 同时为了延长使用高温润滑脂的设备使用寿命，一些国外公司和组织对高温润滑脂轴承 寿命的研究都比较重视，许多核心技术都被一些国际组织和跨国公司所掌握。它们不仅 制定了高温润滑脂轴承寿命的试验方法，而且开发了相应的试验设备，取得了很好的效 果。其中如美国材料及试验协会( a s t m ) 制定的a s t md 3 3 3 6 方法及相应的c r c 试 验机、德国标准化学会( d i n ) 制定的d i n5 1 8 2 1 方法及相应的f e 9 试验机以及各大 轴承公司( 如s k f 、f a g 、n t n 等) 制定的试验方法及试验机等。 日本n t n 轴承公司采用a s t md 3 3 3 6 的试验方法开发了c r c 试验机。该试验机 主要用于轻载、高转速和高温条件下的润滑脂轴承寿命试验。在试验轴承中填充适量的 润滑脂，通过弹簧和皮带的张紧力分别对轴承施加轴向与径向载荷。通过加热箱可使试 验轴承最高温度达2 5 0 ，基本满足高温润滑脂寿命测试的要求。此外，试验机通过热 电偶监测试验温度是否超温，并通过温度控制器调整试验温度【i2 1 。当实测温度超过试验 温度1 0 或由于过载而使电机的电流超过额定电流时，试验停止，运转时间即为润滑脂 轴承寿命。该试验台由于充分考虑了高温润滑脂的实际运行环境，特别是模拟了高温润 3 第1 章绪论 滑脂在轴承中的高温运行条件，试验具有一般性和普遍意义。 随着高温、重载设备的大量使用，对润滑脂的耐高温、高负荷的要求日益苛刻。德 国标准化学会根据高温、重载的润滑脂试验要求，制定了d i n5 1 8 2 1 试验方法。该试验 方法规定了最高载荷为4 5 挑而a s t md 3 3 3 6 最高载荷仅为0 0 6 7 k n 。同时它的最高 外加温度为2 4 0 ，满足了大部分高温润滑脂寿命测试的要求【l3 1 。 早年的德国f a g 轴承公司根据d i n5 1 8 2 1 标准开发了f a gf e 9 滚动轴承润滑脂试 验台。f a g 轴承公司开发的润滑脂滚动轴承性能试验设备，由于采用了先进的技术和与 之配套的试验标准，在润滑脂轴承寿命检测行业中处于领先地位。试验装置由试验机和 控制柜组成，试验机由若干个相同的试验单元和润滑系统组成。几个试验单元可以同时 工作而互不影响，有效的提高了试验效率。控制柜部分采用p l c 实现主机控制与数据 采集。由于采用了p l c 进行试验控制和数据采集，使得试验的可靠性和稳定性大大增 强，试验精度也得到了进一步的提甜1 4 】。 瑞典著名轴承制造商s k f 公司针对双列滚子型轴承，设计研发了s k f 润滑脂寿命 试验机。该试验机的特点是润滑脂填充量较大，能达到1 2 0 9 - 2 0 0 9 之间【1 5 】。 国外知名企业对润滑脂轴承寿命试验技术的研究都很重视，也取的了很多研究成 果，极大的促进了润滑脂性能的提高。 1 3 2 国内高温润滑脂轴承寿命试验技术的研究现状 高温润滑脂轴承寿命试验技术的研究主要包括寿命试验方法与寿命试验系统的研 究。 ( 1 ) 国内高温润滑脂轴承寿命试验方法的研究现状 寿命试验方法的研究需要解决的问题包括试验运行条件设计、试验运转方式的确 定、如何确定试验轴承中润滑脂的填充量、润滑脂模拟试验的失效判断方法以及试验可 靠性的评定等问题。 到目前为止，我国润滑脂方法标准共有4 6 项，其中：国家标准有9 项，石油化工 标准有3 7 项。在这些方法标准中，9 0 以上是理化指标，性能指标较少，模拟实际使 用情况的更少【1 6 i 。关于润滑脂寿命测试方法主要有两项：s h t 0 4 2 8 1 9 9 2 高温下润滑 脂在球轴承中的寿命测定法和s h t0 7 7 3 2 0 0 5 汽车轮毂轴承用润滑脂寿命特性测定 法。 s h t 0 4 2 8 1 9 9 2 高温下润滑脂在球轴承中的寿命测定法是石油化工科学研究院 4 浙江工业大学硕士学位论文 参照最新的a s t md 3 3 3 6 而修订的，同时扩大了试验方法的温度范围，使最高试验温度 达到了3 7 1 。而且该试验方法根据不同的运转温度规定了不同的时间循环运转方式， 对试验结果的描述采用了威布尔分布，使试验精度更高。因此，该标准对于高温润滑脂 在实际应用中的寿命预测具有重要的指导作用。 s h t0 7 7 3 2 0 0 5 汽车轮毂轴承用润滑脂寿命特性测定法是为了适应汽车工业的 发展，促进我国汽车轮毂轴承润滑脂的发展而建立的 17 1 。该试验方法主要针对轮毂轴承 用润滑脂的寿命测定，应用范围狭小，试验不具有一般性和普遍意义。 ( 2 ) 国内高温润滑脂轴承寿命试验系统的研究现状 寿命试验方法的实施离不开对寿命试验系统的研究，试验系统为高温润滑脂轴承寿 命检测提供了平台，完备、先进的寿命试验系统是正确评估高温润滑脂轴承寿命的重要 保障。 王科社等【18 】根据重型矿山机械、载重汽车和铁路货车等车辆重负荷滚动轴承的工作 要求，设计了重负荷润滑脂轴承寿命试验机。通过此试验机来检测润滑脂在不同温度、 转速和重载荷等条件下的使用寿命。该试验机由驱动装置、恒温装置、试验轴承、加载 装置和自动检测及控制系统等组成。加载装置采用液压加载方式，并采用自动补偿系统， ： 能够实现重负荷的试验条件要求。该试验装置由于使用了变速箱，导致转速高时会产生 大量的热量且噪声很大。因此，试验转速只能在很小的范围内变动，达不到很多滚动轴 承高转速的要求。且液压加载方式使得系统过于复杂，可靠性下降，而且试验温度范围 、 为0 1 5 0 ，达不到高温润滑脂对工作温度的要求。其简图如图1 2 所示。 1 电动机；2 v 带；3 变速箱；4 联轴器：5 扭矩传感器；6 前支承；7 传动轴；8 后支承：9 - 轴承箱；1 0 - 试验轴承；1 1 恒温箱：1 2 轴向加载油缸；1 3 径向加载油缸 图1 2 试验机示意图 第1 章绪论 长沙卡顿海克尔仪器有限公司开发的型号为k d - h 1 6 5 6 润滑脂高温轴承寿命测试仪 是为数不多的国产商用润滑脂寿命试验机，它适用标准s h t 0 4 2 8f s7 9 1b 3 3 1 2 ，如图 卜3 所示。工作原理是将一个装有试样的轴承安装在润滑脂轴承试验机烘箱内的主轴 上，将径向、轴向负荷加到固定的轴承外环上，驱动轴承内环在高速下运转，并使试样 保持规格要求的温度，以运转时间来评价润滑脂的轴承寿命。该仪器适用于评定在高温、 高转速条件下润滑脂在轻负荷抗磨轴承中的工作性能。适用最高温度为1 8 0 。c 1 9 】。 图1 - 3k d - h 1 6 5 6 润滑脂高温轴承寿命测试仪口钔 从国内高温润滑脂轴承寿命试验技术的研究现状可知，国内对润滑脂轴承寿命试验 技术研究起步较晚，虽然取得了一定的进展，但还不够完善，与国外企业有很大的差距。 因此研究高温润滑脂轴承寿命试验技术具有重要的显示意义。 1 4 目前存在的问置 高温润滑脂在我国各行业应用已十分广泛，但对高温润滑脂轴承寿命试验方法及试 验系统的研究却很少。虽然石油化工科学研究院制定了高温润滑脂轴承寿命试验方法， 但是该试验方法基本上是参照a s t md 3 3 3 6 而修订的，无法满足现代机械对高温、重载 的要求，而且没有该试验方法对应的试验设备，试验方法无法得到实施。 6 浙江工业大学硕士学位论文 国内对高温润滑脂轴承寿命试验技术的研究还处于探索阶段，有许多问题值得探讨 和研究。目前开展的高温润滑脂轴承寿命试验大都采用轻载荷，没有分析载荷对润滑脂 的影响，就直接在试验轴承上施加了径向与轴向载荷。另外，试验方法对温度的研究都 比较少。虽然开发了一些润滑脂轴承寿命试验设备，但其应用范围有限，存在很多技术 缺陷。 1 5 本论文的研究内容 本课题的核心内容是对高温润滑脂轴承寿命试验方法的研究和设计高温润滑脂轴 承寿命试验系统，主要完成以下几个方面的工作： ( 1 ) 分析国内外高温润滑脂轴承寿命试验技术的研究现状以及存在的问题，给出 本论文主要工作内容。 ( 2 ) 通过分析高温润滑脂在滚动轴承中的失效机理，参考现有的润滑脂轴承寿命 试验方法，提出一种更为适合高温润滑脂轴承寿命试验的方法。 ( 3 ) 结合试验方法的研究，分析高温润滑脂轴承寿命试验系统的功能要求，根据 功能要求完成试验系统的总体方案设计。进而完成了试验台的总体方案设计，以及对测 控系统进行了总体设计。 ( 4 ) 对高温润滑脂轴承寿命试验台设计中的关键技术进行了研究，包括加载装置 方案的分析及其实现、用a n s y s 软件进行主轴临界转速的分析计算、辅助轴承润滑系 统的方案设计及其密封结构设计。 ( 5 )以图形化编程环境l a b v i e w 为平台进行系统软件设计，采用基于i ，a b e w d s c 模块实现了p c 与p l c 之间的o p c 实时通讯，并对软件结构进行了分析，最后设 计了系统软件的主要工作模块，并对其进行了相关调试工作。 7 第2 章高温润滑脂轴承寿命试验方法的研究 8 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章高温润滑脂轴承寿命试验方法的研究 在本课题的高温润滑脂轴承寿命试验系统中，试验方法是进行寿命试验的前提，高 温润滑脂在轴承中的工作条件和工作状态比较复杂，如何将各种复杂因素考虑其中，关 系到整个试验过程的可靠性以及试验结果的准确性。本章分析了高温润滑脂在滚动轴承 中的失效机理，并研究了几种常用的润滑脂轴承寿命试验方法，进而对高温润滑脂轴承 寿命试验方法进行了研究。 2 1 高温润滑脂轴承寿命试验方法的概念和内容 高温润滑脂是保障滚动轴承在高温环境下高效运转的重要措施之一。实践经验表明 只有正确选择和使用润滑脂才能最有效地起到润滑作用，否则效果不显著，甚至适得其 反。然而，要正确选择和使用润滑脂，就需要对润滑脂的特性有了解才行。高温润滑脂 在滚动轴承中的使用寿命( 简称高温润滑脂轴承寿命) 是评价润滑脂综合性能的重要指 标，也是润滑脂质量的综合反映【2 们。它直接关系到设备维护保养和提高经济效益。高温 润滑脂轴承寿命长，可减少设备停工维护时间、提高生产率、节约润滑材料等。 影响高温润滑脂轴承寿命的因素很多，通过理论计算方法或者仿真方法很难确定高 温润滑脂轴承寿命，因此试验方法成为了研究高温润滑脂轴承寿命的有效途径。进行高 温润滑脂轴承寿命试验，首先需要确定其试验方法。高温润滑脂轴承寿命试验方法可以 简述如下：将一个装有一定量高温润滑脂试样的指定滚动轴承安装在寿命试验机的主轴 上，在规定的试验条件下试验，直到高温润滑脂失效为止，以运转时间来评价高温润滑 脂在滚动轴承中的使用寿命。 从高温润滑脂轴承寿命试验方法中可以看出，在进行高温润滑脂轴承寿命试验时， 首先需要确定其试验条件与润滑脂填充量，然后根据指定的运转方式进行润滑脂失效判 断。 9 第2 章高温润滑脂轴承寿命试验方法的研究 2 2 润滑脂的失效机理分析 高温润滑脂在滚动轴承中的工作状态和工作条件是很复杂的，高温润滑脂的使用寿 命与本身的组成和性质以及使用条件都有密切的关系。引起高温润滑脂失效的因素很 多，但可归纳为物理因素引起的失效和化学因素引起的失效两个方面。高温润滑脂与普 通润滑脂在滚动轴承中的运动机理是一样的，通过分析普通润滑脂的失效机理可以得出 高温润滑脂在滚动轴承中的失效机理。 2 2 1 物理因素引起的失效 润滑脂在滚动轴承中主要起到减少摩擦，降低磨损等功能，其作用机理是通过在轴 承表面间形成一层薄薄的油膜，以防止轴承金属表面直接接触，从而起到润滑功能、防 止烧粘。 润滑脂属于非牛顿流体，其不服从牛顿流体内摩擦定律。非牛顿流体属于分散体系， 其中分散相颗粒形成网状结构，故称为具有结构性。结构性的强弱不但与颗粒有关，而 且与颗粒形状及排列状态有关，所以流动特性很复杂。润滑脂的流动类似塑性型非宾汉 流体，但为了计算方便，将润滑脂用宾汉流体来处理。宾汉流体的特点是受力较小时， 不产生流动，流动后，剪应力与减速成正比。宾汉流体的流动，服从宾汉定律叫1 ，即 f ；+ 叩华 ( 2 1 ) 缈 式中，f 是剪应力，f 。是极限动剪应力，7 宾汉粘度( 或称结构粘度、塑性粘度) 。 对于宾汉流体，当剪应力小于极限动剪应力时，润滑脂不产生流动，因而起不到润 滑作用。当剪应力大于极限动剪应力时才开始流动，从而起到润滑作用，开始流动其剪 应力与剪速成正比。 润滑脂的结构骨架接触点破坏的速度随剪应力的增加而加大。当剪应力达到某一数 值时，接触点破坏的速度开始比恢复的速度快，于是润滑脂内部结构骨架破坏，润滑脂 开始发生流动。随着剪应力逐渐增大，被维系在晶格内部的基础油释放速度加快，从而 造成析油速度加快而使润滑脂寿命下降。同时由于润滑脂结构的破坏，而引起软化，最 终导致润滑脂失效2 2 1 。由式2 - 1 可以看，剪应力与剪切速度有关，而剪切速度由轴承的 运转速度直接决定，因此速度是影响润滑脂寿命的一个重要因素。同时随着速度逐渐增 大，离心力越来越大，润滑脂被甩出摩擦界面或使其分油，使润滑脂油份减少，锥入度 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 减少而硬化，从而大大缩短使用寿命。而在增大外力时，稠化剂粒子间的接触点也也会 发生破坏，产生与剪切力相同的破坏效果。 由此可以看出，影响润滑脂轴承寿命的物理因素主要是由滚动轴承的运转速度和所 受载荷决定的。随着运转速度的提高，润滑脂所承受的剪切应力和离心力也随之增大， 由稠化剂形成的三维纤维骨架遭受破坏的作用也越大，而且产生热量也增大，因此其寿 命就越短。而在增大外力时，稠化剂粒子问较弱的接触点的联系开始被破坏，但同时还 可以发生与此相反的逆过程，当剪切应力达到或超过润滑脂强度极限时，则润滑脂结构 骨架破坏，润滑脂分油速率加快，缩短了润滑脂的使用寿命乜引。 2 2 2 化学因素引起的失效 由第一章介绍可知，润滑脂主要由基础油和稠化剂组成。基础油和稠化剂与空气中 的氧气容易发生氧化反应产生酸性物质，致使润滑脂游离碱的减少甚至出现游离酸而使 润滑脂酸性增加，产生的有机酸会破坏润滑脂的纤维结构，使其滴点降低、强度极限改 变、基础油粘度增加、寿命缩短【2 4 1 。同时，在高温和摩擦热的作用下，润滑脂基础油蒸 发量增加，引起润滑脂固化而呈干燥状态，使其老化失效。而且温度愈高，润滑脂氧化 诱导期愈短，吸氧速率愈快，润滑脂愈易氧化失效。 因此，温度、载荷和转速是影响高温润滑脂轴承寿命的主要因素。在研究高温润滑 脂轴承寿命试验方法时，需要考虑温度和转速对润滑脂轴承寿命的影响，同时也不能忽 略载荷对高温润滑脂轴承寿命的影响。特别是试验温度，因为温度对润滑脂轴承寿命的 影响最大，它与润滑脂的分油量、蒸发量及氧化安定性都有关，而分油量、蒸发量及氧 化安定性与润滑脂的使用寿命直接相关。 除此之外，高温润滑脂的填充量也会对高温润滑脂轴承寿命有影响。当填充量过多 时，由于滚动轴承运转过程中对润滑脂的搅拌作用力变大，使得工作过程中的剪切、摩 擦力增加，使用温度提高，从而降低了高温润滑脂的使用寿命。但是填充量过少，则不 能获得可靠润滑而发生干摩擦。因此，高温润滑脂轴承寿命试验方法需要规定好适宜的 润滑脂填充量。 2 3 高温润滑脂轴承寿命试验方法的确定 通过对润滑脂失效机理的分析，对高温润滑脂轴承寿命试验方法进行确定，包括试 验条件、试验运转方式、失效判断方法以及润滑脂填充量。 第2 章高温润滑脂轴承寿命试验方法的研究 2 3 1 试验条件 当前，国内外常用的润滑脂轴承寿命试验方法有a s t md 3 3 3 6 、d i n5 1 8 2 1 、f s7 9 1 b 3 3 1 1 、f s 7 9 1 b 3 3 2 等【2 5 】。由高温润滑脂在滚动轴承中失效机理的分析可知，温度、转 速和载荷是影响高温润滑脂轴承寿命的主要因素。因此，润滑脂轴承寿命试验方法对试 验温度、试验载荷和试验转速都有严格规定。表l 列出了几个国内外常用的润滑脂轴承 寿命试验方法的试验条件。 表2 1 国内外常用的润滑脂寿命试验方法的试验条件 从表2 1 可以看出，不同试验方法之间的试验条件差异较大。从试验温度可以看出， 一般的试验方法都规定了试验温度范围，只有瑞士的s k f 润滑脂轴承寿命式样方法为 固定的试验温度。而大部分试验方法只有一个试验转速，只有d i n 5 1 8 2 1 试验方法规定 了三个试验转速。载荷的施加也有所差异，有的试验方法只有轴向载荷。瑞士的s k f 润 滑脂轴承寿命试验方法却只有径向载荷，而f s7 9 1 b3 3 1 2 试验方法既有轴向载荷，也 有径向载荷。因此，研究高温重载润滑脂轴承寿命试验方法，重点需要讨论：试验温度、 试验载荷和试验轴承的转速。 ( 1 ) 试验温度 由润滑脂在滚动轴承中失效机理的分析可知，温度对高温润滑脂轴承寿命有很大影 响，温度升高，润滑脂寿命缩短。高温润滑脂轴承寿命主要与它的分油量、蒸发量及氧 化安定性有关，而温度与润滑脂的分油量、蒸发量及氧化安定性直接相关，所以试验温 度是高温润滑脂轴承寿命试验的一个重要条件。 研究高温润滑脂轴承寿命试验方法的试验温度时，首先需要考虑试验方法适用的对 象。本文研究高温润滑脂轴承寿命试验方法，要求试验方法的适用温度较高，而且试验 温度可达到高温润滑脂的实际最高使用温度。由第一章介绍可知，一般高温润滑脂的工 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 作温度范围在1 5 0 2 5 0 之间。因此确定试验方法的最高试验温度可达到2 5 0 。 一般来说，润滑脂的最高使用温度比其滴点低1 5 3 0 。c ，润滑脂不应在温度达到或 高于其滴点时使用，否则会熔化流失口6 】。润滑脂的滴点可以通过理化性能试验测得，通 过测得的滴点可大致得出润滑脂的最高使用温度。因此，确定低于滴点3 0 。c 的润滑脂最 高使用温度为试验温度。由于不同润滑脂的滴点各不相同，所以不同润滑脂应使用不同 的试验温度。 ( 2 ) 试验载荷 由润滑脂在滚动轴承中失效机理的分析可知，当剪切应力小于润滑脂强度极限时， 外力对润滑脂轴承寿命影响较小。当剪切应力达到或超过润滑脂强度极限时，稠化剂粒 子接触点破坏的速度开始比恢复的速度快，则润滑脂内部结构骨架破坏，润滑脂的分油 量变大，加速了润滑脂的失效。因此，在讨论高温润滑脂轴承寿命试验方法的载荷时， 需要考虑施加的载荷是否大于润滑脂的强度极限。当试验载荷小于润滑脂强度极限时， 外加载荷对润滑脂轴承寿命影响较小；当试验载荷大于润滑脂强度极限时，外加载荷对 润滑脂轴承寿命影响较大，因而施加不同的载荷进行试验润滑脂轴承寿命。 文献 7 】用两种锂基润滑脂在不同的径向负荷下，在1 4 0 c 轴承温度，3 0 0 0 r m i n 转 速下，在6 3 0 5 型密封滚珠轴承内进行润滑脂轴承寿命试验，试验结果表明径向负荷对 润滑脂轴承寿命无明显的影响。不同的试验条件可能会使试验结果有所差异，但可以说 明径向负荷对润滑脂轴承寿命的影响不如轴向负荷的大。因此在确定试验载荷时，只考 虑了轴向载荷。 通过润滑脂失效机理的分析可知，试验方法应该采用几种不同的试验载荷，而文献 【7 】的试验结果表明径向负荷对润滑脂的轴承寿命无明显影响。因此高温润滑脂轴承寿命 试验方法的试验载荷，借鉴了d i n5 1 8 2 1 试验方法，试验载荷为轴向载荷1 5 k n ，3 0 k n 和4 5 k n 。 ( 3 ) 试验轴承的转速 由润滑脂的失效机理可知，随着转速的提高，润滑脂所承受的剪切应力和离心力变 大，促使润滑脂使用寿命的缩短。但是从理论上来分析在高速下运转的轴承( 5 0 0 0r m i n 左右) 要比在低转速下运转的轴承要好一些【2 7 】。这是因为润滑脂在受到离心力和机械振 动情况下，使附在滚道以外的润滑脂( 如保持架和其它非工作表面上) 进入到了工作表 面上，因而润滑的更好些，润滑脂轴承寿命也更长。也就是说，在低转速下的润滑脂轴 承寿命也较短。 1 3 第2 章高温润滑脂轴承寿命试验方法的研究 因此，不能仅仅为了考虑缩短试验时间而提高试验转速，同时还需要考虑低转速下 的高温润滑脂轴承寿命试验。因此试验方法制定了几组不同的试验转速，根据试验结果 可以确定其最佳使用转速范围。通过上述的分析，高温润滑脂轴承寿命试验的试验转速 定为3 0 0 0 r r a i n 、6 0 0 0 r m i n 及9 0 0 0 r m i n 。 2 3 2 润滑脂填充量 适量的润滑脂能使滚动轴承平稳运转，如果n i l 量过大，会使摩擦力矩增大，温度 升高、而缩短润滑脂使用寿命。但是加脂量也不能太少，否则不能起到润滑作用。一般 而言，适宜的润滑脂填充量为轴承内总空隙体积的1 3 1 2 。因此，需要确定试验轴承 才能计算出润滑脂填充量。 本方法选择7 2 0 6 b 型角接触球轴承作为试验轴承，根据7 2 0 6 b 型球轴承的内部空间 从而确定出润滑脂填充量。填满轴承内外圈之间全部空间，可按下述公式计算： q = n - ( d 2 - d 2 归】4 一m p ( 2 1 ) 式中，q 为轴承内部轴承总空间；d 为轴承外径；d 为轴承内径：b 为轴承宽度；m 为 轴承质量；p 为轴承材料比重【2 8 】。7 2 0 6 b 型角接触球轴承的计算参数如表2 2 所示。 表2 27 2 0 6 b 型角接触球轴承计算参数 将表2 2 中的参数代入式2 - 1 可得轴承内部总空间q 8 m l ，根据适宜润滑脂填充量 为轴承内部总空隙体积的1 3 1 2 ，确定了润滑脂填充量为2 m l 。同时为了考察轴承外 润滑脂对润滑脂是否有补充作用，在轴承外附加了可以填充8 m l 润滑脂的直角形挡盖， 其与轴承端面形成环形空间。因此试验确定了两种润滑脂填充量：2 m l 和1 0 m l 。 2 3 3 试验运转方式 试验运转方式分为两种：一种是连续运转直到润滑脂失效为止；另一种是周期性运 转和停机。文献口9 1 用球盘试验台对润滑脂性能的试验表明，当试验停止时，就会有润滑 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 脂回流到接触表面，使得润滑脂薄膜变厚，图2 1 显示了试验停止前后润滑脂薄膜厚度 的变化。试验停止后，润滑脂薄膜变厚，因而延长了润滑脂使用寿命。 o i | i i - lll l 一 f i ： 1 -； l j ： l 一一* 一l l ； ! * a i ：l ：材! 一 厶l 一。一；k j 。”一，一 i i 点扣毒一 一 l k 卿 滞 落秘绛 l | ； oo约7 0 嘭倒山i 图2 1 试验停止前后润滑脂薄膜厚度的变化 结合图2 1 分析润滑脂在滚动轴承中的运动情况，在o l o 分钟填充在轴承中的润 滑脂被分为两部分，一部分在滚道内直接参与了润滑作用，另一部分被挤出滚道而堆积 在保持架和轴承盖的空腔之中，使得润滑脂油膜厚度急剧下降。过了这个初期阶段之后， 被挤出滚道的润滑脂能在一定程度上补充滚道内的润滑脂，从而使油膜厚度在1 0 分钟 后有小幅度的上涨。 润滑脂在轴承中之所以能起到润滑作用，是因为其在轴承运动表面间形成了一层润 滑薄膜。随着润滑脂运行时间的增加，润滑脂中基础油含量逐渐减少，使得薄膜厚度越 来越小，最后不能起到润滑作用而失效。因此薄膜厚度与润滑脂失效有重要的关系。 而从图2 1 可以看出，当试验停止时其油膜厚度变大，从而延长了润滑脂轴承寿命。 因此可以说明周期性运转停机方式和连续运转方式的润滑脂轴承寿命是不一致的，一般 工厂尽可能使设备2 4 小时连续运转，从而达到效益最大化。综合上述两方面的因素， 试验中采用连续运转方式。 秘 强 雠 靳 钧 严籀 耩膜厚俊舳 第2 章高温润滑脂轴承寿命试验方法的研究 2 3 4 失效判断方法 失效判断方法是高温润滑脂轴承寿命试验方法的重要组成部分，它是判断润滑脂是 否失效的依据。失效判断方法的建立也有利于润滑脂轴承寿命试验的自动控制。主要可 以通过温度、摩擦力矩、噪声等来判断润滑脂是否失效，由于在试验中摩擦力矩很难测 量，可以用主轴输入功率替代摩擦力矩作为失效判断依据。当前的润滑脂轴承寿命试验 方法基本一致，主要有三方面；第一，摩擦力矩增大，主轴输入功率超过平稳状态数值 的3 0 0 ；第二，在运转周期内试验轴承的温升超过试验温度1 5 ；第三，在启动和试 验周期内，皮带打滑或试验轴承卡住。 2 4 高温润滑腊轴承寿命试验方法 根据上述理论的分析与比较，得到了高温重载润滑脂轴承寿命试验方法，其基本试 验条件和试验参数如表2 3 所示。该试验方法与德国制定的d i n 5 1 8 2 1 试验方法有较好 的一致性，d i n 5 1 8 2 1 试验方法已在国际上得到广泛的应用。 表2 3 高温重载润滑脂轴承寿命试验方法 2 5 本章小结 本章对高温润滑脂轴承寿命试验方法进行了研究，通过从物理因素和化学因素两个 方面分析润滑脂在轴承中的失效机理，给出了在制定高温润滑脂轴承寿命试验方法中需 要考虑的因素，包括试验温度、轴承运转速度、试验载荷以及润滑脂填充量。结合润滑 脂失效机理的分析确定了试验的具体试验条件，并确定了润滑脂填充量、试验运转方式 以及失效判断方法。 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章高温润滑脂轴承寿命试验系统的总体设计 通过第二章的试验方法研究，分析高温润滑脂轴承寿命试验系统的功能要求，并根 据系统功能要求进行系统总体设计。试验系统包括试验台部分和测控部分，因此对试验 系统的试验台和测控系统进行了总体方案设计。 3 1 试验系统的功能要求 试验系统的功能要求可以分为试验台功能要求和测控系统功能要求两部分： 试验台的功能要求是： ( 1 ) 试验台由五个试验单元，各个试验单元即可独立操作也可同时操作而互不影 响。 ( 2 ) 试验台具有轴向加载功能，能够实现1 5 k n 、3 0 k n 和4 5 k n 的轴向加载。 ( 3 ) 试验台具有调速功能，主轴转速能够到3 0 0 0 r r a i n 、6 0 0 0 r m i n 和9 0 0 0 r r a i n ( 4 ) 能够按照试验要求对试验轴承进行加热，试验加热温度在室温以上可调控， 最高可达2 5 0 。 ” ( 5 ) 传动系统可以检测试验轴承是否过载。 测控系统的功能要求是： ( 1 ) 参数设置 参数设置模块包含系统参数设置和用户参数设置。 系统参数设置包括传感器灵敏度、信号放大比例、功率消耗极限，不对用户开放进 攻开发人员设置使用。 用户参数设置由基本信息设置、试验条件设置、失效监测指标报警极限值设置组成。 基本信息设置分为润滑脂基本信息和试验信息。润滑脂基本信息设置提供润滑脂名 称、润滑脂批次编号、试件数、试件编号、生产厂家和生产日期。试验信息包括试验编 号、试验日期和试验人员。 试验条件设置指安装类型、轴向载荷、试验温度和试验转速。 失效监测指标报警极限值提供了温度极限值和功率极限值用于系统故障保障报警 1 7 第3 章 高温润滑脂轴承寿命试验系统的总体设计 和自动停机。 ( 2 ) 数据采集与信号处理 对试验轴承温度信号、试验转速、驱动电机消耗功率进行实时采集。实际采集的信 号必须经过标度转换为工程人员熟知的物理量，才能将采集到的信号在试验单元显示模 块中显示。 ( 3 ) 控制功能 按照试验要求，对试验温度、试验转速和辅助轴承润滑系统进行控制。 ( 4 ) 运行状态监测 运行状态监测模块能够显示试验单元的运行状态，以图表的形式实时显示试验轴承 温度、驱动电机消耗功率、试验转速和扭矩。并在系统出现异常情况时进行报警并采取 相应的措施。同时