工业电机滚动轴承油脂润滑方案设计

微特电机论文：工业电机滚动轴承油脂润滑方案设计2010年4月30日工业电机滚动轴承油脂润滑方案设计王勇（斯凯孚（中国）销售有限公司，上海200001）摘要：轴承是机械的心脏，也是电机机械传动的关键。润滑在轴承中的作用与轴承在机械中的作用一样至关重要。润滑的问题往往会出现在电机的设计、制造、安装、使用及电机维修等各个环节中。因此，从电机结构没计的一开始，就需要为整个电机的润滑方案做一个系统的设计。对中小型电机油脂润滑方案的设计进行了相应的探讨。关键词：轴承i润滑；工业电机中图分类号：TM301.4文献标识码：A文章编号：1673-6540(2009)12-0052-050引言中小型工业电机的设计主要有电磁设计和机械设计两部分。在机械设计中，润滑设计所占比重不大，但却是至关重要的，它在很大程度上影响电机轴承后续的安装、运行及维护。不恰当的润滑设计将造成电机轴承的提早失效，给整个电机的使用带来很大麻烦。另一方面，电机的润滑问题在电机设计制造过程中很容易被简单化，或者是照搬过去的设计。实际上，每一台电机的应用工况不同，电机轴承的使用环境电不同，这对润滑提出的要求也不同。因此，很难使用一种润滑方案来适应千变万化的应用条件，应该针对工况设计，改变相应的润滑方案。从成本的角度来看，中大型电机设计的润滑方案会被注意到，但是对于中小型电机生产厂家而言，不可能也没有必要对每一台电机做一个独立的润滑方案。但是一个工况的一个批次电机，应该可以做适应性的选择。事实上，润滑方案的设计已经从电机设计制造厂家延伸到电机的使用厂家，是关乎整个轴承运行寿命周期的系统性方案设计。工业电机经常使用的润滑介质大致可以分为两类：稀油润滑和油脂润滑。本文主要针对油脂润滑方案的设计进行分析。1工业电机滚动轴承脂润滑方案设计与选择工业电机油脂润滑方案设计的第一步就是如何选用工业电机的润滑脂。1.1润滑脂选择润滑脂是最常用的～种润滑介质，主要由皂基、基油、添加剂等组成，其中基油和添加剂含在皂基当中，形成膏状固体润滑脂。根据润滑脂的针人度不同，美国国家润滑油脂研究所(NLCI)将润滑脂分成不同的等级以标志润滑脂的稠度。工业电机中经常使用的润滑脂是2号和3号脂。润滑脂的牌号越大，稠度越高，轴承的起动力矩也越大。在小电机中，由于轴承较小，电机功率不大，因此需要选择稠度较低的2号脂。相应的，对于功率较大的电机，由于轴承较大，轴承负荷较大，润滑脂的起动力矩占轴承摩擦的比重相对较小，因此选择稠度相对高的3号月日。另外，随着温度的变化，润滑脂中的基油会从皂基中析出，从而对轴承接觎表面起到滑的作用。基油本身也有自己的稠度，叫做基油黏度。润滑脂里的添加剂会对润滑脂的性能起到很大的改善作用，例如抗氧化性能等。影响润滑脂性能的因素很多，在一般工业电机的应用中，温度、速度和负荷是润滑脂选型时要考虑的最基本指标。下面对这三个基本参数进行介绍。1.1.1温度对电机润滑的影响(1)油脂选择的温度参考。润滑脂都有一定的温度范围。对于润滑脂温度范围的定义有以下几个概念：低温极限，润滑脂允许轴承无困难正常起动时的最低温度；高温极限，对于皂基而言就是它的滴点，在此温度之上润滑脂稠度变小，变为流体。但是需要指出的是，并不是在低温极限和高温极限乏间的温度范围内，润滑脂都可以起到充分的润滑作用。因此一些厂家根据工况做出了其他的定义。SKF提出了油脂运行温度极限的定义（目前尚不是国际标准），见图l，也就是在此温度范围内，润滑脂可以可靠地满足电机轴承润滑的要求。超过此范围，但是在油脂温度极限之内的温度时，润滑脂的性能表现不稳定（有可能适用，也有可能不适用）。因此，电机厂家在选择润滑脂时，不能只根据油脂供应商给出的油脂温度极限来进行选择，还应考虑此温度范围内的不可靠部分。(2)高温时润滑脂的选择。润滑脂的稠度和基油黏度都受到温度的影响。温度越高，润滑脂的稠度越低，同时基油的黏度也越低。润滑脂基油黏度随温度变化的曲线如图2所示。在高温时，油脂稠度降低，流动性增加，不易保持在轴承室内。因此电机的密封设计应该考虑润滑脂流失的问题。另外，轴承温度高，基油黏度降低。如果基油黏度降低到不能满足润滑的程度，那么就会出现不完全润滑。通常，使用粘度比^来衡量基油黏度是否能满足要求，一般k值应大于1。K=V1/V2式中：V——润滑剂在工作温度下的实际工作粘度，mm/s2，可以从图2查取；V1——工作温度下达成润滑所需最小粘度，mm/s2．可以从图3查取。(3)低温时润滑脂的选择。在低温时，油脂稠度高，起动力矩大。此时轴承有可能出现噪声或者在轴承滚道和滚动体表面出现表面疲劳。因此，为适应低温运行的环境，应该为低温环境下运行的电机选择低温润滑脂，或者稠度较小的润滑脂。设计人员在为电机选择中温运行环境的润滑脂时，通常考虑70℃。但是电机并非在恒温下运行，尤其是冬季，在电机出厂试验或者起动时，润滑脂的温度大大低于70CC，此时油脂稠度很大，会出现轴承噪声偏大的现象。有时，当电机继续运行到稳定温度时，噪声会自动消除。这种情况并不是轴承质量问题，电并非完全是润滑脂选型的问题，要根据工况做适当的变通。例如可先将电机在室内放置一段时间，待其温度达到室温后再起动，或者采取对轴承是做适当的加热等措施。1.1.2电机转速对润滑的影响当电机高速运转时，轴承内部的润滑脂被滚动体高速的滚压。一个滚动体滚过之后，到下一个滚动体到达之前的时间里，滚道表面的润滑需要回复到正常的油膜厚度，否则会使下一个滚动体和滚道之问的润滑出现油膜厚度不够、润滑不良的情况。这种情况表现在电机上就是轴承温度过商，甚至烧毁。因此，在选择电机润滑脂时，需要考虑电机转速和润滑油膜恢复速度之间的匹配关系，电就是要选择可以适应电机转速的润滑脂。有的润滑脂供应茼会提供高速润滑脂，适用于高速场合的应用。如果在没有高速润滑脂，而电机转速并不是非常高的情况下，可以通过采用黏度相对较低的润滑脂替代。SKF的润滑脂可以提供出相应的转速范围。它是用轴承系数来代表的：A=nXdm式中：n——电机转速，r/min，D-轴承外径，mm;d-轴承内径。在选择润滑脂时，建议A值不要超过润滑脂所标称的速度系数值，以确保油脂正常回填。几种常用的SKF电机润滑转速系数如表1所示。1.1.3负荷对电机润滑的影响电机轴承主要承担的负荷包括：转子重量、轴端负荷等。对于轻负荷的情况，轴承的起动和运行需要一个最小的负荷。如果轴承所承受的负荷小于这个最小负荷，那么轴承的滚动体会在滚道上发生相对滑动，对轴承造成损伤。而这个最小负荷又与润滑脂的稠度有关，润滑脂的稠度越大，所需要的最小负荷也会越大。因此，对于负荷小的电机或者是小电机，建议使用稠度低的润滑脂。对于重负荷的情况，重负荷会让滚动体和滚道表面之间的润滑膜厚度变薄，如果基油黏度不够，有可能出现金属与金属之间昀直接接触。这种情况下，可以采用基油黏度相对较高的润滑脂。在低转速的情况下，电可以使用极压添加剂，或者使用含有极压添加剂的润滑脂。电机厂常用的极压添加剂是二硫化钼。作为固体添加剂，二硫化钼适用于低速重载，在速度较高的场合下，固体的二硫化钼不仅起不到分隔金属接触的作用，反而会充当固体“磨料”，磨损轴承的滚动体和滚道表面，并造成损伤。基于上述因素，可以根据不同的温度、转速、负荷工况，大致确定工业电机润滑脂的选型，由此完成了电机润滑方案没计的第一步。1.2工业电机油膜润滑的再润滑时间间隔计算与寿命计算工业电机润滑方案的第二步是对所选润滑脂的寿命进行计算，并校核。通常而言，工业电机中使用的轴承分密封轴承和开式轴承两类，其润滑脂寿命有所不同。对于密封轴承而言，多数轴承不需要将密封件打开进行再润滑，轴承生产厂家在设计时已经将润滑脂寿命的因素考虑进来。例如SKF的密封深沟球轴承就属于终身润滑轴承，此类轴承的润滑脂寿命长于轴承本身寿命，因此不必进行再润滑。对于开式轴承，通常电机制造厂会给电机最终用户一个再润滑时间间隔的建议，这个再润滑时间间隔就是可靠性为百分之99的润滑脂寿命。轴承再润滑时间间隔可以从图4中查取。图4中，A为轴承速度系数，计算方法与前文所述相同；bf是轴承系数。图4中查取的是在70℃情况下的润滑脂再润滑时间间隔。在实际工况中需要对此进行一些修正，比如温度每升高150C，润滑脂的再润滑时间间隔（润滑脂寿命）将会减半。立式电机的再润滑时间间隔（润滑脂寿命）应该比卧式的减半，具体参数可参考文献[l]。在图4中查取的润滑脂寿命是可靠性为百分之99的寿命，如果需要将轴承润滑脂的寿命和轴承疲劳寿命相匹配，那么只要将可靠性百分之99转换成百分之90即可。换算公式如下：L10=2.7XL01式中：L10——可靠性为百分之90的寿命；L01——可靠性为百分之99的寿命。一般，太短的再润滑时间间隔就意味着频繁的补充润滑。如果太过频繁，就需要考虑是否润滑选择有问题。另外，通过图4查取的润滑寿命没有考虑润滑脂化学老化的影响。如果查取的寿命过长，有可能在此期间发生化学变化（如氧化等），因此，再润滑时间间隔一般以30000h力限，如果超过30000h，以30000h计。2工业电机润滑实施与维护方案2.1工业电机的初次润滑方法电机厂的设计人员完成了电机脂润滑的方案计算之后的下一步就是为现场的工作人员设计润滑的实施方案。首先，润滑脂的添加需要保持现场的洁净。因为轴承运行时，滚动体和滚道之间的油膜厚度大约只有0.2μm，这比一颗尘埃的直径还小。如果有污染物进入润滑脂，在轴承运行时，污染物会刺穿润滑膜，造成润滑不良、轴承噪声、发热等现象。另外，添加润滑脂时最好不要使用容易掉屑的竹木工具等，以避免竹木屑进入润滑脂成为污染。存放润滑脂的容器在不使用时最好密闭，避免被外界污染。初次添加润滑脂的一个熏要问题就是添加多少。如果润滑脂添加不足，会导致润滑不充分，轴承发热或者烧毁。如果润滑脂添加过量，会增加轴承搅拌润滑脂的阻尼，使轴承温度过高。通常建议的润滑脂初次添加量为：轴承内部全部充满，轴承室剩余部分（除轴承之外）窄间的百分之30-百分之50。转速高的电机所需的添加量就相对少，反之亦然。2.2工业电机的补充润滑（再润滑）工业电机运行一段时间后，需要对轴承进行补充润滑，即再润滑。两次补充润滑时间的间隔就是再润滑时间间隔，关干再润滑时问间隔的计算前文已述及，此处不再蘑复。22l补充润滑时的润滑脂选择电机的使用者应该遵照厂家的建议，按时对电机轴承补充润滑。补充润滑时，不可以随意更换电机轴承的润滑脂牌号，因为要考虑不同润滑脂之间的兼容性问题，不同皂基稠度、不同基油黏度、不同皂基类型的润滑脂都很有可能不兼容。不兼容的润滑脂相互混合，不一定能得到需要的润滑性能，更有甚者会出现一定的化学反应而完全无法达到润滑的效果。若电机厂家标称的润滑脂确实难以找到，那么就需要对即将添加的润滑脂和原有润滑脂进行油脂兼容性测试，通过测试则可以进行混合。倘若润滑脂测试结果不兼容，那么就需要彻底更换润滑脂。在现场允许的条件下，首先将原先的润滑脂完全清洗干净之后，按照初次添加的方法和用量对轴承施加润滑。注意，重新选择润滑脂的过程也如前所述。若现场没有清洗条件，那么就需要尽量多的用新的润滑脂把原有的润滑脂冲洗出来，尽量充分地去除原有润滑脂。2.22补充润滑量工业电机中常用的轴承中除某些球面磙子轴承外，多数没有补充润滑添加孔。对于没有补充润滑孔的轴承，设计人员在设计轴承室时就需要考虑补充润滑的注油孔与排油孔应该分布于轴承的两侧。这样才能保证新添加的润滑脂可以进入轴承，而排出来的润滑脂是老的润滑脂。此时补充润滑的润滑量应该是：G=0005×D×B式中：D——轴承外径，mm；B——轴承宽度，mm。对于轴承外圈具有补充润滑孔的球面磙子轴承，补充润滑可以直接进入轴承内部，这样可以达到最好的补充润滑效果，因此所需要的润滑量也相应减少：该情况下的补充润滑量为：G=0.002xD×B22.3补充润滑方法工业电机进行补充润滑时，一般的补充润滑是在电机低速运行或停机时进行。当电机处于低速运转时，补充润滑进入轴承内部之后，低速运行的电机对新进润滑脂起到了匀脂的作用，有利于润滑脂的补充；