長壽命軸承用離心式微量供油器篩選裝置

高飛，李春偉，李超強，李娟,胡烈

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.北京控制工程研究所，北京 100190；3.臺州印山制刷有限公司，浙江 臺州 318020)

油潤滑的長壽命滾動軸承的特點是承受載荷小、精度高、壽命長、摩擦力矩小及穩(wěn)定性高。正常工況下長壽命軸承的失效形式主要是潤滑失效。由于特定工作環(huán)境(低重力、高真空等)的影響[1]，潤滑油由于揮發(fā)、爬移而損耗，使軸承溝道無法形成彈性流體動力油膜，軸承可能處于貧油或邊界潤滑狀態(tài)，從而將加速軸承的磨損，降低軸承的使用壽命。因此，有必要采取措施對軸承進行補充供油。

離心式微量供油器可以在特殊環(huán)境下，依靠離心力以極小的速率持續(xù)地向軸承供油，改善軸承的潤滑環(huán)境。但是離心式微量供油器提供的潤滑油量又會影響軸承性能的穩(wěn)定性，所以必須對離心式微量供油器的供油速率和開始供油的時間進行篩選。

1 離心式微量供油器原理

離心式微量供油器的供油速率和開始供油時間由供油芯閥決定。供油芯閥由多孔材料制成，在高速旋轉產(chǎn)生的離心力作用下，通過供油芯閥的毛細孔給軸承供油。

潤滑油受到離心力作用移動的速率為[2-3]

(1)

式中：Δp為使油流動的內壓差，Pa；n為毛細管數(shù)；d為毛細管直徑，m；μ為潤滑油黏度，Pa·s；L為毛細管長度，m。

(1)式是理論假設后的近似計算，表達了離心作用力與材料特性和潤滑油特性之間的關系。盡管離心式微量供油器的供油速率可由理論計算公式得出，但是多孔材料的孔徑大小及分布情況，潤滑油黏度、表面張力及其與多孔材料的浸潤性是影響其供油速率一致性的主要因素，而且由于加工誤差及一些人為因素，由理論公式所得的數(shù)值往往偏離實際較大，具有相當大的局限性。例如：使用某潤滑油，某型號軸承的離心式微量供油器在轉速6 000 r/min時，設計計算所得供油速率為0.8 mg/天，但實際供油速率僅為0.05 mg/天。因此，離心式微量供油器的供油速率和開始供油的時間必須通過模擬其真實工作環(huán)境由試驗得出。

2 篩選裝置

針對離心式微量供油器的工作原理設計了篩選試驗裝置，該裝置由真空保障系統(tǒng)、旋轉系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。其主體結構如圖1所示。

圖1 篩選裝置主體結構

離心式微量供油器安裝在旋轉系統(tǒng)的旋轉軸上，真空保障系統(tǒng)按照微量供油器的實際工作環(huán)境抽真空，然后由電氣控制系統(tǒng)啟動電動機，轉至實際工作轉速，模擬微量供油器的實際工況，進行供油速率和開始供油時間的篩選試驗。

篩選不同型號、尺寸的微量供油器時，只需更換不同直徑的旋轉軸和設置不同轉速即可。此篩選裝置較為真實地模擬了長壽命軸承的實際工況，可靠性高，操作簡單，維護方便且篩選效率高。

2.1 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要由功率電源、功率驅動電路、電動機控制電路、測量電路、PLC控制器、數(shù)據(jù)采集模塊和監(jiān)控計算機等組成。可提供恒流、恒電壓和恒速3種控制模式，能滿足不同試驗條件的電動機驅動要求。電氣控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 電氣控制系統(tǒng)原理圖

2.2 真空保障系統(tǒng)

真空保障系統(tǒng)由密封罩、抽氣閥、真空表和外接的真空泵構成。

密封罩保證旋轉系統(tǒng)處于真空狀態(tài)，真空泵與抽氣閥連接將密封罩空氣抽至規(guī)定真空度，真空表可以顯示密封罩內氣壓。

2.3 旋轉系統(tǒng)

旋轉系統(tǒng)由一個計算機控制的可控步進電動機和旋轉軸構成，如圖3所示。

圖3 旋轉系統(tǒng)原理圖

篩選裝置工作時，將離心式微量供油器安裝在旋轉系統(tǒng)上，以轉軸為中心旋轉；使用真空泵將密封罩中的空氣抽出形成真空環(huán)境，啟動電氣控制系統(tǒng)，接通電動機電源，設定電動機轉速，模擬微量供油器的實際工作轉速，就可以開始篩選工作。

3 示例分析

為了控制離心式微量供油器的供油速率和開始供油的時間，首先需確定軸承的潤滑油損失速率和開始供油時間，因此先進行了某型號軸承的一次性潤滑壽命試驗[4-5]。測試設備對試驗軸承電動機的電流、電壓和轉速進行實時監(jiān)測和記錄，通過對數(shù)組軸承測試數(shù)據(jù)的整理，可得出軸承在一次性潤滑壽命試驗過程中的潤滑壽命曲線，如圖4所示。

圖4 軸承一次潤滑壽命曲線

由圖4可知，試驗軸承驅動電動機的電流在3～22個月基本不波動，說明軸承溝道的油膜厚度沒有變化，可認為軸承內部潤滑油處于平衡狀態(tài)；隨著時間推移，在24個月以后，由于潤滑油的損耗，不能形成有效的潤滑膜，軸承性能開始下降，具體表現(xiàn)為：軸承溫度升高、運轉電流增大，可認為軸承有效潤滑壽命結束。故在第22個月時，離心式微量供油器開始向軸承補充供油，以保證軸承溝道內潤滑油量足以形成有效的潤滑油膜，達到延長軸承壽命的目的。

同時，在試驗過程中，經(jīng)過數(shù)次對軸承的實際稱重測試，計算出軸承在潤滑不足階段潤滑油平均損失量約為0.4 mg/天，考慮供油可靠性，供油速率應為0.5 mg/天左右。

至此，確定了離心式微量供油器供油速率和開始供油的時間。

然后利用本篩選裝置對供油器供油速率和開始供油時間進行篩選。根據(jù)離心式微量供油器工作條件，確定試驗條件為：環(huán)境溫度(23±5)℃，真空度≤10 Pa，轉速5 000 r/min。

首先，篩選供油器開始供油的時間。為了確保軸承潤滑的可靠，可適當將供油器開始供油時間提前2～4個月。本試驗中，在第18個月時對供油器實際稱重，確定是否有潤滑油滲出及其滲出量，如無潤滑油滲出則可淘汰。在篩選出合格的供油時間后，再篩選供油器供油速率。

離心式微量供油器的供油速率計算公式為：供油速率=供油器失重/運轉時間。試驗數(shù)據(jù)每20天測試1次，共測試15次。整理數(shù)據(jù)后，得出離心式微量供油器的供油速率如圖5所示。

圖5 離心式微量供油器供油速率

從圖5可看出，離心式微量供油器平均供油速率為0.5 mg/天。離心式微量供油器初期供油量較大，后期趨于平緩，這是由于離心式微量供油器的儲油腔內含有空氣，而試驗環(huán)境為真空，造成儲油腔內、外壓力差，致使離心式微量供油器初期供油偏多，隨著壓力差的減小，供油速率隨之趨于平穩(wěn)。據(jù)此，根據(jù)微量供油器的供油速率和開始供油的時間就可以選擇合格的微量供油器。

4 結束語

介紹了一種長壽命軸承用離心式微量供油器的篩選裝置，此篩選裝置可以較精確地模擬離心式微量供油器的實際工況，解決了理論計算與實際應用之間的差距，為離心式微量供油器的實際應用和優(yōu)化設計提供了試驗依據(jù)。通過本篩選裝置已篩選多種型號離心式微量供油器，并投入實際使用，效果良好。