2021, Vol. 53
2. 洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039
2. Luoyang Bearing Science & Technology Co., Ltd, Luoyang 471039, Henan, China
高速角接触球轴承是广泛应用于高速电主轴的核心基础件，相比动静压轴承、磁悬浮轴承，具有摩擦力矩小、尺寸标准化、生产成本低、维护简单方便等优点[1-2].影响高速角接触球轴承服役性能的主要因素有轴承材料[3-4]、结构形式[5]、制造精度[6]、预紧力[7-8]、工作温度[9]、润滑条件[10]等.其中，良好的润滑状态是轴承正常运行的前提，也是影响高速轴承振动特性的重要因素.
润滑油被称为轴承除内外套圈、保持架、滚动体之外的“第五大件”，起着减小摩擦磨损、降低工作温度、缓和重载及冲击载荷等重要作用.目前, 在高速滚动轴承润滑方面的研究多集中于供油量、供油方式等因素.李松生等[11]研究发现, 对应某一特定工况，总存在一个最佳供油量使轴承能够处于最佳润滑状态.胡志宏等[12]研究了高速轴承在不同工况下的润滑状态，发现润滑油膜制约着轴承的极限转速，轴向预载荷对内部接触区的润滑状态影响不大.
黏度是润滑油最重要的性能指标，对轴承的润滑状态、滚动体与滚道接触区域油膜厚度、滚动体与滚道的摩擦力等起到了决定性作用.目前，润滑油黏度对轴承高速性能的影响机理仍不十分明确，实际应用中对润滑油黏度的选择缺乏理论依据，对轴承的服役性能及使用寿命造成很大影响.明确润滑油黏度、密度等理化性能，以及润滑油膜厚度、油膜摩擦力等弹流润滑特性对高速轴承性能的影响，对改善高速轴承的润滑状态具有重要意义.
鉴于此，本文通过T30-70轴承高速试验机对7014C轴承进行高速工况下的黏度影响试验，测试陶瓷轴承和钢制轴承在不同润滑油黏度条件下的振动和温升值，对比不同润滑条件下轴承滚动面损伤特征.结合试验结果和理论分析，研究润滑油黏度对陶瓷轴承和钢制轴承高速性能及滚动面损伤的影响机制，为高速角接触球轴承的适用润滑油黏度选择提供依据.
1 试验 1.1 试验轴承与设备试验采用钢制角接触球轴承和陶瓷角接触球轴承进行对比，其中钢制轴承型号为H7014CP4，滚动体与套圈材质均为GCr15，陶瓷轴承型号为H7014C/HQ1P4，滚动体为Si3N4，套圈材质为GCr15.两种型号的角接触球轴承主要结构参数相同，详见表 1.
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表 1 7014C型角接触球轴承结构参数 Tab. 1 Structural parameters of 7014C type angular contact ball bearing |
高速工况下的黏度影响试验在图 1所示的T30-70型高速轴承试验机(洛阳轴承研究所有限公司)上进行，其轴系结构如图 2所示，该试验机最高转速为33 000 r/min-1.每次试验安装前后两套轴承，液压油缸通过加载套将预紧力施加于试验轴承2并通过试验轴传递给试验轴承1.根据轴承类型及实际经验，采取轴向预紧力600 N.通过温度传感器和振动传感器测量试验轴承外圈的温升与轴系的振动.
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图 1 T30-70型高速轴承试验机 Fig. 1 T30-70 type high speed bearing testing machine |
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图 2 试验系统轴系结构 Fig. 2 Shafting structure of the test system |
试验中，润滑油油温保持25 ℃恒定，通过图 2所示进油喷嘴进入轴承滚道进行润滑，由定量喷油润滑系统控制进油量，恒定为0.5 mL/min，供油压力为1.0 MPa.润滑油采用Castrol Magna主轴锭子油，根据工业用润滑油ISO黏度等级[13]的分类，选取润滑油黏度分别为2.2、3.2、4.6、6.8、10.0、15.0、22.0、32.0、46.0、68.0、100.0 mm2/s.
1.2 转速选定高速轴承是指其dmn值>1×106 mm·r/min的轴承[2].试验所用7014C型陶瓷及钢制轴承节圆直径dm=90 mm，极限转速分别为32 000 r/min和20 000 r/min.试验前，高速轴承试验机转速从500 r/min阶梯提升至20 000 r/min，逐级测试轴承振动信号，结果表明4 600、8 700 r/min为该轴系的两个共振点.黏度影响试验分别在12 000、15 000和18 000 r/min这3个转速条件下进行.
1.3 温升及振动信号的处理试验在室温条件下进行(约25 ℃)，在每种润滑油黏度条件下，试验机快速升至目标转速后持续运转5 h，每隔1 s记录轴承温度及振动信号，温升值采用最终温度减去环境温度表示.轴承振动通过截取轴承稳定运转状态下的振动信号，计算轴承振动加速度级[14]来描述：
| $ L = 20\lg \left( {a/{a_0}} \right). $ |
式中：L为轴承振动加速度级，dB；a为轴承振动加速度均方根值，m/s2；a0为参考加速度，a0 =9.81×10-3 m/s2.
同时，引入峭度指标反应振动信号分布特性的数值统计特征.峭度可以对低幅值进行抑制，突出高幅值信号，对振动信号中的摩擦冲击特征十分敏感.峭度可表示为
| $ K = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N {{{\left( {\frac{{{x_i} - \bar x}}{\sigma }} \right)}^4}} . $ |
式中：xi为振动加速度值，x为振动加速度均值，σ为振动加速度标准差.正常回转的轴承振动信号分布接近于正态分布，峭度值在3左右.若出现了较大幅值的振动，则信号幅值分布偏离正态分布，峭度值也随之增大.
2 结果与分析 2.1 润滑油黏度对轴承温升及振动的影响陶瓷轴承与钢制轴承在不同工况下的温升情况如图 3(a)和图 3(b)所示.
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图 3 不同润滑油黏度条件下的轴承温升 Fig. 3 Temperature rise of bearings under different lubricant viscosities |
两种轴承的试验温升均随润滑油黏度增大呈现出先下降后上升的U形曲线，高黏度润滑和低黏度润滑都会造成轴承工作温度升高.转速为12 000 r/min时，润滑油黏度对轴承温升影响较小，钢制轴承与陶瓷轴承的温升情况相近，均在15 ℃左右.随着转速增大为15 000和18 000 r/min，相同黏度条件下的钢制轴承温升逐渐大于陶瓷轴承.并且，高转速时润滑油黏度对轴承温升影响较大：两种轴承温升在润滑油黏度2.2 ~6.8 mm2/s时迅速减小；在黏度22~100 mm2/s时缓慢增大.
图 4(a)和图 4(b)展示了不同工况下陶瓷轴承和钢制轴承振动加速度级的变化情况.转速为12 000 r/min时，振动变化较小，各黏度条件下的钢制轴承与陶瓷轴承振动加速度级均位于44 dB左右.转速为15 000 r/min和18 000 r/min时，两种轴承的振动曲线在润滑油黏度2.2~6.8 mm2/s时急剧下降，在黏度22~100 mm2/s时缓慢上升，并且相同黏度条件下钢制轴承振动大于陶瓷轴承.高黏度润滑和低黏度润滑都会使轴承的振动增大，且轴承的转速越高，振动受黏度变化的影响越明显.轴承振动曲线随润滑油黏度的变化与温升曲线相似，这是因为温度会影响轴承的动刚度[15]，进而影响到轴承的振动.
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图 4 不同润滑油黏度条件下的轴承振动 Fig. 4 Vibration of bearings under different lubricant viscosities |
图 5(a)和图 5(b)为不同工况下陶瓷轴承和钢制轴承振动信号的峭度变化情况.由图 5可知，在低黏度润滑时，两种轴承振动信号的峭度明显增大，意味着出现了高幅值的振动信号；在高黏度润滑时，虽然轴承的振动值较大，但振动信号的峭度变化较小.钢制轴承在低黏度、高转速工况2.2 mm2/s、15 000 r/min和2.2 mm2/s、18 000 r/min运转时，振动信号的峭度明显大于陶瓷轴承.
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图 5 不同润滑油黏度条件下的轴承振动峭度 Fig. 5 Kurtosis of bearing vibration under different lubricant viscosities |
根据滚动体与滚道接触区域的润滑油膜能否完全隔开滚动体与滚道，轴承的润滑状态可以分为全膜弹流润滑和部分膜弹流润滑[16]，其微观润滑状态分别如图 6(a)及图 6(b)所示.
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图 6 轴承润滑状态与微观接触模型 Fig. 6 Bearing lubrication conditions and micro contact models |
低黏度润滑时，润滑油膜厚度薄，轴承处于部分膜弹流润滑状态，油膜无法完全隔开接触区两表面，产生一定程度的微凸峰摩擦碰撞.润滑油黏度越小，微凸峰摩擦碰撞越严重，图 5中低黏度时峭度的急剧增大反映了振动信号中的摩擦冲击特征.微凸峰摩擦加剧导致轴承低黏度润滑时温升增大，微凸峰碰撞使滚动面出现划痕和损伤，导致轴承振动急剧增大.
高黏度润滑时，轴承处于全膜弹流润滑状态，油膜厚度可以完全隔开接触区两表面，不存在微凸峰摩擦，滚道通过油膜的摩擦力拖动滚动体进行回转运动.全膜弹流润滑状态下，润滑油的黏度越大，油膜对滚动体的摩擦力越大，造成轴承摩擦损耗增大，温度升高，轴承的动刚度降低，轴承振动增大.由于油膜摩擦相较于微凸峰摩擦更加平稳，故高黏度润滑时轴承振动中的冲击信号较少，峭度的变化也较小，如图 5所示.
对比陶瓷轴承和钢制轴承可以发现，在转速为12 000 r/min时，两种轴承的温升曲线和振动曲线都比较相近，当转速提升到15 000 r/min和18 000 r/min时，钢制轴承的温升与振动逐渐大于陶瓷轴承.这是因为GCr15轴承钢的密度远大于Si3N4陶瓷，高速回转时钢制滚动体的离心力远大于陶瓷滚动体，滚动体与滚道间接触力更大，同工况下钢制轴承的油膜厚度更薄.在低黏度时，更大的接触力和更薄的油膜厚度会使钢制轴承的微凸峰摩擦较陶瓷轴承更加剧烈，表现为图 5中钢制轴承在低黏度的峭度较陶瓷轴承大.而在高黏度时，钢制轴承接触力更大，油膜厚度更薄，油膜摩擦力更大，所以温升更高，振动更大.因此在高速回转时，陶瓷轴承相比于钢制轴承表现出更加优异的性能.
循环油润滑时，轴承外圈温度一般不超过95 ℃[17]，轴承振动加速度级 < 50 dB [14].根据试验结果，各工况下7014C型角接触球轴承的适用黏度范围如表 2所示.
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表 2 7014C型角接触球轴承适用润滑油黏度 Tab. 2 Applicable lubricant viscosities of 7014C type angular contact ball bearings |
由上述试验结果与分析可知，润滑油黏度2.2 mm2/s、转速18 000 r/min工况下，两种轴承为部分膜弹流润滑状态；润滑油黏度10 mm2/s、转速18 000 r/min工况下，两种轴承为全膜弹流润滑状态.将上述两种工况下持续运转100 h后的陶瓷轴承与钢制轴承拆解，分别对滚动体及滚道表面质量进行检测，并与其初始表面对比，研究滚动面的损伤特征.
两种轴承的滚动体、内滚道、外滚道表面粗糙度测量结果如图 7所示.在全膜弹流润滑状态下运转时滚动面粗糙度变化较小，部分膜弹流润滑状态下运转100 h后滚动面粗糙度明显大于其初始值，表面损伤严重.在部分膜弹流润滑状态下持续运转后，陶瓷轴承的滚动体、内滚道、外滚道粗糙度变化程度均小于钢制轴承，表明陶瓷轴承对恶劣工况的适应性较钢制轴承更强，陶瓷滚动体不但自身耐磨性较钢制滚动体更好，而且对滚道的损伤更小.部分膜弹流润滑状态下，内滚道表面粗糙度变化较小，滚动体与外滚道的表面粗糙度变化较大，因为高速回转时轴承外接触角小于内接触角，外滚道与滚动体接触区域的压应力大于内滚道与滚动体接触区域，导致外滚道与滚动体表面更容易受到损伤.如图 8所示，在部分膜润滑状态下持续运转后，两种材质的滚动体表面均存在多处划痕，钢制滚动体表面划痕较陶瓷滚动体密且深，多次测量的偏差较大，表面质量一致性差.
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图 7 试验前后轴承各零件表面粗糙度变化 Fig. 7 Surface roughness changes of bearing parts before and after test |
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图 8 部分膜弹流润滑试验后滚动体表面划痕 Fig. 8 Scratches on the surface of bearing balls after partial oil-film EHL test |
用光学3D表面轮廓仪(CHOTEST SuperView W1)对各滚动体表面进行检测，得到图 9所示的滚动体表面3D轮廓.其中，图 9(a)与图 9(b)所示为陶瓷及钢制滚动体的初始表面轮廓.轴承在全膜弹流润滑状态下油膜较厚，能够将滚动体与滚道表面绝大部分微凸峰分隔开来，滚动体表面微凸峰摩擦较少，损伤较小，如图 9(c)及图 9(d)所示.试验后滚动体表面的粗糙度值相比于初始表面的粗糙度值略微增大，陶瓷滚动体与钢制滚动体的表面质量差异较小.在部分膜弹流润滑状态下持续运转后，由于表面微凸峰摩擦碰撞情况严重，两种轴承的滚动体均出现明显的峰谷，表面损伤严重，如图 9(e)及图 9(f)所示.其中钢制滚动体表面凸峰较高，凹谷较深，表面出现较为明显的一字型峰谷交界为滚动体表面的划痕损伤，极大地影响了轴承的性能.
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图 9 不同润滑状态下的滚动体表面3D轮廓 Fig. 9 3D surface profiles of bearing balls under different lubrication conditions |
为比较部分膜弹流润滑试验条件下陶瓷及钢制滚动体表面的损伤程度，在图 9(e)及图 9(f)所示表面轮廓上分别沿直线A-A、B-B截取滚动体表面轮廓，如图 10所示.
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图 10 部分膜弹流润滑试验后滚动体表面轮廓 Fig. 10 Surface profiles of bearing balls after partial oil-film EHL test |
陶瓷滚动体在A-A段轮廓线上的最大高度差为595 nm，远小于钢制滚动体在B-B线段上的高度差1 185 nm.这是因为同工况下钢制滚动体受到的微凸峰摩擦较陶瓷滚动体严重，且GCr15轴承钢的硬度也低于Si3N4陶瓷，GCr15钢制滚动体耐磨性差于Si3N4陶瓷滚动体.
3 结论1) 高速工况下，随着角接触球轴承润滑油黏度的增大，其温升与振动均呈现出先下降后上升的趋势.
2) 润滑油黏度对角接触球轴承高速性能的影响程度随转速的增大而增大，即适用的润滑油黏度范围随转速的增大而减小.
3) 转速为12 000 r/min时，陶瓷轴承与钢制轴承性能差别不大.然而，随着转速增加，陶瓷轴承表现出更优越的性能，适用的润滑油黏度范围也较钢制轴承更广.
4) 全膜弹流润滑条件下，陶瓷轴承与钢制轴承滚动面损伤较小且差异不明显.部分膜弹流润滑条件下的轴承滚动面损伤严重，表面出现大量凸峰和凹谷，轴承滚动体及外滚道表面损伤较内滚道严重，钢制滚动体的表面划痕较陶瓷滚动体密且深.
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