高速電主軸用脂潤滑軸承性能試驗

李澤強，潘奔流，王健，田云芳,張海鵬

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003;3.中航鋰電(洛陽)有限公司，河南 洛陽 471003)

機床主軸高速化是近年來機床技術發展的重要趨勢，軸承是電主軸高速可靠運轉的一個核心部件。電主軸軸承的潤滑方式主要有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑。其中，油氣潤滑可以提高軸承的承載能力、運轉速度、使用壽命和適應惡劣工作環境的能力，極大地降低了潤滑劑的消耗，但其采用壓縮空氣，噪聲較大，需要專用氣源，初始裝機投資較大[1-2]；油霧潤滑允許的極限轉速高，且更換潤滑油簡單，故目前高速電主軸軸承大都采用油霧潤滑，但其油路設計復雜，尾氣如不加以回收，對環境污染較為嚴重[3]；而采用脂潤滑可以省去油霧潤滑系統所需的油箱、油泵、油管及傳動部件等，使潤滑系統大大簡化，但是脂潤滑軸承極限轉速低[4]。國外已經成功應用潤滑脂對高速陶瓷球軸承進行潤滑，國內在這方面的研究報道不多。為此，在高速主軸軸承試驗臺上分別在油霧潤滑和脂潤滑下對軸承進行高速性能試驗，通過對比分析轉速、載荷、溫升的相互關系來研究脂潤滑主軸軸承的高速性能，為脂潤滑軸承在高速電主軸上使用提供參考。

1 試驗

1.1 試驗軸承

試驗軸承為高速磨削電主軸用角接觸陶瓷球軸承B7005C/HQ1P4，其參數見表1。

表1 試驗用陶瓷球軸承結構參數

1.2 試驗臺架

本次試驗在自行設計的試驗臺上完成，所用試驗裝置原理如圖1所示，試驗臺以最高速度為60 000 r/min的電主軸作為驅動，采用變頻器調節和控制轉速。用自行設計的專用液壓缸進行軸向和徑向加載，選用4支JM608V-PT100一體化溫度傳感器分別測量加載軸承和試驗軸承的外圈溫度，通過YD-3加速度傳感器檢測機體振動，所有信號通過A/D轉換器接入計算機并通過軟件進行控制和處理。

圖1 試驗裝置原理圖

1.3 試驗過程

在油霧潤滑和脂潤滑下進行對比試驗，每種潤滑方式選用8套軸承，每次試驗2套。試驗軸承和加載軸承均采用循環水冷卻，冷卻水溫度為15 ℃。潤滑脂為L252；油霧潤滑的潤滑油為32#汽輪機油，潤滑油壓為0.4 MPa，油滴量為30滴/min。通過試驗得到不同轉速和不同載荷下軸承溫升與轉速、載荷之間的變化關系，以軸承的外圈溫升為參數指標進行分析。

試驗共分2個部分：首先考察轉速對軸承性能的影響，在Fa=100 N，Fr=50 N條件下，轉速由10 000 r/min逐漸升至50 000 r/min，每小時升高5 000 r/min，轉速變化如圖2a所示；然后考察在10 000，40 000和50 000 r/min下不同載荷對軸承性能的影響，分別在軸向載荷固定(Fa=250 N)、徑向載荷變化和徑向載荷固定(Fr=150 N)、軸向載荷變化2種工況下進行試驗，轉速變化如圖2b所示，加載載荷譜如圖3所示。

圖2 試驗轉速變化曲線

圖3 試驗加載曲線

2 結果與討論

2.1 不同轉速下軸承性能試驗

通過試驗得到每套軸承在每種轉速下的溫升穩定值，對8套軸承的溫升穩定值取平均值并進行對比分析[5]，軸承溫升隨轉速變化曲線如圖4所示。

圖4 軸承溫升隨轉速變化曲線

由圖4可知，軸承溫升隨轉速提高而迅速變大。在載荷、轉速、時間相同的情況下，脂潤滑軸承外圈溫升比油霧潤滑軸承外圈溫升要大，但是在轉速高于25 000 r/min或dmn值大于0.9×106mm·r/min時，2條溫升曲線基本上保持平行，溫升相差不超過3 ℃。

2.2 高速變載試驗

對8套軸承的溫升穩定值取平均值進行對比分析。在恒轉速下軸承溫升隨軸向載荷變化曲線如圖5 所示，隨徑向載荷變化曲線如圖6所示。

由圖5可知，在恒轉速下軸承溫升均隨著軸向載荷的增加而變大；軸向載荷從150 N提升到400 N，轉速為10 000 r/min時，脂潤滑軸承溫升比油霧潤滑軸承溫升約小1.9 ℃；轉速為40 000 r/min時，2條曲線基本重合，脂潤滑軸承溫升比油霧潤滑軸承溫升約大0.2 ℃；轉速為50 000 r/min時，油霧潤滑稍好于脂潤滑，其溫升相差約1 ℃。

圖6與圖5所示的軸承溫升曲線趨勢基本相同，2種潤滑方式下軸承的溫升在轉速為10 000，40 000和50 000 r/min時相差分別約為1.5，0.8和2 ℃。

綜合圖5和圖6可知，無論是徑向變載還是軸向變載，在轉速低于40 000 r/min或dmn值小于1.44×106mm·r/min時，采用脂潤滑的軸承溫升比油霧潤滑的軸承溫升小，這主要是由于潤滑脂的黏度比潤滑油的黏度大，更容易形成潤滑油膜；而在轉速高于40 000 r/min或dmn值大于1.44×106mm·r/min時，油霧潤滑的軸承溫升要小于脂潤滑的軸承溫升。

圖5 軸承溫升隨軸向載荷變化曲線

圖6 軸承溫升隨徑向載荷變化曲線

3 結論

(1) 在穩定的載荷作用下，軸承溫升隨轉速提高而迅速變大，并在轉速高于25 000 r/min或dmn值大于0.9×106mm·r/min時，2種潤滑方式下的溫升曲線基本上保持平行。

(2) 在恒轉速下，無論是徑向變載還是軸向變載，脂潤滑和油霧潤滑陶瓷球軸承溫升均隨載荷的增加而變大，并且在相同條件下兩者的溫升值很接近。

(3) 在循環水冷卻的條件下，轉速低于40 000 r/min或dmn值小于1.44×106mm·r/min時，高速電主軸可以使用脂潤滑陶瓷球軸承，從而使潤滑系統大大簡化，并減少污染。