費逸（yì）偉　薑（jiāng）旭峰　彭顯才　劉（liú）鴻銘

　　引言
　　潤滑劑的軸承試驗是檢驗潤滑劑潤滑功能的一種（zhǒng）重要手段（duàn），也是（shì）進行發動機台架試驗之前必須經過的試驗程序，航空發動機軸（zhóu）承在高溫、高速、重（chóng）載（zǎi）荷的苛刻條件下工作，對其潤（rùn）滑（huá）油的潤（rùn）滑性提出了更高的要求。實驗室通常（cháng）采用摩擦－磨損試驗機檢驗潤（rùn）滑油的潤滑性，由於一（yī）般的摩擦－磨損試驗機（jī）是將複雜的實際摩擦情況簡化，以便於研究，造成摩擦－磨損試驗機（jī）的結果與實際情況難以完全（quán）一致（zhì），隻能在一定條件下表征潤滑油的潤滑性能（néng）。潤滑油的軸承試驗不僅是各種航空潤滑油必須進行的考核項目之一，還是（shì）進行工況（kuàng）模擬的重要手段，可以更（gèng）真（zhēn）實地模（mó）擬航空潤滑油的實（shí）際使用情況，對於研究航空潤滑油實際工況下的性能變化有重要意義。

　　軸承試驗機及其相關技術
　　1、軸承試驗機組成與種類
　　軸承試驗是在軸承試驗（yàn）機上按照軸承的實際轉速、負荷、工作溫度、壓力等條件進行的模擬試驗，是進行軸承工況（kuàng）模擬（nǐ）的（de）一種重（chóng）要手段，不僅是考核軸承是否滿足設（shè）計要求和Z終定型裝機的必要內容（róng），也是研究（jiū）潤滑劑、軸承材料特性的有效途（tú）徑。軸（zhóu）承試驗機可以用於研究軸承（chéng）潤滑油膜形成機理、油膜壓力分布（bù）和潤（rùn）滑（huá）部位溫度、摩（mó）擦係數、磨損等的變化規律，是評定潤滑油潤滑性能的（de）可靠方法。
　　不（bú）同行業對軸承的要求不同，軸承試驗機也有各種不同種類，針對不同行業有汽車軸承試驗（yàn）機、鐵路軸承試驗（yàn）機（jī）、航空航天軸承試驗機（jī）、艦艇軸承試驗機等，按其試驗類型不同，軸承試驗機又（yòu）可分為壽命試驗機、模擬試驗機、性能試驗機、材料試驗機、設計驗（yàn）證試驗機、強化試驗（yàn）機等。不同的軸承試驗（yàn）機組成（chéng）基本相（xiàng）同，通常由支撐平台、試驗軸承、驅動裝置、加載裝置、潤滑係統、測控係統等（děng）組成（chéng），其中支撐平台和試驗軸承為（wéi）試驗機主體，驅動（dòng）裝置和加載裝置用於實現轉速和負荷的（de）模擬，潤滑係統用於軸承潤滑，同時也實現潤滑油（yóu）溫度、壓力、流量等狀態的（de）模擬，測控係統是（shì）利用傳感器、計算機、PLC以及（jí）控製軟件等實現對轉速、載荷、溫度、壓力等參數的檢測（cè）和控製（zhì），測控的準確性直接影響模擬效果。
　　由於航空發動（dòng）機的工（gōng）作條件苛刻，要求試驗機有極高的轉速，能承受（shòu）較大的負（fù）荷和試驗溫度，並且要求數據準確可靠，這使得航空軸承（chéng）試驗機相對於其他試驗機結構更加複雜，功率更（gèng）高（gāo），技術要求也更加嚴格（gé）。

　　2、航空潤滑油工（gōng）況模擬主要控製方式
　　利用軸承試驗機進行潤滑油的工況模擬要求試驗機按照實際（jì）軸承的工作參數運行。對於航（háng）空潤滑（huá）油而言，主要影響工況模擬效果的因素是：潤滑油溫度、軸承轉速、軸承負荷、潤滑油供油方式以（yǐ）及（jí）流量。
　　（1）試驗機溫度（dù）的控製
　　航空（kōng）發動機潤滑係統相比其（qí）他機械設備工作溫（wēn）度更高（gāo），並且隨著飛機速度的增加而升高，表1為航空渦輪發動機潤滑係統溫（wēn）度與飛機速（sù）度的關係，在軸（zhóu）承試驗（yàn）機上進行工況模（mó）擬要求其潤滑油溫度至少達到實際工作條件的溫度。

　　軸承（chéng）試驗機潤滑係統通常采用電加熱管對油箱中的潤滑油直接加熱，然後將加熱後的潤滑油輸送到（dào）軸承潤滑（huá）部位，以此模擬潤滑油（yóu）的工作溫（wēn）度，該方法（fǎ）直接快速，但也容易造（zào）成加熱不均，且當溫度過高時（shí）容易造成電加熱管附近的潤滑油炭化，堵塞過濾係統，為此，穀運龍等人提出了（le）電磁感應的加熱方式，將電磁感應加熱結合到軸承試驗（yàn）機（jī）高溫潤滑油係統中（zhōng），該方式克服了傳統電熱管加熱的缺點，加熱和冷卻速度得（dé）到提升，且溫度控製也更為精確。
　　（2）試驗機轉速的控製
　　航（háng）空渦輪（lún）發動機的轉速在10000rpm以上，作為工（gōng）況模（mó）擬的軸承試驗機也需要相（xiàng）應（yīng）的轉（zhuǎn）速。軸承試驗機是通過（guò）驅動裝置帶動軸承（chéng）運轉的，其驅動方式主要有三相異步（bù）電動機驅動、電主軸（zhóu）直接驅動和伺服電機驅（qū）動三種（zhǒng）方式，其（qí）中三相異步電機驅（qū）動方式適用於轉速在1000rpm以（yǐ）內；當轉速超過（guò）10000rpm，該方式用到的主（zhǔ）要部件是電主軸（zhóu）、變頻器、轉速傳感器和潤滑冷卻器（qì），其Z高轉（zhuǎn）速可達15000rpm；伺服電機（jī）驅（qū）動方式的轉（zhuǎn）速（sù）不超過10000rpm，但它有更寬的調速範圍（wéi）和更高的控製精度，其轉速控製精度可達0.05%。因而采（cǎi）用電主軸直接驅動方式能滿足航空發動機的轉速要求。
　　（3）試驗機載荷的控製
　　超音速飛機發動機軸承負荷達到（dào）680~900MPa，而對於渦（wō）槳發動機其減（jiǎn）速器齒輪（lún）承受的負荷高達1100~1200MPa，試驗機通過負荷加載裝置（zhì）加（jiā）載（zǎi）軸承的負荷。對軸承的（de）負（fù）荷加載方式有杠杆砝碼加載、彈簧加載、液靜壓加載、液壓比例（lì）自動加載、液壓伺服加載（zǎi）等，其中杠杆砝碼加（jiā）載方式簡單，但容易因振動而導致負荷不穩；彈簧加載方式的加載範圍較小；液靜壓加載方式簡單可靠，加載範圍（wéi）大，但仍需手動加載；液（yè）壓比例自動加載和液壓伺服加載（zǎi）方式可以實現大範圍負荷自動加載，適用於航空軸承試驗機的負荷加載。
　　（4）試驗機供油（yóu）方式與流（liú）量
　　由（yóu）於不同的供（gòng）油方式和供油流量對潤（rùn）滑油的工況模擬有很大影響，使（shǐ）用軸（zhóu）承試驗機進行（háng）工況（kuàng）模擬時還要考慮試驗機的（de）供油方式以及流量大小。航空發動機主軸軸承采用的供油方（fāng）式主（zhǔ）要有噴（pēn）射供油、環下（xià）供油、噴管供油和葉（yè）輪供油等，其中（zhōng）常用的是噴射（shè）和環下供油，而潤滑油（yóu）在渦輪發動（dòng）機中不斷循環，各軸承流量分布不相同，如某型航空發（fā）動機在（zài）壓氣機前軸承的（de）流量大致為1~5L/min，後軸承流量為3~13L/min，而渦輪軸承達到了7~20L/min。因此，進行工（gōng）況模擬時（shí）要根據所研究的發動機型號選擇與（yǔ）之相同供油方式的試驗（yàn）機，同時控製其供油流量要與實際流（liú）量相（xiàng）同。
　　3、航空潤滑油工況模擬（nǐ）的油液監控（kòng）技術
　　利用軸承試驗機（jī）對航空潤滑（huá）油工況進行模擬，可以利用油液監控技術對潤滑油進行監（jiān）控分析以評價潤滑油潤（rùn）滑效果，常用的監（jiān）控方法包（bāo）括紅外光譜、鐵譜、自動磨粒分析和原子光譜分析等。
　　（1）紅外（wài）光譜分析（xī）
　　紅外（wài）光譜分析是根據化合物官（guān）能團的特征（zhēng）吸收峰確定（dìng）化合（hé）物類型的方法，可以定量和定性地分析潤（rùn）滑油中各組分的變化。通過監測抗氧（yǎng）劑含量和羰（tāng）基峰的變化可以判斷潤滑油的氧化程（chéng）度，監測抗磨劑的（de）含量可以判（pàn）斷抗（kàng）磨劑失活的（de）條件，監測硫酸鹽的含量可（kě）以（yǐ）判斷油液中硫化程度和堿性添加劑（jì）的消耗情況，利用積炭散射特（tè）性會使紅外光譜極限傾斜的特點可以判斷油品中積炭的含量水平，紅（hóng）外（wài）光譜可（kě）用於油品中化學（xué）組分的變化（huà）分析（xī）。
　　（2）鐵譜分析
　　鐵譜分析技術是利用磁場分離出潤滑油中的磨損顆粒，通過分析磨粒的形貌、大小、數量和成分判斷設備的磨損情況，從而評價潤滑油的潤滑效（xiào）果（guǒ）。鐵譜儀可分為分析式鐵譜儀（yí）、直讀式鐵譜儀、旋轉式鐵譜儀和在線鐵譜儀。前三者（zhě）都是離線檢測，需要取樣分析，而在線鐵（tiě）譜儀能夠實現在線檢測，適合大型機械設備的狀（zhuàng）態檢測。鐵譜可分析的顆粒範圍大，對直徑為0.1~1000μｍ的顆粒都敏感，但鐵（tiě）譜分析對非鐵質顆粒的檢測能力低，且對操作人員的經（jīng）驗以及分析能力都有很大依賴。
　　（3）自（zì）動磨粒分析
　　自動磨粒分析同樣是通過分析磨粒的（de）大小、數（shù）量等（děng）評定設備的（de）磨損情（qíng）況，相比鐵譜分析技術，自動磨粒分析對操作（zuò）人（rén）員的依賴減少，分析速度更快。由美（měi）國海軍研究實驗室和（hé）洛克希德·馬丁公司共同研製的LNF-C自動（dòng）磨（mó）粒顆粒分析儀可以對潤滑油中4~100μｍ的顆粒進行計數和形（xíng）貌識別，測定磨損金屬的大（dà）小分（fèn）布、產生（shēng）速度（dù）、形貌特征，鑒別（bié）設備的磨損程度，因而適合用於軸承試驗後的油樣分析。
　　（4）原子光譜分析（xī）
　　光譜分析是由於金屬原子特定吸（xī）收或者（zhě）發射一定波長的譜線，根據吸收或是發射的特征波長來對（duì）潤滑油中金（jīn）屬元（yuán）素（sù）進行定量和定性分析。美（měi）國公司研製的MOA型原子發射光譜儀可以快速檢測20多種元素，而等離子體光譜（pǔ）儀ICP達到1%。光譜可分析的元（yuán）素（sù）種類（lèi）多，速度快（kuài）且精度高，可通（tōng）過測定磨粒元素類型和濃度判定磨損的部位和磨損程度，但光譜（pǔ）隻能分析小於10μｍ的磨粒，也不能分（fèn）析磨粒的形貌和尺寸等。

　　軸承試驗機（jī）的研究與應（yīng）用
　　將軸承試驗機用於潤滑脂使用壽命的評（píng）定已經很成熟，國內外都有一些用於潤滑脂的軸承試驗平台和標準方法，其中有代表性的標（biāo）準方法包括美國的ASTMD3336《升溫下滾珠軸承（chéng）中潤滑脂使用（yòng）壽（shòu）命的試驗方法》以及FS791B331.2　《高溫下潤滑脂在抗（kàng）磨軸承中工作性能測定法（fǎ）》，德國的DIN51821-1989《潤滑脂（zhī）檢驗使用FAG滾動軸承潤滑脂檢驗機FE9試（shì）驗》，我（wǒ）國的（de）SH/T0428《高溫下潤滑脂（zhī）在抗磨軸（zhóu）承中工作性能測定法》等。在潤（rùn）滑油試驗方麵，美軍航空（kōng）潤滑油的軸承試驗（yàn）方法有FS791B-3410《航空渦輪油的高溫沉積和沉降特性試驗方法》和FS791C-3450《航空渦輪潤滑油沉積性（xìng）試驗方法》，英國航空（kōng）潤滑油標準中要求潤滑油必須通過相應的軸承臨界溫度試驗，我國也有航空潤滑油（yóu）全尺寸（cùn）軸（zhóu）承試驗（yàn），可見將軸承試驗機用於潤（rùn）滑劑的評定已（yǐ）經得到廣（guǎng）泛認可（kě）。
　　由於軸承試驗機對於軸承設計、潤滑材料（liào）特性、潤滑劑性能等方麵的（de）研究都有重要意義，近年來，軸承試驗（yàn）機的硬件和軟件的開發一直受到廣（guǎng）大學者的重視。崔海濤等（děng）開發了一種評價軸（zhóu）承潤滑性的軸承試驗平台，用該平台模擬汽輪（lún）機運（yùn）轉工況，可以實現對主軸轉速、徑（jìng）向加載力、軸瓦表麵溫度、潤滑油供油壓力的在線測量和控製，可（kě）用於潤滑油氧化耐久性、抗磨損性能、抗腐蝕性（xìng）能等（děng）的評價。耿延（yán）龍等（děng）針對軋機油膜（mó）軸承工作環境惡劣（liè），對潤滑油性（xìng）能要求（qiú）苛刻的特點，研（yán）製了軋機（jī）油膜軸承試驗機，用於模擬高速線材精（jīng）軋機（jī）組的實（shí）際（jì）工（gōng）況，並用該試驗機比較了國外某知名潤滑油公司的潤滑油與蘭州潤滑油（yóu）研究開發中心的潤滑油，表（biǎo）明該軸承試驗機能夠模擬高速線材的實（shí）際工況，可進行潤滑油的對比試驗。李雲峰等研製了航空發動機中介軸（zhóu）承試驗器，該軸承試驗器針對航空發動機（jī）中介軸承的結構特點而研發，可以控製軸承的轉速、載荷以及溫度等工作參數，監測油膜厚度、溫度、壓力等，用4050航（háng）空潤（rùn）滑油進行試驗，結果表明該軸承試驗器能夠按（àn）照設定參數平穩運行，監（jiān）測係統采集和處理數據準確。李智剛等針對一台航空主軸試驗機隻能模擬（nǐ）主（zhǔ）軸的某一個（gè）軸承的情況，設計了（le）航空發動機軸係軸承試驗機，該試驗機（jī）將航空發動機（jī）主（zhǔ）軸軸係的重要軸承放（fàng）在一起進行試（shì）驗，可對（duì）多個軸承進行工況模擬，節約（yuē）了試驗成本和時間。王恒迪等針（zhēn）對軸承試驗機溫度監控點多、溫度範圍寬的要求，設計了軸承試驗機的多點溫度（dù）監控係統，該係統方便快速地調整傳感器類型和增減溫（wēn）控儀表的數量，測試性能好，溫度數據更新快，滿足各類試驗機對溫度監控的（de）要求。康建峰等利用軋機油膜軸承試驗台對新研製的油膜軸承油（yóu）進（jìn）行試驗，分析了（le）試驗台運行的穩定性，評價不同軋製工況下油（yóu）膜軸（zhóu）承油的承載性（xìng）、抗磨性和抗泡性（xìng）。
　　通過以上可（kě）知，軸（zhóu）承試驗機技術在不斷（duàn）的發展之中，伴隨著軸承試驗機性能（néng）的提高，可模擬更加苛刻的工作條件，測試數據的可靠性和準確性都得到提高，這為利（lì）用（yòng）軸承模擬航空發動機工況（kuàng）奠定了基礎（chǔ）。同時也發現，航空（kōng）軸承（chéng）試驗機用於航空潤滑油性（xìng）能（néng）的研究應用實例還比較少，但（dàn）在其他領域軸承試驗（yàn）機用於評定潤滑油性能已經有了（le）成功（gōng）的應用，這為（wéi）軸承（chéng）試驗機應用於（yú）航（háng）空潤滑油工況模（mó）擬提供了可借鑒的寶貴經驗。

　　結束語（yǔ）
　　對（duì）潤滑油的工況模擬是研究潤滑油實際使用性能（néng）的一種有效手（shǒu）段，而對於航空發動機潤滑油而言（yán），普通的摩擦（cā）－磨損試驗機（jī）結果不能完全（quán）反應潤滑油的潤滑性能，利用軸承試驗機可以模擬航空發（fā）動機軸承的工作條件，真實地反應航（háng）空潤滑油在航空發動機實際工（gōng）況下的（de）潤（rùn）滑性能。
　　利用航空軸承試驗機進行潤滑油的工況模擬關鍵（jiàn）在於對軸承轉速、載荷、溫度、潤滑油供油方式及流量的（de）模擬，對軸承試驗後（hòu）的油樣進行紅外光譜分（fèn）析、鐵譜分析、磨粒分析、原子光（guāng）譜分析等可以作為潤滑油性能評估的依（yī）據（jù），判斷潤滑油在模擬工況下（xià）的潤滑效果。從相關文獻可以看出，軸承試驗機技術一直受到廣大研究者（zhě）的重視，在不斷改進更新中，這（zhè）為更好地（dì）模擬航（háng）空潤滑油的工作情況提（tí）供了技（jì）術支撐，同時，軸承試驗機（jī）在其他領域用於潤滑油研究的成功應用也為航空潤滑油的工況模擬提（tí）供了參考經驗。目前，軸承（chéng）試驗機用於航空潤滑油工（gōng）況模擬的實例還比較少，但由（yóu）於軸承試驗機能較真實地模擬航空發動機工作條件，且相對於發動機台架試驗更加經濟快（kuài）速，軸承試驗機用於航空潤滑油的工（gōng）況模擬無（wú）疑是一個很好的選擇。

來源：《潤滑油》