滑動(dòng)軸承溫升性能檢測(cè)技術(shù)研究與實(shí)踐

引言

滑動(dòng)軸承作為機(jī)械系統(tǒng)中關(guān)鍵的支撐部件，廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、機(jī)床主軸、內(nèi)燃機(jī)等高端裝備中。其通過(guò)面接觸實(shí)現(xiàn)載荷傳遞，具有承載能力強(qiáng)、振動(dòng)小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但摩擦發(fā)熱導(dǎo)致的溫升問(wèn)題始終是影響其工作可靠性和壽命的核心因素。溫度過(guò)高會(huì)破壞潤(rùn)滑介質(zhì)的理化特性（如油膜粘度下降、氧化失效），加速軸承材料的熱軟化甚至熱變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)“抱軸”“燒瓦”等惡性故障。因此，準(zhǔn)確檢測(cè)滑動(dòng)軸承的溫升性能，是評(píng)估其設(shè)計(jì)合理性、潤(rùn)滑有效性及運(yùn)行安全性的重要手段，對(duì)保障機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

一、滑動(dòng)軸承溫升性能檢測(cè)的基本原理

滑動(dòng)軸承的溫升本質(zhì)是摩擦熱生成與散熱平衡的結(jié)果。理解其發(fā)熱與散熱機(jī)制，是開(kāi)展溫升檢測(cè)的理論基礎(chǔ)。

1. 發(fā)熱來(lái)源

滑動(dòng)軸承的摩擦熱主要來(lái)自摩擦副間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，具體包括：

• 邊界摩擦熱：當(dāng)潤(rùn)滑不良（如啟動(dòng)、重載）時(shí)，摩擦副表面微觀凸起直接接觸，產(chǎn)生大量熱量；
• 液體摩擦熱：當(dāng)形成完整油膜時(shí)，油液內(nèi)部剪切變形（如牛頓流體的粘性摩擦）產(chǎn)生熱量；
• 附加摩擦熱：如潤(rùn)滑系統(tǒng)的攪拌損失（油浴潤(rùn)滑時(shí)軸承旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)油液）、密封件摩擦等。

摩擦熱功率 $Q$Q（單位：W）可通過(guò)公式估算：
$Q = \mu F v$Q=μFv
其中，$\mu$μ 為摩擦系數(shù)（與潤(rùn)滑狀態(tài)相關(guān)，邊界摩擦?xí)r $\mu = 0.1 \sim 0.3$μ=0.1∼0.3，液體摩擦?xí)r $\mu = 0.001 \sim 0.01$μ=0.001∼0.01）；$F$F 為軸承徑向載荷（單位：N）；$v$v 為軸頸圓周速度（單位：m/s）。

2. 散熱途徑

摩擦熱通過(guò)以下方式散發(fā)至環(huán)境：

• 熱傳導(dǎo)：通過(guò)軸承座、軸頸等金屬部件傳遞至基礎(chǔ)；
• 對(duì)流散熱：軸承表面與周圍空氣（或冷卻介質(zhì)）的對(duì)流交換，遵循牛頓冷卻定律：
  $Q_c = h A (T_w - T_0)$Qc?=hA(Tw?−T0?)
  其中，$h$h 為對(duì)流換熱系數(shù)（單位：W/(m²·℃)，與介質(zhì)流速、表面狀態(tài)有關(guān)）；$A$A 為散熱面積（單位：m²）；$T_w$Tw? 為軸承表面溫度（單位：℃）；$T_0$T0? 為環(huán)境溫度（單位：℃）；
• 輻射散熱：高溫軸承表面向周圍輻射熱量，通常占總散熱量的5%以下，可忽略不計(jì)。

3. 熱平衡與穩(wěn)定溫升

當(dāng)軸承運(yùn)行達(dá)到熱平衡時(shí)，摩擦熱生成速率等于散熱速率，此時(shí)軸承溫度不再隨時(shí)間變化，稱為穩(wěn)定溫升（$\Delta T = T_w - T_0$ΔT=Tw?−T0?）。
通過(guò)聯(lián)立發(fā)熱與散熱方程，可得穩(wěn)定溫升表達(dá)式：
$\Delta T = \frac{\mu F v}{h A}$ΔT=hAμFv?
該式表明，穩(wěn)定溫升與摩擦系數(shù)、載荷、轉(zhuǎn)速成正比，與散熱能力（$h A$hA）成反比。

二、溫升性能檢測(cè)的設(shè)備與系統(tǒng)

滑動(dòng)軸承溫升檢測(cè)需構(gòu)建模擬實(shí)際工況的試驗(yàn)平臺(tái)，并配備溫度、載荷、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測(cè)量與采集系統(tǒng)。

1. 試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)臺(tái)架的核心功能是模擬軸承的實(shí)際運(yùn)行條件（如載荷、轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑方式），常見(jiàn)類型包括：

• 主軸試驗(yàn)臺(tái)：以電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸頸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)液壓或機(jī)械裝置施加徑向/軸向載荷，適用于各類滑動(dòng)軸承（如徑向軸承、止推軸承）；
• 模擬機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)：如汽輪機(jī)軸承模擬試驗(yàn)臺(tái)，可模擬蒸汽輪機(jī)的高轉(zhuǎn)速（10000 rpm以上）、大載荷（1000 kN以上）工況；
• 簡(jiǎn)易試驗(yàn)臺(tái)：由電機(jī)、皮帶輪、加載裝置組成，適用于小型軸承的初步檢測(cè)。

試驗(yàn)臺(tái)需滿足以下要求：

• 軸頸轉(zhuǎn)速可調(diào)（0~20000 rpm），載荷施加精度高（誤差≤1%）；
• 軸承座具有良好的散熱條件（如自然冷卻或強(qiáng)制冷卻），避免試驗(yàn)臺(tái)自身發(fā)熱影響檢測(cè)結(jié)果；
• 安裝定位精度高（軸頸與軸承孔的同軸度≤0.01 mm），減少附加摩擦。

2. 溫度測(cè)量設(shè)備

溫度是溫升檢測(cè)的核心參數(shù)，需選擇響應(yīng)速度快、精度高的測(cè)量工具：

• 熱電偶：分為K型（鎳鉻-鎳硅，測(cè)量范圍-200~1300℃）、E型（鎳鉻-銅鎳，-200~900℃）等，適用于軸承瓦面、油膜溫度的接觸式測(cè)量；
• 熱電阻：如Pt100（鉑電阻，-200~850℃），精度高于熱電偶（誤差≤0.1℃），但響應(yīng)速度較慢；
• 紅外測(cè)溫儀：非接觸式測(cè)量，適用于軸承座表面溫度監(jiān)測(cè)，但易受環(huán)境輻射干擾；
• 光纖測(cè)溫：抗電磁干擾，適用于高轉(zhuǎn)速、強(qiáng)電磁環(huán)境（如電機(jī)軸承），但成本較高。

安裝注意事項(xiàng)：熱電偶需直接粘貼或焊接在軸承瓦面（距軸頸表面0.5~1 mm處），避免與金屬部件短路；熱電阻需嵌入軸承座預(yù)留孔內(nèi)，保證良好熱接觸。

3. 載荷與轉(zhuǎn)速測(cè)量

• 載荷測(cè)量：采用壓力傳感器（液壓加載時(shí)）或扭矩傳感器（機(jī)械加載時(shí)），測(cè)量精度≤1%；
• 轉(zhuǎn)速測(cè)量：采用光電編碼器（精度≤0.1 rpm）或磁電轉(zhuǎn)速傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸頸轉(zhuǎn)速；
• 潤(rùn)滑介質(zhì)監(jiān)測(cè)：通過(guò)油液溫度傳感器測(cè)量潤(rùn)滑油油溫，評(píng)估潤(rùn)滑狀態(tài)（如油溫過(guò)高會(huì)降低粘度，影響油膜形成）。

4. 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)

采用數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）或工業(yè)計(jì)算機(jī)，將溫度、載荷、轉(zhuǎn)速等信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)軟件（如LabVIEW、MATLAB）實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和分析。系統(tǒng)需滿足：

• 采樣頻率≥10 Hz（溫度變化較慢，可適當(dāng)降低）；
• 信號(hào)分辨率≥12位（保證溫度測(cè)量精度）；
• 具備報(bào)警功能（如溫度超過(guò)閾值時(shí)自動(dòng)停機(jī)）。

三、溫升性能檢測(cè)的試驗(yàn)方法

溫升檢測(cè)需嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)流程，確保試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和可比性。以下為通用試驗(yàn)步驟：

1. 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

• 軸承與試驗(yàn)件檢查：軸承外觀無(wú)裂紋、劃傷，軸頸表面粗糙度≤Ra0.8 μm；
• 潤(rùn)滑介質(zhì)選擇：根據(jù)軸承設(shè)計(jì)要求，選擇合適粘度的潤(rùn)滑油（如ISO VG32、VG68），并測(cè)量初始油溫（需與環(huán)境溫度一致，誤差≤2℃）；
• 設(shè)備調(diào)試：試驗(yàn)臺(tái)空轉(zhuǎn)30分鐘，檢查轉(zhuǎn)速、載荷控制是否正常，溫度傳感器零點(diǎn)校準(zhǔn)；
• 參數(shù)設(shè)定：確定試驗(yàn)轉(zhuǎn)速（如n=500、1000、1500 rpm）、載荷（如F=20、40、60 kN）、潤(rùn)滑方式（如油浴潤(rùn)滑，油位至軸頸中心線下10 mm）。

2. 試驗(yàn)運(yùn)行

• 逐步加載：先啟動(dòng)電機(jī)，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，逐步施加載荷（每級(jí)載荷保持5分鐘），避免沖擊載荷；
• 溫度監(jiān)測(cè)：從加載開(kāi)始，每隔1分鐘記錄一次軸承瓦面溫度、油溫、環(huán)境溫度；
• 穩(wěn)定判斷：當(dāng)連續(xù)10分鐘溫度變化≤1℃時(shí)，判定達(dá)到熱平衡，記錄穩(wěn)定溫升；
• 變量調(diào)整：改變轉(zhuǎn)速或載荷，重復(fù)上述步驟，獲取不同工況下的溫升數(shù)據(jù)。

3. 試驗(yàn)后處理

• 停機(jī)與檢查：試驗(yàn)結(jié)束后，逐步卸載、降低轉(zhuǎn)速，待軸承冷卻至環(huán)境溫度后，檢查軸承表面有無(wú)燒蝕、磨損；
• 數(shù)據(jù)整理：繪制“溫度-時(shí)間”曲線（如圖1所示），提取穩(wěn)定溫升；
• 結(jié)果對(duì)比：將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)要求或標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 18325-2001《滑動(dòng)軸承 徑向滑動(dòng)軸承 溫升試驗(yàn)方法》）對(duì)比，評(píng)估溫升是否合格。

圖1 滑動(dòng)軸承溫升-時(shí)間曲線示例
（注：曲線分為三個(gè)階段：① 快速上升段（摩擦熱生成大于散熱）；② 緩慢上升段（散熱能力逐漸增強(qiáng)）；③ 穩(wěn)定段（熱平衡，溫度不變））

4. 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

• 環(huán)境控制：試驗(yàn)環(huán)境溫度保持在20~25℃，濕度≤60%，避免通風(fēng)過(guò)大影響散熱；
• 潤(rùn)滑維護(hù)：油浴潤(rùn)滑時(shí)，需定期補(bǔ)充潤(rùn)滑油（每小時(shí)檢查一次油位），避免油液泄漏；
• 重復(fù)試驗(yàn)：同一工況需重復(fù)試驗(yàn)3次，取平均值作為最終結(jié)果（重復(fù)性誤差≤5%）；
• 安全防護(hù)：高溫試驗(yàn)時(shí)，需佩戴隔熱手套，避免接觸軸承座；試驗(yàn)臺(tái)周圍設(shè)置防護(hù)欄，防止高速旋轉(zhuǎn)部件傷人。

四、溫升性能的影響因素分析

滑動(dòng)軸承溫升受多種因素綜合影響，以下為主要因素及應(yīng)對(duì)措施：

1. 載荷與轉(zhuǎn)速

• 載荷：載荷增大，摩擦熱生成量增加，溫升呈線性增長(zhǎng)（如圖2所示）；
• 轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速升高，軸頸圓周速度增大，摩擦熱生成量增加，同時(shí)油膜剪切熱也會(huì)增加，溫升隨轉(zhuǎn)速平方增長(zhǎng)（如圖3所示）。

應(yīng)對(duì)措施：設(shè)計(jì)時(shí)需合理匹配載荷與轉(zhuǎn)速，避免過(guò)載或超速運(yùn)行。

2. 潤(rùn)滑狀態(tài)

• 油膜厚度：油膜厚度越大（如液體摩擦狀態(tài)），摩擦系數(shù)越小，溫升越低；若油膜厚度不足（如邊界摩擦），摩擦系數(shù)增大，溫升急劇升高；
• 潤(rùn)滑油粘度：粘度越高，油膜厚度越大，但油液剪切熱也越大，需選擇合適粘度（如根據(jù)ISO 3448標(biāo)準(zhǔn)，按工作溫度選擇粘度等級(jí)）；
• 潤(rùn)滑方式：強(qiáng)制潤(rùn)滑（如壓力供油）比油浴潤(rùn)滑散熱效果好，溫升可降低10~20℃。

應(yīng)對(duì)措施：定期檢查潤(rùn)滑系統(tǒng)，確保油液清潔（顆粒度≤NAS 1638-7級(jí)），避免油液老化。

3. 軸承材料與結(jié)構(gòu)

• 材料導(dǎo)熱系數(shù)：銅合金（如錫青銅、鋁青銅）導(dǎo)熱系數(shù)（200~400 W/(m·℃)）遠(yuǎn)高于鑄鐵（40~60 W/(m·℃)），溫升更低；
• 軸承結(jié)構(gòu)：軸承座增設(shè)散熱片（增大散熱面積）、采用剖分式結(jié)構(gòu)（便于安裝與散熱），可有效降低溫升；
• 間隙設(shè)計(jì)：軸承與軸頸的徑向間隙（通常為軸頸直徑的0.01~0.02倍）過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致油膜壓力升高，摩擦熱增加；間隙過(guò)大，會(huì)引起振動(dòng)，增加附加摩擦。

應(yīng)對(duì)措施：根據(jù)工況選擇導(dǎo)熱系數(shù)高的材料（如鋁青銅），優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)（如增加散熱片）。

4. 冷卻條件

• 自然冷卻：依賴空氣對(duì)流散熱，適用于小型軸承（載荷≤10 kN，轉(zhuǎn)速≤1000 rpm）；
• 強(qiáng)制冷卻：采用風(fēng)扇、冷卻水套或油冷卻器，增強(qiáng)散熱能力，適用于大型軸承（載荷≥100 kN，轉(zhuǎn)速≥3000 rpm）。

應(yīng)對(duì)措施：高負(fù)荷工況需采用強(qiáng)制冷卻，確保散熱能力滿足要求。

五、溫升數(shù)據(jù)的處理與評(píng)估

溫升檢測(cè)的核心是通過(guò)數(shù)據(jù)判斷軸承是否滿足設(shè)計(jì)要求，需遵循以下步驟：

1. 數(shù)據(jù)處理

• 繪制曲線：以時(shí)間為橫坐標(biāo)，溫度（軸承瓦面溫度、油溫）為縱坐標(biāo)，繪制溫升曲線（如圖1所示）；
• 提取穩(wěn)定溫升：從曲線中找到穩(wěn)定段（溫度變化≤1℃/10 min），計(jì)算穩(wěn)定溫升（$\Delta T = T_w - T_0$ΔT=Tw?−T0?）；
• 統(tǒng)計(jì)重復(fù)性：同一工況重復(fù)試驗(yàn)3次，計(jì)算穩(wěn)定溫升的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差（標(biāo)準(zhǔn)差≤5%）。

2. 性能評(píng)估

• 參考標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)軸承應(yīng)用領(lǐng)域，選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 18325-2001《滑動(dòng)軸承 徑向滑動(dòng)軸承 溫升試驗(yàn)方法》、ISO 7905-1:2017《滑動(dòng)軸承 徑向軸承 第1部分：詞匯和符號(hào)》）；
• 合格判定：
  • 穩(wěn)定溫升≤設(shè)計(jì)要求（如汽輪機(jī)軸承設(shè)計(jì)溫升≤40℃，機(jī)床軸承≤50℃）；
  • 溫升速率≤5℃/10 min（避免溫度急劇上升，導(dǎo)致潤(rùn)滑失效）；
  • 軸承瓦面溫度≤材料允許溫度（如錫青銅≤150℃，鋁青銅≤200℃）。

3. 異常分析

若溫升超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，需分析原因并采取措施：

• 溫升過(guò)高：檢查潤(rùn)滑系統(tǒng)（是否缺油、油粘度是否合適）、載荷（是否過(guò)載）、冷卻系統(tǒng)（是否堵塞）；
• 溫升波動(dòng)：檢查試驗(yàn)臺(tái)是否振動(dòng)（同軸度誤差大）、溫度傳感器是否松動(dòng)；
• 穩(wěn)定溫升未達(dá)到：可能是散熱能力不足（如軸承座散熱面積?。?，需增加冷卻措施。

六、結(jié)論與展望

滑動(dòng)軸承溫升性能檢測(cè)是保障機(jī)械系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其核心是模擬實(shí)際工況、準(zhǔn)確測(cè)量溫度、科學(xué)分析數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)發(fā)熱與散熱機(jī)制的理解、合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)遵循，可有效評(píng)估軸承的溫升性能，為軸承設(shè)計(jì)優(yōu)化、故障診斷提供依據(jù)。

隨著工業(yè)裝備向高轉(zhuǎn)速、大載荷、智能化方向發(fā)展，滑動(dòng)軸承溫升檢測(cè)技術(shù)也在不斷進(jìn)步：

• 非接觸測(cè)溫：采用紅外熱成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軸承表面溫度的全場(chǎng)監(jiān)測(cè)；
• 智能診斷：結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），通過(guò)溫升數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)軸承剩余壽命；
• 數(shù)字孿生：建立軸承溫升的虛擬模型，實(shí)時(shí)模擬實(shí)際運(yùn)行中的溫度變化，提前預(yù)警故障。

未來(lái)，溫升檢測(cè)技術(shù)將更加精準(zhǔn)、智能、高效，為高端裝備的安全運(yùn)行提供更有力的保障。

參考文獻(xiàn)

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（注：文中圖表需根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制，此處僅為示例說(shuō)明。）