综合性能评价，灰铁与铝合金轴颈轴承在咬合载荷的实验比较如何？

文/扶苏秘史

编辑/扶苏秘史

在旋转式压缩机中，径向轴承作为关键部件，扮演着至关重要的角色，其摩擦性能直接影响着压缩机的运行效能和使用寿命。

随着高效、高可靠性、低噪音、低成本、紧凑结构的压缩机不断发展，对于具备更大承载能力、更大允许不对中角度、更低摩擦系数的径向轴承的需求日益增加。

径向轴承的润滑和承载性能受到多个因素的影响，包括结构参数、转速、润滑剂、轴承和轴材料、轴承和轴表面粗糙度、轴颈不对中等。

在这个领域的研究中，灰铁和铝合金由于其成本低、性能优越的特点，已成为压缩机中最为广泛使用的衬套材料。

锻钢的性能受表面整体粗糙度的影响，而铸铁的摩擦特性则主要与其微观组织和带毛刺的金属瓣的存在有关。

然而，现有研究大多采用销盘试验台进行，未考虑不对中现象的影响，虽然结果通常呈现出材料的摩擦系数和磨损率（深度），但却不能全面说明径向轴承与材料之间的极限承载能力。

此外，轴和轴承表面的粗糙度值会影响油膜厚度分布，从而进一步影响润滑性能。许多研究学者已经着眼于探究表面粗糙度对轴承性能的影响。

在旋转式压缩机中，了解这些参数如何影响轴承的承载能力，不仅可以为其设计提供指导，还能够优化其性能和延长使用寿命。

01

实验系统

在径向轴承试验台中，主轴由三个滚动轴承支撑，并通过变频电机通过皮带传动来提供动力，这个试验台被设计用来进行咬合试验，其中轴的转速被设定为每分钟1200转。

测试所用的轴承被安装在一个带有两个端盖的套筒中，而两个滚珠轴承则被安装在套筒外部，以便通过力传感器2来测量摩擦扭矩。

整个试验装置由前导杆进行拉动，而通过应用杠杆原理，通过旋转手轮施加负载，并通过力传感器1来测量。

为了调整测试轴承的不对中角，采用了千分尺头和滚珠滚轮。而测试所用的轴承则通过油浸润的方式进行润滑。油润滑是由蠕动泵提供的，这种泵能够精确地控制流量。

对于灰铁轴承，油的流量保持在每分钟50毫升，而其他轴承的油流量则保持在每分钟25毫升，通过使用水浴，油的温度被稳定地控制在35±1°C，从而保持了油的粘度约为0.01Pa.s。

在径向轴承试验台中，通过四个传感器的排列来进行测试，这些传感器被安装在两个端盖上，在施加载荷于测试轴承而端盖上没有载荷的情况下，盖上的传感器会随着载荷的增加而跟随测试轴承移动。

因此，传感器与测试轴承轴之间的距离被认为是恒定的，传感器a和c测量了测试轴承相对于径颈表面的垂直位移，而传感器b和d测量了测试轴承相对于轴颈表面的水平位移。

此外，在变形和磨损情况下，倾斜角度和轴颈中心位置的测量中红线表示轴的轴线，而蓝线则表示轴承轴。

轴相对于轴承轴有底部位置和顶部位置，底部（顶部）位置与轴承轴之间的距离被称为径向游隙，传感器A的测量值（Ai，i=1，2...）对应于不同条件下的测量结果。

黑色圆圈（在第一个角度投影中）代表了间隙圆圈，而红色十字和蓝色十字分别指示了平面内的轴颈中心和轴承中心，通过记录这四个传感器的测量值，可以计算出轴与轴承之间的相对位移。

在咬合测试中，轴和轴承接触时的情况可以用于校准轴颈中心位置，测量值a0、b0、c0和d0被视为标准值。

在这种情况下，轴轴位于间隙圆的右下角。轴颈中心的x坐标x0可以通过轴承表面上的划痕进行近似确定，在大多数情况下，卡死发生在这种条件下，轴承磨损非常小。

轴颈中心的y坐标y0可以由x0^2 + y0^2 = c^2计算，其中c是径向游隙，在其他情况下，不会发生卡死或当轴承严重磨损时发生，在轴承和轴接触后，x坐标值会随着载荷的增加而增加，从而可以确定y0。

对于轴颈中心位置的分析，通过传感器a和c（或传感器b和d）的平均测量值来减少实验误差。

02

倾斜角度和轴颈中心位置的测量

在实验中，一个重要的问题是随着载荷增加，轴会发生变形。轴的变形随着载荷的增加而增加。这会影响传感器的测量，即轴承润滑性能测试中的测量，包括两个方面：一是轴颈中心位置的变化，另一个是轴的变形。

为了评估轴变形对测量的影响，使用ANSYS静态结构分析计算了在不同载荷下轴和轴承的变形，轴的材料为40Cr钢，E = 200 GPa，ν = 0.3，而轴承材料为灰铁，E = 110 GPa，ν = 0.28，变形结果显示最大等效应力小于材料的屈服应力，因此变形是弹性的。

当传感器随着轴承的移动而移动时，由于轴的变形，传感器a和c的测量值会随着载荷的增加而增加。当载荷为5000 N时，传感器a和c的平均测量值增加了约7.5μm，传感器b和d的测量值也会随载荷变化，因为测量点位置发生了变化。

然而，由于支撑轴的两个滚动轴承内部的游隙和安装间隙，实际变形值与计算值不同，为了消除变形的影响，需要在咬合测试后进行静态校准测试，记录传感器a（b，c，d）在与ai（bi，ci，di）相同载荷下的轴变形的测量变化，这些变化可以用Δai（Δbi，Δci，Δdi）来表示，其反映了轴变形引起的测量变化。

03

实验方案及试样

径向轴承在其结构中由轴承套和衬套构成，其中轴承套选用了45钢作为材料，对于衬套部分，衬套A采用了250级灰口铁制成，而轴套B和C则采用了两种硬度不同的铝合金。

特别地，灰铁衬套是通过铸造工艺得以制成的，为了增强径向轴承在未对中条件下的承载能力，在其中一个轴承端部设计了一个环槽。

该环槽的存在有助于减轻咬合载荷，使轴承性能更加稳定，此轴承的厚度从末端逐渐减少，从7毫米减少到3.5毫米，同时环槽的深度达到了3毫米。

这种径向轴承的直径大约为φ22.048毫米，其衬套A的表面粗糙度在Ra 0.31–0.36 μm之间波动，该值是在环周的六个点上，沿着轴向测量得出的，然而由于材料特性和磨削工艺的不同，铝合金轴承的表面粗糙度明显高于灰铁衬套。

在实验中，采用了两个C型轴承，这是因为C型轴承的实验中发现，由于轴套C的硬度较低，其耐磨性较差，摩擦力随载荷增加而增加。

尽管没有发生咬合失效，但轴承C1在初始实验中磨损严重。随后，将轴承C2用于其他实验，以避免进一步的磨损，这种选择是为了确保摩擦力不会减小，反而会随着载荷增加而增加，从而作为咬合载荷的判定标准。

对于轴套A和B而言，咬合失效很容易确定，因此衬套的磨损可以被忽略不计，实验结束后，其内径变化也不大，轴承A和B被反复用于不同轴的咬合测试。

04

结果和讨论

不同的轴承和条件对于径向轴承的咬合载荷产生了显著影响，在考察对准和未对准的情况下，以及涂有DLC涂层的轴（轴c）时，可以得出一些有价值的结论。

对于轴a和轴b，无论是在对准还是未对准的情况下，三种不同的轴承表现出了不同的咬合载荷。

具体而言，从高到低的顺序为A（灰铁） > C（铝合金2） > B（铝合金1），这表明在这些条件下，250级灰铁衬套（A）的咬合载荷最高，而硬度较大的铝合金1（B）则展现出最低的咬合载荷，这种趋势表明40Cr钢和铝合金1的摩擦系数较大，因此它们不是理想的摩擦副。

对于涂有DLC涂层的轴c，情况有所不同。在这种情况下，不同的轴承材料的咬合载荷按降序排列为C（铝合金2） > A（灰铁） > B（铝合金1）。

这说明当轴表面涂有DLC涂层时，较低硬度的铝合金和250级灰铁的咬合载荷较高，而较高硬度的铝合金1仍然展现出较低的咬合载荷。

值得注意的是，DLC涂层的高硬度和低摩擦系数使得带有轴c的轴承A、B和C2的咬合载荷显著增加，甚至在对准条件下，这些轴承的咬合载荷都超过了试验台设计的最大载荷限制（4900 N），这也引起了最大倾斜角度的增加。

DLC涂层能够改善这些轴承在对准和未对准的条件下的咬合载荷，以及在一定负载下的最大倾斜角度。

不同轴承材料的表面粗糙度对咬合载荷产生了显著影响，通常情况下，较小的表面粗糙度与较大的咬合载荷相关。

在实验中，灰铸铁衬套通过精密镗削加工获得了较小的表面粗糙度，而其他材料由于加工余量较小，采用内圆磨削，从而表面粗糙度较大，实验结果综合受到轴承材料和表面粗糙度的影响。

此外，在轴a和轴b的比较中，可以观察到轴颈表面粗糙度的影响，几乎所有带轴b的轴承（其表面粗糙度在Ra 0.31–0.35之间）的咬合载荷都小于带轴a的轴承（其表面粗糙度在Ra 0.09–0.12之间）。这表明，表面粗糙度越大，扣押负荷越小。

在不同倾斜角度（β）下的比较中，也得出了类似的结论，即轴颈表面粗糙度对轴承的咬合载荷产生显著负面影响，特别是在对准条件下。

最后，值得注意的是，虽然轴a的直径比轴b的直径小了3μm，导致带轴a的轴承的间隙比带轴b的轴承大了1.5μm，但所有带轴a的轴承的抓紧载荷仍然大于带轴b的轴承，这表明轴颈表面粗糙度对负荷的影响大于径向间隙的变化。

由于径向间隙变化较小，该结论的适用性在一定程度上受到限制，过去的研究已经深入探讨了径向间隙对对准和未对准条件下的负荷影响，这进一步证明了径向间隙的变化对于扣押负荷的影响是显著的。

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