高速滾動(dòng)軸承滾動(dòng)軸承溫度場分析展望

我國對(duì)滾動(dòng)軸承溫度場研究起步較晚，基礎(chǔ)理論與試驗(yàn)研究相對(duì)較薄弱，國內(nèi)又缺少先進(jìn)的工業(yè)基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)技術(shù)作為支撐。例如，軸承系統(tǒng)內(nèi)部流體介質(zhì)與換熱表面間的對(duì)流換熱系數(shù)較難確定以及內(nèi)部各個(gè)零件或部位的溫度較難用試驗(yàn)測定，以至于缺少具體有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)做對(duì)比驗(yàn)證，因此，阻礙了軸承溫度場理論研究的發(fā)展。另外，隨著航空主軸) 軸承工作轉(zhuǎn)速的不斷提高，軸承內(nèi)的摩擦損耗也在不斷增加，因此，對(duì)潤滑油潤滑冷卻的性能和方式也提出了更高的要求。工程中希望使用最小的潤滑油油量達(dá)到既保證軸承正常工作又使得軸承溫升最小的效果。目前常用的潤滑方式有: 噴射潤滑、環(huán)下潤滑和油霧潤滑。與噴射潤滑相比，環(huán)下潤滑冷卻效果較好，其用油量少，減小了軸承的攪油功耗損失，并且潤滑油很容易將軸承內(nèi)部的磨屑帶出軸承。油霧潤滑方法與液態(tài)油相比，攪油功耗較小，但是環(huán)境污染嚴(yán)重，潤滑油消耗量也大，因此也并不理想。

針對(duì)滾動(dòng)軸承溫度場分析這一研究領(lǐng)域，在今后相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)，應(yīng)該以理論與試驗(yàn)基礎(chǔ)研究為重點(diǎn)，用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證理論分析方法的可行性，需要在如下幾個(gè)方面進(jìn)一步完善:

(1) 為了精化高速滾動(dòng)軸承的傳熱計(jì)算，需要進(jìn)行大量高速滾動(dòng)軸承專門的對(duì)流換熱模擬試驗(yàn)，用試驗(yàn)方法來獲得計(jì)算高速滾動(dòng)軸承對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程，從而提出高速滾動(dòng)軸承對(duì)流換熱系數(shù)的專門公式。這需要專門立項(xiàng)進(jìn)行研究。

( 2) 現(xiàn)有的傳熱學(xué)手冊(cè)中很少涉及潤滑油的熱物性參數(shù)，給軸承溫度場分析計(jì)算帶來了很大的麻煩。為了得到更加精確的傳熱計(jì)算公式，需要對(duì)各種不同型號(hào)潤滑油的熱物性參數(shù)進(jìn)行大量的試驗(yàn)測試。

(3) 雖然環(huán)下潤滑目前是比較理想的潤滑方式,但隨著對(duì)潤滑和冷卻要求的不斷提高，油氣潤滑作為一種更加理想的潤滑方式，能夠解決其他傳統(tǒng)潤滑方式的缺點(diǎn)，這一潤滑方式有待將來進(jìn)行進(jìn)一步研究。

(4) 針對(duì)高速滾動(dòng)軸承內(nèi)各個(gè)零件或部位的溫度較難測定，而現(xiàn)有的試驗(yàn)測定方法不能準(zhǔn)確測定軸承內(nèi)任意點(diǎn)的溫度，因此，需要研究新的溫度測定方法,以便準(zhǔn)確測定軸承內(nèi)的溫度，并與理論研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

(5) 在對(duì)高速滾動(dòng)軸承進(jìn)行功率損失的計(jì)算模型中，所涉及的力或運(yùn)動(dòng)參數(shù)需要根據(jù)軸承的具體工況,對(duì)軸承進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和力學(xué)分析來確定。靜力學(xué)( 或擬靜力學(xué)) 分析相對(duì)較粗糙，而動(dòng)學(xué)力分析發(fā)展的還不夠完善，因此需要對(duì)軸承動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)行進(jìn)一步的研究 。

軸承系統(tǒng)溫度變化關(guān)鍵取決于系統(tǒng)內(nèi)部滾動(dòng)軸承摩擦的自身發(fā)熱和系統(tǒng)的散熱能力。

1.摩擦生熱及其影響

軸承由于摩擦而引起的自身發(fā)熱主要來自: 滾動(dòng)體與內(nèi)外滾道之間的滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦、保持架與套圈引導(dǎo)面之間的滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)體與保持架兜孔之間的滑動(dòng)摩擦、滾子端面與擋邊之間的滑動(dòng)摩擦、潤滑劑黏性摩擦等。據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸) 軸承系統(tǒng)現(xiàn)場使用的數(shù)據(jù)和軸承失效的統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn): 由于軸承材料的不斷改進(jìn)，疲勞剝落僅占總故障數(shù)的2.39%，已不是滾動(dòng)軸承失效的主要問題，而打滑蹭傷和摩擦磨損則占總故障數(shù)的53.89%。打滑和摩擦直接導(dǎo)致軸承的生熱加劇，如果不能得到有效地潤滑和冷卻，勢(shì)必造成軸承因內(nèi)部工作溫度過高而失效，如套圈滾道和滾動(dòng)體回火或燒傷、保持架引導(dǎo)面灼蝕等。

2.熱量的散發(fā)對(duì)軸承溫升的影響

軸承系統(tǒng)內(nèi)部除了存在自身發(fā)熱外，還與系統(tǒng)外部存在相互的熱傳遞過程。如果軸承內(nèi)產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)有效地散發(fā)，隨著熱量在軸承內(nèi)的不斷積聚，則會(huì)導(dǎo)致軸承溫度異常升高，潤滑油黏度下降，滾動(dòng)體與內(nèi)外圈滾道間油膜厚度減小，最終使軸承因滾動(dòng)體回火或滾道表面剝落而報(bào)廢，并且溫度過高還會(huì)導(dǎo)致軸承膠合和咬死，其后果十分嚴(yán)重。

3.滾動(dòng)軸承的熱傳遞過程

實(shí)際工程中的傳熱過程往往是很復(fù)雜的。軸承產(chǎn)生的功率損失最終以熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱及熱輻射的方式散發(fā)掉。一般情況下，軸承系統(tǒng)內(nèi)部零部件間的溫度差別并不大，熱輻射很小，可以忽略; 熱傳導(dǎo)相對(duì)而言也較容易計(jì)算。而軸承系統(tǒng)內(nèi)零部件表面與潤滑油、空氣或油氣混合物等流體之間的對(duì)流換熱是必須要考慮的重要換熱形式，而且換熱系數(shù)也是最難確定的。這種對(duì)流換熱系數(shù)之所以難以確定，一方面是因?yàn)檩S承內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不同于傳熱學(xué)教程中的平板、圓筒、管狀物等簡單物理模型，當(dāng)軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其內(nèi)部流體的流速或雷諾數(shù)很難準(zhǔn)確估算，因此很難將傳熱學(xué)教程中所給出的對(duì)流換熱系數(shù)公式直接套用在軸承內(nèi)對(duì)流換熱的計(jì)算上。另一方面，國內(nèi)外關(guān)于軸承熱分析的對(duì)流換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較少。因此，對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的傳熱過程要完全精確地描述并作定量計(jì)算是不可能的。目前，在軸承熱分析中通常是構(gòu)想一個(gè)簡化模型，采用一些近似的對(duì)流換熱系數(shù)公式或數(shù)值并借助于近似的計(jì)算方法來進(jìn)行對(duì)流換熱的估算，從而解決軸承熱分析中的問題。

打滑將會(huì)加劇軸承接觸區(qū)域熱量的急劇增加,嚴(yán)重時(shí)將會(huì)引起內(nèi)外圈膨脹促使軸承游隙減小而導(dǎo)致軸承失效，因此針對(duì)高速滾動(dòng)軸承進(jìn)行熱分析具有重要的研究意義 。

（1）國外高速滾動(dòng)軸承打滑動(dòng)力學(xué)、摩擦學(xué)研究進(jìn)展自從19 世紀(jì)60 年代開始，研究者便針對(duì)高速滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及摩擦學(xué)進(jìn)行了相關(guān)研究，為軸承打滑分析創(chuàng)造了條件。

（2）國內(nèi)高速滾動(dòng)軸承打滑動(dòng)力學(xué)、摩擦學(xué)研究進(jìn)展在國內(nèi)，研究人員采用彈性流體動(dòng)力潤滑分析方法研究獲得了高速滾動(dòng)軸承中滾子與內(nèi)、外套圈接觸區(qū)的油膜動(dòng)壓力、潤滑油牽引力及油膜厚度數(shù)值，并分析了載荷、轉(zhuǎn)速和滾子數(shù)等工況參數(shù)對(duì)滾動(dòng)軸承打滑的影響機(jī)理。學(xué)者還對(duì)影響高速滾動(dòng)軸承打滑的因素進(jìn)行了分析，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)以支持高速滾動(dòng)軸承的打滑分析。也有學(xué)者針對(duì)加速工況下滾動(dòng)軸承的打滑情況進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

綜上所述，以往研究大多集中于通過構(gòu)建擬動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行高速滾動(dòng)軸承的打滑分析上，在高速重載（中載）情況下分析結(jié)果較為可靠，但針對(duì)高速輕載工況難以取得理想的結(jié)果。

滾動(dòng)軸承是高端機(jī)械裝備的核心零件，其對(duì)主機(jī)的使用性能、使用壽命等性能指標(biāo)具有較大的影響。高速滾動(dòng)軸承如典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承，其轉(zhuǎn)速極高而外載荷很小，極易產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。打滑是引起軸承失效和故障最常見的原因之一，打滑并且對(duì)滾動(dòng)軸承其他的損傷失效形式也有不同程度的影響。打滑及其損傷失效問題是一個(gè)耦合摩擦學(xué)、動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)、熱力學(xué)等多學(xué)科多領(lǐng)域知識(shí)的復(fù)雜問題，在高速滾動(dòng)軸承中打滑失效時(shí)將嚴(yán)重影響整機(jī)使用性能。由于內(nèi)部接觸關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及潤滑問題的復(fù)雜性，高速滾動(dòng)軸承的打滑機(jī)理及打滑情況下軸承的失效機(jī)理等問題一直未得到很好的解決。高速滾動(dòng)軸承打滑失效現(xiàn)象起源于打滑，而其失效現(xiàn)象屬于一種綜合失效模式，其中含有擦傷失效、熱失效等多種失效形式 。

高速滾動(dòng)軸承是指發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的軸承內(nèi)徑（毫米）X轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）值（d.n值）越來越大，一般認(rèn)為值超過0.6 X 106mm﹒r/min的軸承為高速滾動(dòng)軸承?，F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承d.n值已達(dá)到3X106mm﹒r/min以上，由于滾動(dòng)體打滑、疲勞、磨損等引起的滾動(dòng)軸承失效經(jīng)常發(fā)生，滾動(dòng)軸承一旦失效會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)精度降低，振動(dòng)急劇加大，磨損，甚至抱軸和斷軸 。

滾動(dòng)軸承和阻尼器分別是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)減震和支承的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，是影響精密高速裝備、航空航天、運(yùn)載工具等整機(jī)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性、可靠性和壽命的重要環(huán)節(jié)。.從原理和結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新，通過綜合調(diào)控復(fù)合材料的粘彈阻尼特性和結(jié)構(gòu)摩擦阻尼特性，研制一種具有最佳剛度和阻尼的、高速滾動(dòng)軸承和阻尼器的集成結(jié)構(gòu)__一體化獨(dú)立裝配單元，實(shí)現(xiàn)兩大核心部件在性能和結(jié)構(gòu)方面的雙重集成?？茖W(xué)上解決材料、結(jié)構(gòu)與剛度、阻尼特性之間的耦合效應(yīng)機(jī)理，建立一體化部件的減振、性能預(yù)測和控制理論，同時(shí)探索交變載荷下一體化部件的失效機(jī)理；技術(shù)上通過優(yōu)化復(fù)合粘彈阻尼減振材料，提高阻尼特性參數(shù)，采用低剛度軸承結(jié)構(gòu)措施，優(yōu)化一體化部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)裝配前動(dòng)態(tài)性能測試和調(diào)整，突破現(xiàn)有軸承與阻尼器分開制造、裝機(jī)后性能隨機(jī)耦合、離散度大、難以調(diào)整等技術(shù)制約?？蓮V泛用于精密復(fù)雜高速裝備、航空航天、運(yùn)載工具等發(fā)動(dòng)機(jī)上，有巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義

高速潤滑脂EccoGrease BR20-2是由有機(jī)稠化劑稠化低粘度酯類合成油并加有抗氧化、防銹蝕、抗腐蝕等多種添加劑精制而成的低粘性高速潤滑脂。此低扭矩、長壽命潤滑脂主要針對(duì)機(jī)床/加工中心主軸的高速滾動(dòng)軸承的潤滑而設(shè)計(jì)，能顯著降低高速軸承工作溫度及提高軸承的工作壽命。