高温环境下角接触球轴承磨损寿命分析

一、为什么要分析高温环境下轴承磨损问题

相比于常规轴承，高温、水介质润滑轴承由于其工况条件的特殊性更易发生磨损。而持续磨损会导致轴承工作游隙过大，轴承的振动与噪声加剧，降低轴承的工作精度，使轴承丧失旋转精度，进而影响整机运行的平稳性和安全性。因而，开展特殊工况下轴承磨损寿命的研究，提出有效的防止轴承过早磨损失效的措施，对延长主机装备的使用寿命，提高其可靠性具有重要现实意义

二、高温环境下轴承材料磨损系数确定

1、试验试样

试验试样为应用于高温(300 ℃)环境，以轴承实际使用的高温轴承材料无磁合金 GH05 分别制作球(Φ6.3mm)和盘(Φ50mm×6mm)试样，开展高温环境下轴承材料的摩擦磨损性能试验。

2、试验设备

利用球盘试验机完成高温材料摩擦磨损试验。该试验所采用的试验设备是 Rtec 公司的高温摩擦磨损试验机，其最高温度可达 1200 ℃，加载载荷极限为 5000N，可以实现旋转和往复运动。本研究球盘试验采用旋转式运动，试验设备和运动方式见图 3 所示。

通过加载弹簧设置，控制球盘径向加载载荷Fr，由电机驱动转台运动控制钢球与圆盘之间的相对旋转速度 n，试验过程中通过力传感器可以获取球盘间的实时切向摩擦力。试验后，利用德国 NanoFocus 表面三维形貌光学轮廓仪，对磨损后的试样表面形貌进行扫描，分析磨损系数与载荷和润滑状态间的关系，得到高温无磁合金材料GH05 的磨损系数，用于轴承磨损模型的建立。

通过对所研究对象的载荷和运动分析，转换得到的球盘试验载荷水平见表 1 所示。

3、磨损特性分析

(1)、为对比高温环境和低粘度润滑条件对轴承材料磨损性能的影响，图 4 为圆盘试样在表 1 试验工况，三种(常温干摩擦、高温干摩擦和高温低粘度润滑)摩擦状态下的磨损形貌。

(2）与常温干摩擦相比，高温干摩擦条件下圆盘试样的磨痕宽度减小，但磨痕加深，磨损程度增加。这表明，高温对无磁合金材料的磨损性能产生明显影响，耐磨性降低；

(3）相比于高温干摩擦试样的磨损形貌，高 温低粘度润滑状态下试样的磨痕宽度减小，磨痕变浅，磨损程度减轻。这表明，高温条件下，低粘度润滑介质起到一定的减磨作用，有助于提高材料的耐磨性。

4、磨损系数计算

由图 5 可知，在相同载荷工况下(见表 1)，300 ℃干摩擦条件下材料的磨损体积最大，300 ℃低粘度润滑条件下材料的磨损体积最小。

这说明低粘度润滑介质有助于改善材料的磨损状 态，但高温使材料的抗磨损性能下降，磨损程度加剧。

依据 Archard 磨损理论，磨损系数为：K=V/Qvt

式中，V 为磨损体积，Q 为加载载荷，v 为滑动速度，t 为时间。

将5次测试得到的磨损体积(见图 5)带入到式(1)中，可以得到三种摩擦条件下轴承材料的磨 损系数 K(见表 2)。

三、高温下角接触球轴承磨损寿命分析总结

(1)、轴承材料 GH05 合金，高温 300 ℃干摩擦 状 态 下 的 磨 损 系 数 最 大 ， 约 为 2.5×10- 7mm2/N；25 ℃干摩擦状态下的磨损系数次之；300 ℃低粘度润滑介质状态下的磨损系数最小。

(2)载荷和转速是影响轴承磨损寿命的主要因素，对于所研究轴承，转速在 60r/min~140r/min范围时，随着转速的增加，轴承磨损寿命呈线性下降趋势；而径向载荷在超过 2000N，轴向预紧载荷大于 40N 时，随着载荷的增加轴承磨损寿命减少的趋势减缓。

(3)随着载荷、转速的增加，轴承的磨损寿命均减小，对于高温、低粘度润滑球轴承，结构参数对其磨损寿命影响重大，在一定范围内存在一套合理的结构参数使得轴承的磨损寿命最优。