轴承工程师俱乐部
轴承学院
IBE
作者：
M.Sc. Attila Gonda, Prof. Dr.-Ing. Bernd Sauer，Institute of Machine Elements, Gears & Transmissions (MEGT) Technische Universität Kaiserslautern, Germany
N.Sc. Daniel Großberndt, Prof. Dr.-Ing. Hubert Schwarze, Institute of Tribology and Energy Conversion Machinery (ITR) Technische Universität Clausthal, Germany
INSTITUTE of BEARING ENGINEERS
优化零部件和工艺是非常重要的，因为从长远来看，即使微小的效率发展也可以节省大量的能源和材料。优化重要的部分是确定损失的来源和影响因素。在我们当前的主题中，即滚动轴承。在油润滑滚动轴承的运行过程中，也会发生损耗，可分为两组。第一组是负载相关损耗或接触损耗，它们是由接触力引起的机械摩擦。为了确定这些损耗，有合适的计算方法和多体动力学仿真技术 [1]。第二组是由部件表面的润滑剂位移和润滑剂剪切引起且与负载无关的损失。我们项目目的是调查这一组，通常被称为液压损失。与接触损失相比，可用于液压损失的计算方法的数量是有限的。只有相同且需要高功率和计算的经验模型或数值方法。因此在一个合作项目内进行了实验和数值研究，以便更详细了解与负载无关的液压损失。实验部分在Machine Elements, Gears & Transmissions (MEGT)进行，仿真在Institute of Tribology and Energy Conversion Machinery (ITR)进行。该项目的重点是圆锥滚子轴承的全浸没式和半浸没式润滑，其中轴承附近环境的影响也考虑为一个影响因素。
为了研究液压损失，MEGT[2, 3]开发了一个测试台，它具有模块化设计，可用于测量不同设计、尺寸、润滑和轴向轴承位置的轴向载荷滚动轴承的总摩擦扭矩（图1）。测试单元包含一个作为支撑轴承的角接触球轴承7208和一个作为测试轴承的圆锥滚子轴承32208。滚动轴承以X形安装，并由由称重传感器、碟形弹簧和负载螺栓组成的负载单元进行预紧。由于有单独的油室，可以在轴承处独立调节油位，并且油室中形成的流动不会相互干扰。此外，还可以研究第二个油室中测试轴承不同轴向位置时液压损失的环境影响。所提出的测试单元由直流电机驱动，最大速度为每分钟10,000转的传动带。在驱动和测试单元之间有一个轴扭矩传感器，它可以测量测试单元中产生最大不超过5NM的损失扭矩。
在测量过程中，观察和测量了外圈温度、油温、转速、轴向载荷和轴扭矩。借助测得的扭矩，可以根据油位的变化来确定液压损失（图2）。这意味着我们需要两个边界条件相同的测量，但油量除外。一种是调查的油量，另一种是最小润滑量。测得的损失扭矩之间的差值是调整边界条件下的纯液压损失.
除了实验之外，还在Institute of Tribology and Energy Conversion Machinery (ITR) 进行了 CFD 流体模拟，以确定液压损失。这些三维瞬态仿真使用 ANSYS CFX 执行，并对测试箱内的复杂流动分布进行建模。在计算中，根据测量值设置油属性和转速。计算网格覆盖了测试轴承的油室，包含大约 550 万个六面体单元。这种块状结构的网格分为三个部分，并且在墙壁附近具有更精细的分辨率。
评估的第一步是可重复性测试。这意味着在相同的边界条件下进行了多次测量，但使用不同的测试轴承样品。在这次测试中，检查的条件如下：测试轴承处于中间轴向位置;测试室完全被淹没;转速在1000到6300rpm 之间变化;有两个研究的油温（50°C 和 60°C） 分别是两个油粘度 （58,3 和 38 mm2/s）。在这些条件下，还进行了第一次模拟。重现性测试和第一次数值计算的结果如图 3 所示。指示的液压损失值是指试验箱，这意味着它不仅包含液压轴承损失，还包含试验箱的液压损失（例如，由润滑剂在轴上或壁上剪切引起的损失）。
由于重现性测试中每个测量点的差异小于 5%，因此我们可以说测量具有良好的重现性。比较表明实验结果和数值结果之间具有良好的相关性，仅在粘度较高的情况下有很小的偏差。一般来说，我们可以说较低的油粘度（较高的油温）导致较低的液压损失，液压损失几乎随转速线性增加。再现性测试后，在不同的油位和不同的测试轴承轴向位置下进行了进一步的测量。结果显示了油量、油温（即油粘度）、转速和轴承位置（即测试轴承附近是否存在壁）对液压损失值的影响。此外，在第74届STLE年会暨展览会上展示的测量结果中也可以观察到所谓的锥形滚子轴承的泵效应和油的泡沫
作者感谢德国研究基金会（DFG） 在“Einfluss der hydraulischen Verluste auf die Reibung von Wälzlagern”（SCHW 826/12-1 und SA 898/23-1） 项目框架内的支持。
1】Aul, V.; Kiekbusch, T.; Marquart, M.; Sauer, B.: Experimentelle und simulative Ermittlung von Reibmomenten in Wälzlagern. 51. Tribologie-Fachtagung GfT 09/2010
2】Gonda, A.; Großberndt, D.; Sauer B.; Schwarze H.: Experimentelle und numerische Untersuchungen der hydraulischen Verluste in Wälzlagern unter praxisrelevanten Bedingungen. 59. Tribologie-Fachtagung (GfT) 2018, 24.-26.09.2018, Göttingen; pp. 35/1-35/10, Band 1
3】J. Liebrecht, X. Si, B. Sauer und H. Schwarze, "Untersuchungen von hydraulischen Verlusten an Kegelrollenlagern,“ Tribologie und Schmierungstechnik, pp. 14-21, 5 2014.
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