[科普中国]-高速滚动轴承

高速滚动轴承是指发动机主轴轴承的轴承内径（毫米）X转速（转/分）值（d.n值）越来越大，一般认为值超过0.6 X 106mm﹒r/min的轴承为高速滚动轴承。现代航空发动机主轴轴承d.n值已达到3X106mm﹒r/min以上，由于滚动体打滑、疲劳、磨损等引起的滚动轴承失效经常发生，滚动轴承一旦失效会导致系统精度降低，振动急剧加大，磨损，甚至抱轴和断轴。

简介高速滚动轴承是指发动机主轴轴承的轴承内径（毫米）X转速（转/分）值（d.n值）越来越大，一般认为值超过0.6 X 106mm﹒r/min的轴承为高速滚动轴承。现代航空发动机主轴轴承d.n值已达到3X106mm﹒r/min以上，由于滚动体打滑、疲劳、磨损等引起的滚动轴承失效经常发生，滚动轴承一旦失效会导致系统精度降低，振动急剧加大，磨损，甚至抱轴和断轴1。

背景介绍滚动轴承是高端机械装备的核心零件，其对主机的使用性能、使用寿命等性能指标具有较大的影响。高速滚动轴承如典型的航空发动机主轴轴承，其转速极高而外载荷很小，极易产生打滑现象。打滑是引起轴承失效和故障最常见的原因之一，打滑并且对滚动轴承其他的损伤失效形式也有不同程度的影响。打滑及其损伤失效问题是一个耦合摩擦学、动力学、材料学、热力学等多学科多领域知识的复杂问题，在高速滚动轴承中打滑失效时将严重影响整机使用性能。由于内部接触关系、运动关系以及润滑问题的复杂性，高速滚动轴承的打滑机理及打滑情况下轴承的失效机理等问题一直未得到很好的解决。高速滚动轴承打滑失效现象起源于打滑，而其失效现象属于一种综合失效模式，其中含有擦伤失效、热失效等多种失效形式2。

高速滚动轴承打滑机理研究现状（1）国外高速滚动轴承打滑动力学、摩擦学研究进展自从19 世纪60 年代开始，研究者便针对高速滚动轴承运动学、动力学及摩擦学进行了相关研究，为轴承打滑分析创造了条件。

（2）国内高速滚动轴承打滑动力学、摩擦学研究进展在国内，研究人员采用弹性流体动力润滑分析方法研究获得了高速滚动轴承中滚子与内、外套圈接触区的油膜动压力、润滑油牵引力及油膜厚度数值，并分析了载荷、转速和滚子数等工况参数对滚动轴承打滑的影响机理。学者还对影响高速滚动轴承打滑的因素进行了分析，并开发了相应的软件系统以支持高速滚动轴承的打滑分析。也有学者针对加速工况下滚动轴承的打滑情况进行了系统研究。

综上所述，以往研究大多集中于通过构建拟动力学模型进行高速滚动轴承的打滑分析上，在高速重载（中载）情况下分析结果较为可靠，但针对高速轻载工况难以取得理想的结果。

高速滚动轴承热失效问题研究现状打滑将会加剧轴承接触区域热量的急剧增加,严重时将会引起内外圈膨胀促使轴承游隙减小而导致轴承失效，因此针对高速滚动轴承进行热分析具有重要的研究意义3。

滚动轴承温升的机理及影响轴承系统温度变化关键取决于系统内部滚动轴承摩擦的自身发热和系统的散热能力。

1.摩擦生热及其影响

轴承由于摩擦而引起的自身发热主要来自: 滚动体与内外滚道之间的滚动和滑动摩擦、保持架与套圈引导面之间的滑动摩擦、滚动体与保持架兜孔之间的滑动摩擦、滚子端面与挡边之间的滑动摩擦、润滑剂黏性摩擦等。据航空发动机主轴) 轴承系统现场使用的数据和轴承失效的统计分析可以发现: 由于轴承材料的不断改进，疲劳剥落仅占总故障数的2.39%，已不是滚动轴承失效的主要问题，而打滑蹭伤和摩擦磨损则占总故障数的53.89%。打滑和摩擦直接导致轴承的生热加剧，如果不能得到有效地润滑和冷却，势必造成轴承因内部工作温度过高而失效，如套圈滚道和滚动体回火或烧伤、保持架引导面灼蚀等。

2.热量的散发对轴承温升的影响

轴承系统内部除了存在自身发热外，还与系统外部存在相互的热传递过程。如果轴承内产生的热量不能及时有效地散发，随着热量在轴承内的不断积聚，则会导致轴承温度异常升高，润滑油黏度下降，滚动体与内外圈滚道间油膜厚度减小，最终使轴承因滚动体回火或滚道表面剥落而报废，并且温度过高还会导致轴承胶合和咬死，其后果十分严重。

3.滚动轴承的热传递过程

实际工程中的传热过程往往是很复杂的。轴承产生的功率损失最终以热传导、对流换热及热辐射的方式散发掉。一般情况下，轴承系统内部零部件间的温度差别并不大，热辐射很小，可以忽略; 热传导相对而言也较容易计算。而轴承系统内零部件表面与润滑油、空气或油气混合物等流体之间的对流换热是必须要考虑的重要换热形式，而且换热系数也是最难确定的。这种对流换热系数之所以难以确定，一方面是因为轴承内部结构比较复杂，不同于传热学教程中的平板、圆筒、管状物等简单物理模型，当轴承高速运转时，其内部流体的流速或雷诺数很难准确估算，因此很难将传热学教程中所给出的对流换热系数公式直接套用在轴承内对流换热的计算上。另一方面，国内外关于轴承热分析的对流换热系数实验数据比较少。因此，对于一个复杂的传热过程要完全精确地描述并作定量计算是不可能的。目前，在轴承热分析中通常是构想一个简化模型，采用一些近似的对流换热系数公式或数值并借助于近似的计算方法来进行对流换热的估算，从而解决轴承热分析中的问题。

滚动轴承温度场分析展望我国对滚动轴承温度场研究起步较晚，基础理论与试验研究相对较薄弱，国内又缺少先进的工业基础和优势技术作为支撑。例如，轴承系统内部流体介质与换热表面间的对流换热系数较难确定以及内部各个零件或部位的温度较难用试验测定，以至于缺少具体有效的试验数据与理论分析数据做对比验证，因此，阻碍了轴承温度场理论研究的发展。另外，随着航空主轴) 轴承工作转速的不断提高，轴承内的摩擦损耗也在不断增加，因此，对润滑油润滑冷却的性能和方式也提出了更高的要求。工程中希望使用最小的润滑油油量达到既保证轴承正常工作又使得轴承温升最小的效果。目前常用的润滑方式有: 喷射润滑、环下润滑和油雾润滑。与喷射润滑相比，环下润滑冷却效果较好，其用油量少，减小了轴承的搅油功耗损失，并且润滑油很容易将轴承内部的磨屑带出轴承。油雾润滑方法与液态油相比，搅油功耗较小，但是环境污染严重，润滑油消耗量也大，因此也并不理想。

针对滚动轴承温度场分析这一研究领域，在今后相当长一段时期内，应该以理论与试验基础研究为重点，用试验结果验证理论分析方法的可行性，需要在如下几个方面进一步完善:

(1) 为了精化高速滚动轴承的传热计算，需要进行大量高速滚动轴承专门的对流换热模拟试验，用试验方法来获得计算高速滚动轴承对流换热的准则方程，从而提出高速滚动轴承对流换热系数的专门公式。这需要专门立项进行研究。

( 2) 现有的传热学手册中很少涉及润滑油的热物性参数，给轴承温度场分析计算带来了很大的麻烦。为了得到更加精确的传热计算公式，需要对各种不同型号润滑油的热物性参数进行大量的试验测试。

(3) 虽然环下润滑目前是比较理想的润滑方式,但随着对润滑和冷却要求的不断提高，油气润滑作为一种更加理想的润滑方式，能够解决其他传统润滑方式的缺点，这一润滑方式有待将来进行进一步研究。

(4) 针对高速滚动轴承内各个零件或部位的温度较难测定，而现有的试验测定方法不能准确测定轴承内任意点的温度，因此，需要研究新的温度测定方法,以便准确测定轴承内的温度，并与理论研究结果进行对比验证。

(5) 在对高速滚动轴承进行功率损失的计算模型中，所涉及的力或运动参数需要根据轴承的具体工况,对轴承进行运动分析和力学分析来确定。静力学( 或拟静力学) 分析相对较粗糙，而动学力分析发展的还不够完善，因此需要对轴承动力学分析进行进一步的研究3。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所