[科普中國]-高速滾動軸承

高速滾動軸承是指發(fā)動機主軸軸承的軸承內徑（毫米）X轉速（轉/分）值（d.n值）越來越大，一般認為值超過0.6 X 106mm﹒r/min的軸承為高速滾動軸承?，F(xiàn)代航空發(fā)動機主軸軸承d.n值已達到3X106mm﹒r/min以上，由于滾動體打滑、疲勞、磨損等引起的滾動軸承失效經(jīng)常發(fā)生，滾動軸承一旦失效會導致系統(tǒng)精度降低，振動急劇加大，磨損，甚至抱軸和斷軸。

簡介高速滾動軸承是指發(fā)動機主軸軸承的軸承內徑（毫米）X轉速（轉/分）值（d.n值）越來越大，一般認為值超過0.6 X 106mm﹒r/min的軸承為高速滾動軸承?，F(xiàn)代航空發(fā)動機主軸軸承d.n值已達到3X106mm﹒r/min以上，由于滾動體打滑、疲勞、磨損等引起的滾動軸承失效經(jīng)常發(fā)生，滾動軸承一旦失效會導致系統(tǒng)精度降低，振動急劇加大，磨損，甚至抱軸和斷軸1。

背景介紹滾動軸承是高端機械裝備的核心零件，其對主機的使用性能、使用壽命等性能指標具有較大的影響。高速滾動軸承如典型的航空發(fā)動機主軸軸承，其轉速極高而外載荷很小，極易產生打滑現(xiàn)象。打滑是引起軸承失效和故障最常見的原因之一，打滑并且對滾動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耦合摩擦學、動力學、材料學、熱力學等多學科多領域知識的復雜問題，在高速滾動軸承中打滑失效時將嚴重影響整機使用性能。由于內部接觸關系、運動關系以及潤滑問題的復雜性，高速滾動軸承的打滑機理及打滑情況下軸承的失效機理等問題一直未得到很好的解決。高速滾動軸承打滑失效現(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2。

高速滾動軸承打滑機理研究現(xiàn)狀（1）國外高速滾動軸承打滑動力學、摩擦學研究進展自從19 世紀60 年代開始，研究者便針對高速滾動軸承運動學、動力學及摩擦學進行了相關研究，為軸承打滑分析創(chuàng)造了條件。

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

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

高速滾動軸承熱失效問題研究現(xiàn)狀打滑將會加劇軸承接觸區(qū)域熱量的急劇增加,嚴重時將會引起內外圈膨脹促使軸承游隙減小而導致軸承失效，因此針對高速滾動軸承進行熱分析具有重要的研究意義3。

滾動軸承溫升的機理及影響軸承系統(tǒng)溫度變化關鍵取決于系統(tǒng)內部滾動軸承摩擦的自身發(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: 滾動體與內外滾道之間的滾動和滑動摩擦、保持架與套圈引導面之間的滑動摩擦、滾動體與保持架兜孔之間的滑動摩擦、滾子端面與擋邊之間的滑動摩擦、潤滑劑黏性摩擦等。據(jù)航空發(fā)動機主軸) 軸承系統(tǒng)現(xiàn)場使用的數(shù)據(jù)和軸承失效的統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn): 由于軸承材料的不斷改進，疲勞剝落僅占總故障數(shù)的2.39%，已不是滾動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%。打滑和摩擦直接導致軸承的生熱加劇，如果不能得到有效地潤滑和冷卻，勢必造成軸承因內部工作溫度過高而失效，如套圈滾道和滾動體回火或燒傷、保持架引導面灼蝕等。

2.熱量的散發(fā)對軸承溫升的影響

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

3.滾動軸承的熱傳遞過程

實際工程中的傳熱過程往往是很復雜的。軸承產生的功率損失最終以熱傳導、對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; 熱傳導相對而言也較容易計算。而軸承系統(tǒng)內零部件表面與潤滑油、空氣或油氣混合物等流體之間的對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。這種對流換熱系數(shù)之所以難以確定，一方面是因為軸承內部結構比較復雜，不同于傳熱學教程中的平板、圓筒、管狀物等簡單物理模型，當軸承高速運轉時，其內部流體的流速或雷諾數(shù)很難準確估算，因此很難將傳熱學教程中所給出的對流換熱系數(shù)公式直接套用在軸承內對流換熱的計算上。另一方面，國內外關于軸承熱分析的對流換熱系數(shù)實驗數(shù)據(jù)比較少。因此，對于一個復雜的傳熱過程要完全精確地描述并作定量計算是不可能的。目前，在軸承熱分析中通常是構想一個簡化模型，采用一些近似的對流換熱系數(shù)公式或數(shù)值并借助于近似的計算方法來進行對流換熱的估算，從而解決軸承熱分析中的問題。

滾動軸承溫度場分析展望我國對滾動軸承溫度場研究起步較晚，基礎理論與試驗研究相對較薄弱，國內又缺少先進的工業(yè)基礎和優(yōu)勢技術作為支撐。例如，軸承系統(tǒng)內部流體介質與換熱表面間的對流換熱系數(shù)較難確定以及內部各個零件或部位的溫度較難用試驗測定，以至于缺少具體有效的試驗數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)做對比驗證，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) 軸承工作轉速的不斷提高，軸承內的摩擦損耗也在不斷增加，因此，對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)境污染嚴重，潤滑油消耗量也大，因此也并不理想。

針對滾動軸承溫度場分析這一研究領域，在今后相當長一段時期內，應該以理論與試驗基礎研究為重點，用試驗結果驗證理論分析方法的可行性，需要在如下幾個方面進一步完善:

(1) 為了精化高速滾動軸承的傳熱計算，需要進行大量高速滾動軸承專門的對流換熱模擬試驗，用試驗方法來獲得計算高速滾動軸承對流換熱的準則方程，從而提出高速滾動軸承對流換熱系數(shù)的專門公式。這需要專門立項進行研究。

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

(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，這一潤滑方式有待將來進行進一步研究。

(4) 針對高速滾動軸承內各個零件或部位的溫度較難測定，而現(xiàn)有的試驗測定方法不能準確測定軸承內任意點的溫度，因此，需要研究新的溫度測定方法,以便準確測定軸承內的溫度，并與理論研究結果進行對比驗證。

(5) 在對高速滾動軸承進行功率損失的計算模型中，所涉及的力或運動參數(shù)需要根據(jù)軸承的具體工況,對軸承進行運動分析和力學分析來確定。靜力學( 或擬靜力學) 分析相對較粗糙，而動學力分析發(fā)展的還不夠完善，因此需要對軸承動力學分析進行進一步的研究3。

本詞條內容貢獻者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學院工程熱物理研究所