信召顺，刘晓玲，杨玉冰

(青岛理工大学 机械工程学院，山东 青岛 266520)

温升是滚动轴承重要的性能参数，只有将温升控制在合理的范围内才能保证轴承长时间稳定运转。润滑脂不仅影响轴承工作温度且直接影响轴承寿命，因此有必要研究轴承运转后的温升和润滑脂性能的变化。文献[1]应用红外光谱分析和扫描电镜等方法研究了脂润滑球轴承的润滑性能及润滑脂的氧化程度；文献[2]研究了基础油对锂基润滑脂流变性能的影响；文献[3]研究了静态热老化对锂-钙基润滑脂微观结构和流变性的影响；文献[4]对锂基润滑脂的流变特性与工作性能进行相关性研究；文献[5]对圆锥滚子轴承的油气润滑进行了试验研究；文献[6]对动车组轴箱轴承劣化润滑脂进行了检测与分析；文献[7]采用化学分析、红外光谱和扫描电镜等方法对失效轴承及润滑脂进行了研究；文献[8]对机床主轴温升的原因进行了分析。

现通过角接触球轴承的温升试验，分析影响轴承温升的各种因素，并取轴承内润滑脂作为样品，通过流变仪和红外光谱分析，研究轴承工作过程中润滑脂的表观黏度和化学结构的变化程度。

1 试验条件与方法

试验在如图1所示的高速滚动轴承试验台上进行，所用轴承为NSK 7008C/P5。以动压润滑高速电主轴为驱动源，内圈旋转，转速范围为0～20 000 r/min；轴向预紧力由两端对称式加载系统施加，通过滚珠丝杠挤压弹簧实现加载；采用pt100铂电阻温度传感器测量外圈温度。采用Centoplex 3润滑脂，手工涂抹方式注脂[9]，注脂量为

图1 高速滚动轴承试验装置

G=0.005DB，

(1)

式中：D为轴承外径，mm；B为轴承宽度，mm。

每组试验前轴承预跑10 min，试验时间为90 min，每5 min记录外圈温度，试验结束后取出润滑脂，保存并记录试验条件。

为了研究轴承内润滑脂工作一段时间后性能的变化，取轴承温升试验中的润滑脂及轴承运转5，10，67 h后的润滑脂与新脂进行对比。

2 轴承温升试验结果

2.1 轴向预紧力对轴承温升的影响

转速9 000 r/min，室温21 ℃，注脂量5.1 g，轴向预紧力分别为100，200，300，400，500 N时外圈温度如图2所示。由图可知，当轴向预紧力较小时(100，200 N)，由于滑动发热，外圈温度随运转时间的增加而升高；轴向预紧力为300，400，500 N时，外圈温度随运转时间的增加呈现先升高后降低的趋势。这是因为轴承运转初始阶段虽然多余的润滑脂被挤出，但沟道中剩余润滑脂仍多于实际需求量，由于润滑脂阻力，外圈温度持续上升，而多余的润滑脂随着轴承的运转逐渐被挤出。当多余润滑脂被完全挤出后，剩余润滑脂在球、沟道、保持架接触面上形成润滑膜，轴承进入正常运转阶段，这时外圈温度逐渐下降并达到平衡状态。

图2 轴向预紧力对外圈温度的影响

根据图2计算出轴承运转90 min时不同轴向预紧力下的轴承温升如图3所示。由图可知:当轴向预紧力较小时特别是200 N,由于滑动发热，温升增大；随着轴向预紧力的增大，温升逐渐减小；当轴向预紧力大于400 N时，温升出现了上升趋势，这是由于球与套圈的摩擦加剧导致发热增加。可见，在一定工况下，轴承存在最佳轴向预紧力，此时轴承温升较低。

图3 轴向预紧力对轴承温升的影响(t=90 min)

2.2 转速对轴承温升的影响

室温21 ℃，注脂量5.1 g，轴向预紧力200 N，转速分别为3 000，6 000，9 000 r/min时外圈温度如图4所示。由图可知，在一定轴向预紧力作用下，外圈温度随运转时间的增加而逐渐升高，但升高速率逐渐降低，表明轴承运转趋于稳定，且在一定轴向预紧力作用下，转速越高，轴承温升越高。

图4 转速对外圈温度的影响

2.3 室温对轴承温升的影响

转速6 000 r/min，注脂量5.1 g，轴向预紧力100 N，运转时间90 min，室温分别为15，18，21，24 ℃的轴承温升如图5所示。由图可知，随着室温的增加，轴承温升逐渐升高。

图5 室温对轴承温升的影响

3 润滑脂性能测试试验

润滑脂的流变特性测试采用奥地利安东帕MCR 302流变仪。测试过程中采用变剪切速率方式，测试采用平板模块，测试间距为0.5 mm，剪切速率为0.01～3 000 s-1，温度设为20 ℃。

润滑脂红外光谱测试采用德国布鲁克TENSOR 27光谱仪，扫描次数16次，波数600～4 000 cm-1。

3.1 转速对润滑脂性能的影响

轴向预紧力100 N，注脂量5.1 g，室温21 ℃，转速分别为3 000，6 000，9 000 r/min，运转10 h后取内部润滑脂作为样品进行测试。

图6 不同转速下润滑脂表观黏度随剪切速率的变化

润滑脂的红外光谱图如图7所示。由图可知，脂的光谱图均显示多个特征峰，其分别对应的特征官能团和化学键见表1。表1中基团是润滑脂固有的化学结构，脂在1 710～1 760 cm-1之间并没有出现新的特征峰[10]，说明脂在这种工况下并没有出现氧化产物，其他特征峰也没有发生明显的变化，因此，脂在此工况下的化学结构并没有发生改变，未出现老化现象。

图7 不同转速下润滑脂的红外光谱

表1 润滑脂红外光谱中的特征峰以及所对应的官能团和化学键

3.2 短时间运转对润滑脂性能的影响

轴向预紧力100 N，注脂量5.1 g，室温21 ℃，转速9 000 r/min。分别运转5，10 h，取内部的润滑脂作为样品进行测试。

轴承运转不同时间的润滑脂黏剪曲线如图8所示。由图可知,脂的表观黏度明显低于同剪切速率下的新脂，且随运转时间的增加，表观黏度逐渐降低，说明运转时间越长，润滑脂的皂纤维结构变化越明显。随着剪切速率的持续增加，2种脂的黏剪曲线逐渐重合，10 h润滑脂的表观黏度略大于5 h的，都大于新脂。

图8 不同运转时间下润滑脂的表观黏度随剪切速率的变化

轴承运转不同时间的润滑脂的剪切应力随剪切速率的变化规律如图9所示。由图可知，剪切应力总体上随剪切速率的增加而增加，在一定剪切速率下剪切应力出现一个平台区域，即润滑脂出现剪切屈服现象，之后剪切应力开始明显增大，说明润滑脂出现了剪切变稀的现象[11]。当剪切速率较小时，脂的剪切应力随轴承运转时间的增加而下降，所对应的屈服应力也下降;当剪切速率过大时，10 h脂的剪切应力反而大于5 h的。

图9 润滑脂剪切应力随剪切速率的变化

3.3 轴向预紧力对润滑脂性能的影响

转速9 000 r/min，注脂量5.1 g，室温21 ℃，轴向预紧力分别为100，200，300，400，500 N，运转90 min，然后取内部的润滑脂作为样品进行测试。

不同轴向预紧力下润滑脂的黏剪曲线如图10所示。由图可知，在不同轴向预紧力作用下润滑脂的表观黏度已经开始发生变化，当剪切速率较小时脂的表观黏度差别较小，而随着剪切速率的持续增大，其差别逐渐明显。

图10 不同轴向预紧力下润滑脂的表观黏度随剪切速率的变化

为了更明显观察轴向预紧力对脂的表观黏度的影响，给出剪切速率分别为1，1 000 s-1时脂的表观黏度如图11所示。由图可知，200，300 N工况下脂的表观黏度随剪切速率的变化不大，而其他工况下脂的表观黏度变化明显，结合图3可以发现，100，400 N工况下轴承温升较低，脂的表观黏度较高，500 N轴承温升开始升高，脂的表观黏度减小，即总体上脂的表观黏度随轴承温升的升高而减小，说明轴向预紧力对润滑脂性能的影响，本质是轴承温升的影响。

图11 润滑脂表观黏度随轴向预紧力的变化

脂的红外光谱图如图12所示。由图可知，各脂的特征峰与新脂几乎没有差别，也没有产生新的特征峰，说明在此工况下，润滑脂的化学结构并没有发生明显变化。

图12 不同轴向预紧力下润滑脂的红外光谱

3.4 长时间运转对润滑脂性能影响

考虑到短时间内润滑脂的性质难以变化，因此取相同型号轴承，注脂量5.1 g，在进行其他测温试验的同时让轴承累计运转67 h，然后取润滑脂作为样品进行测试，由于样品脂较少，只进行了红外光谱测试。

润滑脂的红外光谱分析图如图13所示。由图可知，脂并没有出现新的特征峰，并且其他特征峰与新脂没有明显差别，说明润滑脂的化学结构并没有发生明显变化。

图13 运转67 h后润滑脂的红外光谱

样品脂与新脂的外观对比如图14所示，由图可知，样品脂颜色明显变深，结合光谱图可以推断，样品脂颜色的变化归因于润滑脂的分油。样品脂在工作后，颜色较深的基础油即矿物油从皂纤维中分散出来，无法再次被吸收到皂纤维结构内，从而造成样品脂的颜色变深。

图14 润滑脂实物图

4 结论

1)轴承在一定转速下存在最佳轴向预紧力，此工况下轴承温升最低，并且轴承温度先上升后下降最后达到稳定状态。轴承温升随转速、室温增加而升高。

2)随着转速的增加，润滑脂的皂纤维结构变化程度增加，表观黏度逐渐降低；随轴承运转时间的增加，润滑脂分油增加，颜色逐渐加深，屈服应力降低。

3)短时间内润滑脂在高速、大轴向预紧力工况下，其化学结构未发生明显变化。