高速電主軸油霧潤滑改為油脂潤滑的可行性分析

李東亞，楊浩亮，肖汝鋒，王東峰

（洛陽軸研科技股份有限公司，河南洛陽 471039）

0 引言

隨著數控機床的飛速發展，高速電主軸已成為決定數控機床發展的關鍵技術之一，相比于傳統皮帶傳動主軸，電主軸具有調速范圍寬、振動噪音小、可快速啟動和準停等優點，不僅具有極高的生產率，而且可顯著地提高零件的加工精度和表面質量[1]。

電主軸軸承的潤滑方式主要有油脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑三種[2-3]。

（1）油脂潤滑具有一次裝脂、使用方便、維修簡單、節能環保等特點，能夠適應于大部分中低速電主軸的使用。

（2）油霧潤滑是利用二次霧化裝置將液態的潤滑油經壓縮空氣從油杯中壓出，在輸油管內形成微霧，隨壓縮空氣一起噴入軸承工作區，使主軸軸承得到充分潤滑和冷卻。油霧潤滑允許的極限轉速較高，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，但油霧潤滑系統可控性較差，油霧廢氣無法集中排除，因此對環境的污染較為嚴重。

（3）油氣潤滑的工作原理是通過微機控制定量泵的供油頻率，以此對潤滑油進行定時定量分配，排出的潤滑油與壓縮空氣混合后精確地供給軸承，對軸承進行潤滑和冷卻作用。其供油量可控、軸承發熱低、冷卻效果好，同時降低了潤滑劑的消耗，有效地減輕或避免對環境的污染，所以油氣潤滑是電主軸軸承較為理想的潤滑方式，缺點是潤滑裝置成本較高。

對比分析三種潤滑方式：油霧潤滑污染環境，油氣潤滑成本較高，那么能否將節能環保的油脂潤滑應用到高速電主軸的使用中來，為此通過對油脂潤滑電主軸跑合試驗的數據進行分析，從而驗證高速電主軸油霧潤滑改為油脂潤滑的可行性。同時，通過數據驗證為高速油脂潤滑電主軸的開發提供參考。

1 試驗

1.1 試驗目的

（1）對比不同品牌的高速密封角接觸球軸承在電主軸中的使用性能；（2）驗證高速電主軸油霧潤滑改為油脂潤滑的可行性。

1.2 試驗設備及儀器

試驗臺架及冷卻水箱、120MD48Y5.8電主軸（油霧潤滑改為油脂潤滑）、PT100溫度傳感器、溫度顯示儀、TC-2180冷卻水泵、BF-LDE015A1S1F1150智能電磁流量計、VFD075B43A變頻控制器。

1.3 試驗方法及過程

采用同一根120MD48Y5.8電主軸（前軸承使用內徑25 mm軸承、后軸承使用內徑20 mm軸承），依次安裝兩種品牌軸承（前后軸承品牌一致），分別進行兩個工作日的跑合試驗。由于電主軸后軸承散熱條件較差，且安裝溫度傳感器較方便，所以通過檢測電主軸后軸承外圈溫度所得的數據作為試驗評判依據；前軸承通過停機后檢測前端軸孔溫度，來間接地反映前軸承的運行情況，接線原理圖如圖1所示。

圖1 接線原理圖

電主軸的跑合按照速度從低到高、分段進行的原則，共跑合120 min，具體流程如下。

第一時段1/6轉速：運行15 min。

第二時段1/2轉速：運行20 s、暫停2 min，循環5次。

第三時段3/4轉速：運行20 s、暫停2 min，循環5次。

第四時段全速間歇：（1）運行20 s、暫停2 min，循環5次；（2）運行30 s、暫停2 min，循環8次；（3）運行1 min、暫停1 min，循環10次。

第五時段全速持續：運行30 min。

2 試驗結果及分析

針對兩種品牌軸承分別進行試驗，試驗數據見圖2～6，橫坐標表示循環次數，縱坐標表示溫度的變化。

圖2為第一時段試驗數據曲線圖，從曲線變化趨勢來看，電主軸在低速1/6轉速下運行，前10 min后軸承溫度變化較明顯，后5 min趨于穩定，主要原因[4]在于軸承滾動體在軸承內公轉運動時要受到流體的繞流阻力，滾動體的自轉運動要受到流體的攪拌摩擦力矩，所以致使軸承溫度上升明顯，經過10 min跑合，后5 min軸承與主軸系統達到熱穩定，所以溫度趨于平衡。

圖2 第一時段試驗數據曲線圖

圖3 為第二時段試驗數據曲線圖，當轉速升至1/2轉速時，通過間歇運行與暫停，從曲線上看不同的軸承溫升幾乎保持一致且變化不大。

圖3 第二時段試驗數據曲線圖

圖4 為第三時段試驗數據曲線圖，轉速繼續升高至3/4轉速，從曲線上看不同的軸承溫升在前5次的循環中變化不大（軸承2例外），在第6次和第7次循環中，溫升變化較為明顯且基本保持一致（軸承2例外），主要原因是在第6次和第7次循環中調整了變頻器的參數，使得主軸在20 s內很快到達3/4轉速，暫停時間未做調整，以此對比前5次的循環。

圖4 第三時段試驗數據曲線圖

圖5 第四時段試驗數據曲線圖

圖5 為第四時段試驗數據曲線圖，該時段是將速度升至滿速，間歇跑合。從曲線變化趨勢來看，每次運行時間改變時，溫升變化較大，停機暫停期間，軸承與主軸系統溫度會平衡調節，經過幾次循環，溫升趨于穩定。

圖6為第五時段試驗數據曲線圖，通過前四個時段的跑合，后軸承溫度在較短的時間內達到熱穩定并保持，達到了跑合的目的。

圖6 第五時段試驗數據曲線圖

另外，通過每次循環停機檢測前端軸孔溫度，發現前軸承的溫度（參考點）較后軸承低5℃左右，原因在于該試驗用電主軸原設計方案前軸承部位有冷卻水腔，而后軸承沒有。

根據以上分析可得出以下結論。

（1）不同品牌的高速密封角接觸球軸承在電主軸中的使用性能有細微差別，本次試驗所使用的前軸承的dmn達到了1.62×106mm·r/min，前軸承的轉速甚至超過了樣本所標注的極限轉速，但僅從軸承的高速性能、較低的工作溫度等方面考慮，本次試驗所使用軸承的使用性能較為良好。

（2）從一些方面可以驗證高速電主軸油霧潤滑改為油脂潤滑的可行性，本試驗中第五時段后軸承溫度甚至穩定在70℃左右，原因是一方面由于試驗環境較為惡劣（夏天），并且冷卻水箱為普通水箱，第五時段過程中冷卻水的溫度甚至升至35℃；另一方面該試驗用電主軸本為油霧潤滑，前后軸承各有油霧通道，油霧不僅起到潤滑軸承的作用，而且具有一定冷卻作用，并且前軸承部位有冷卻水腔，而后軸承沒有，所以該主軸潤滑方式改為油脂潤滑后跑合試驗中后軸承溫度較高。

隨著高速、低發熱軸承，高速、長壽命潤滑油脂，電主軸冷卻技術、電機技術等相關技術的發展，將節能環保的油脂潤滑應用到高速電主軸的使用中將是一個發展趨勢。通過本系列試驗，開發出了轉速48 000 r/min、60 000 r/min等高速油脂潤滑電主軸，其在高速性、低溫升、較長壽命、較長精度保持性等方面滿足電主軸使用要求，并取得了較好的使用效果。

3 結束語

本文通過120MD48Y5.8電主軸（油霧潤滑改為油脂潤滑）采用不同品牌的高速密封角接觸球軸承的進行跑合試驗，對跑合數據進行分析，從而驗證高速電主軸油霧潤滑改為油脂潤滑的可行性。同時，通過數據驗證為高速油脂潤滑電主軸的開發提供參考。

［1］熊萬里，陽雪兵，呂浪，等.液體動靜壓電主軸關鍵技術綜述［J］.機械工程學報，2009，45（9）：1-18.

［2］姚銀歌，郭麗娟，王廣輝.電主軸軸承油氣潤滑試驗分析［J］.軸承，2012（10）：32-34.

［3］李澤強，潘奔流，王健，等.高速電主軸用脂潤滑軸承性能試驗［J］.軸承，2011（6）：29-32.

［4］王多亮，任子晶，趙燕.高速鐵路軸承疲勞壽命淺析［J］.哈爾濱軸承，2011，32（2）：8-10.