润滑油不同含水量对滑动轴承性能的影响
2010-11-01作者：徐 华；刘辉萍 （西安交通大学润滑理论及轴承研究所）
摘 要：通过实验的方法研究滑动轴承使用不同含水量的润滑油对滑动轴承性能的影响。通过构建滑动轴承实验台，测量了工作转速从500r/min到2750r/min，工作载荷为2212N，润滑油供油温度在40℃，润滑油的含水量分别为0％、1％、2％、3％时滑动轴承内温度的变化，轴心的运动轨迹及相对的偏心位置的变化。在给定实验工况下实验轴承通过200h以上的实验运行在线测量了上述参数，分析了不同含水量润滑油对滑动轴承寿命的影响。研究结果表明润滑油少量的含水量对滑动轴承的温度、轴心的运动轨迹及相对的偏心位置影响不大，但是含水润滑油会对滑动轴承使用寿命会造成一定的影响，更为准确的结果还需长期的实验验证。
关键词：流体润滑；滑动轴承；运动轨迹；性能实验
1 概述
对于大多数旋转机械，如透平机械，各种泵类和压缩机等，其滑动轴承的润滑油循环系统,由于密封和工质的问题，而不可避免地造成润滑油会含有一定量的水份。由于水的动力粘度通常仅为润滑油粘度的数十分之一，因此润滑油含有一定量的水份会对滑动轴承的性能产生一定的影响，另外润滑油含有一定量的水份对滑动轴承的使用寿命有什么影响？也是工程实际颇为关注的问题。
为了研究不同含水量对滑动轴承性能的影响，本文建立滑动轴承实验测量系统和滑动轴承实验台，通过实验的方法研究了滑动轴承使用不同含水量的润滑油对滑动轴承性能的影响。实验测量的工作转速从500r/min到2750r/mi，工作载荷为2212N，润滑油供油温度在40℃，润滑油的含水量分别为0％、1％、2％、3％。在上述给定的实验工况下每套实验轴承通过200h以上的实验运行，在线测量了滑动轴承内温度的变化，轴心的运动轨迹及相对的偏心位置的变化。分析了不同含水量润滑油对滑动轴承寿命的影响。
2 实验系统简介
关键词：流体润滑；滑动轴承；运动轨迹；性能实验
1 概述
对于大多数旋转机械，如透平机械，各种泵类和压缩机等，其滑动轴承的润滑油循环系统,由于密封和工质的问题，而不可避免地造成润滑油会含有一定量的水份。由于水的动力粘度通常仅为润滑油粘度的数十分之一，因此润滑油含有一定量的水份会对滑动轴承的性能产生一定的影响，另外润滑油含有一定量的水份对滑动轴承的使用寿命有什么影响？也是工程实际颇为关注的问题。
为了研究不同含水量对滑动轴承性能的影响，本文建立滑动轴承实验测量系统和滑动轴承实验台，通过实验的方法研究了滑动轴承使用不同含水量的润滑油对滑动轴承性能的影响。实验测量的工作转速从500r/min到2750r/mi，工作载荷为2212N，润滑油供油温度在40℃，润滑油的含水量分别为0％、1％、2％、3％。在上述给定的实验工况下每套实验轴承通过200h以上的实验运行，在线测量了滑动轴承内温度的变化，轴心的运动轨迹及相对的偏心位置的变化。分析了不同含水量润滑油对滑动轴承寿命的影响。
2 实验系统简介
实验系统的结构简图见图1，其中5为主轴，6下轴承座，9上轴承座，10上轴瓦，11下轴瓦，13联轴器。实验轴承为剖分式圆轴承（零件10，11），位于两个支撑轴承支持的转轴的中部，在外加载荷作用下可与转轴形成相对位移。转轴直径为30mm由Z－17.5型直流电机驱动，直流电动机采用JSC-601晶闸管实现无级调速。润滑油为满足GB11120-1989标准的L-TSA46抗氧防锈汽轮机油。静载荷采用杠杆系统通过钢丝绳对实验轴承进行柔性加载。载荷控制在2000N。采用LF-802A多功能智能转速计测量转轴的工作转速。
图1试验台结构示意图
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润滑油温度控制系统和润滑油循环系统见图3
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2 实验方法
（1）油液取样方法
取样的基本采样点确定在油箱下部的中间位置，位于回油入口点附近。油液的取样频率视试验本身而定，本文取样间隔为连续运转7×24h一次。每次取样200mL。
（2）信号采集系统
如图4所示，信号采集硬件上采用了凌华公司DAQ-2214数据采集卡，该卡为PCI 结构，具备数/模转换器（DAC）和模数转换器（ADC），可以同时实现模拟输入和模拟输出电压信号。与该采集卡一起采集数据的接线端子板为：DIN－68S/1M。软件方面所使用的平台为Labview开发的环境。Labview提供了简单易用的图形化开发环境，带有专门用于数据采集和仪器控制的库函数和开发工具，适用于测试和控制应用系统的开发。
（3）温度测量
油膜温度分布难以直接测量，本文采用的方法是在轴瓦上打孔，将温度传感器深入孔内。因为温度是慢变信号，油膜温度测量不追求采样频率，所以试验中把探头深入到距离轴瓦表面1.5mm附近，这样既不破坏油膜原有状态，又可以测得温度分布。由于轴瓦直径仅为30mm，而普通热电阻探头尺寸基本上大于2mm，无法满足需要，而热电偶探头尺寸可以做到1mm，占用空间小并且安装方便，因此选用镍铬－镍硅热电偶温度传感器。该传感器测得的电压信号为10-3数量级（单位：V），而采集卡的量程在－10V～＋10V，如果直接采集，难以保证有效位数，影响测量的精度，需配置合适的温度变送器。该实验选用了ACT温度变送器，该变送器具有冷端补偿，它的输出电压为1V～5V。
（1）油液取样方法
取样的基本采样点确定在油箱下部的中间位置，位于回油入口点附近。油液的取样频率视试验本身而定，本文取样间隔为连续运转7×24h一次。每次取样200mL。
（2）信号采集系统
如图4所示，信号采集硬件上采用了凌华公司DAQ-2214数据采集卡，该卡为PCI 结构，具备数/模转换器（DAC）和模数转换器（ADC），可以同时实现模拟输入和模拟输出电压信号。与该采集卡一起采集数据的接线端子板为：DIN－68S/1M。软件方面所使用的平台为Labview开发的环境。Labview提供了简单易用的图形化开发环境，带有专门用于数据采集和仪器控制的库函数和开发工具，适用于测试和控制应用系统的开发。
（3）温度测量
油膜温度分布难以直接测量，本文采用的方法是在轴瓦上打孔，将温度传感器深入孔内。因为温度是慢变信号，油膜温度测量不追求采样频率，所以试验中把探头深入到距离轴瓦表面1.5mm附近，这样既不破坏油膜原有状态，又可以测得温度分布。由于轴瓦直径仅为30mm，而普通热电阻探头尺寸基本上大于2mm，无法满足需要，而热电偶探头尺寸可以做到1mm，占用空间小并且安装方便，因此选用镍铬－镍硅热电偶温度传感器。该传感器测得的电压信号为10-3数量级（单位：V），而采集卡的量程在－10V～＋10V，如果直接采集，难以保证有效位数，影响测量的精度，需配置合适的温度变送器。该实验选用了ACT温度变送器，该变送器具有冷端补偿，它的输出电压为1V～5V。
（4）位移测量
测位移的传感器有接触式和非接触式，接触式的如光栅位移传感器，非接触式如电涡流位移传感器。电涡流位移传感器作为非接触式的传感器具有灵敏度高、频率范围宽、结构尺寸小和不受油污等介质的影响，安装方便等优点，广泛应用于工业生产和科学研究领域。实际测轴心轨迹时，使用两个相互垂直的位移传感器测出转轴相对于轴承座的位置变化。
（5）摩擦力矩测量
摩擦力矩测量时将扭矩薄壁套筒的一端与浮动的轴承端面联接，另一端固定在静止的底座上。当轴承由于轴颈的转动受到润滑油膜传递的摩擦力矩时会发生偏转，使薄壁套筒发生变形，从而使贴在套筒壁上的应变片阻值发生变化。进而测出摩擦力矩。
3 实验结果分析
测位移的传感器有接触式和非接触式，接触式的如光栅位移传感器，非接触式如电涡流位移传感器。电涡流位移传感器作为非接触式的传感器具有灵敏度高、频率范围宽、结构尺寸小和不受油污等介质的影响，安装方便等优点，广泛应用于工业生产和科学研究领域。实际测轴心轨迹时，使用两个相互垂直的位移传感器测出转轴相对于轴承座的位置变化。
（5）摩擦力矩测量
摩擦力矩测量时将扭矩薄壁套筒的一端与浮动的轴承端面联接，另一端固定在静止的底座上。当轴承由于轴颈的转动受到润滑油膜传递的摩擦力矩时会发生偏转，使薄壁套筒发生变形，从而使贴在套筒壁上的应变片阻值发生变化。进而测出摩擦力矩。
3 实验结果分析
图5 含水量在2%时不同转速下轴承温度分布
图5中绿色为转速为500r/min的工况，红色为转速为2750r/min工况下的温度分布，由图5可见，润滑油在进油孔处的温度Z低，随着轴颈顺时针的旋转，温度逐渐升高，到达Z小油膜厚度处，温度达到Z高，之后温度又逐渐下降。
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图6 2000r/min时不同含水量情况下轴承温度分布
图6为工作转速在2000r/min时不同含水量情况下轴承温度分布规律。由图6可见，含水量为3%时所测的Z高温度与进油温度之差为18.85℃，稍高于含水量为1%时的温度。
图7 2750r/min时不同含水量情况下轴承摩擦力随载荷的变化
图7为转速为2750r/min时摩擦力与载荷的关系图。由图7可见载荷在770N以下，摩擦力随载荷的变化比较缓慢；四条曲线比较接近，因此可以认为，在转速为2750r/min，载荷在770N以下时，含水量在1%～3%变化时对摩擦力的影响不大。载荷较大时，如1925N，润滑油含少量的水会使摩擦力增大。相同含水量，不同转速下的轴心轨迹见图8。
图8 含水量为1%时不同工作转速情况下轴心轨迹图
从图8可见在含水量为1%时随着转速的降低，轴心向左下方偏移（轴颈的转向为顺时针），从而使Z小油膜厚度随之变薄。
图9 为转速相同，而含水量不同时的轴心轨迹图。
图9中的“2-2750”表示，含水量为2%、转速为2750r/min，同理“3-500”表示含水量为3%、转速为500r/min。图9中粉色与蓝色两条个曲线为含水量为3%的轴心轨迹，其相对于含水量为2%的两个曲线（黄色与黑色曲线），其Z小油膜厚度要大。
4 结论
用试验的方法研究了滑动轴承使用不同含水量的润滑油对滑动轴承性能的影响。研究结果表明，润滑油少量的含水量对滑动轴承的温度、轴心运动轨迹及相对偏心位置影响不大，从较大载荷情况下滑动轴承的摩擦力变化可见，由于润滑油含水造成摩擦力增大，所以含水润滑油会对滑动轴承使用寿命会造成一定的影响，更为准确的结果还需长期的实验验证。
图9中的“2-2750”表示，含水量为2%、转速为2750r/min，同理“3-500”表示含水量为3%、转速为500r/min。图9中粉色与蓝色两条个曲线为含水量为3%的轴心轨迹，其相对于含水量为2%的两个曲线（黄色与黑色曲线），其Z小油膜厚度要大。
4 结论
用试验的方法研究了滑动轴承使用不同含水量的润滑油对滑动轴承性能的影响。研究结果表明，润滑油少量的含水量对滑动轴承的温度、轴心运动轨迹及相对偏心位置影响不大，从较大载荷情况下滑动轴承的摩擦力变化可见，由于润滑油含水造成摩擦力增大，所以含水润滑油会对滑动轴承使用寿命会造成一定的影响，更为准确的结果还需长期的实验验证。
