第1期(总第134期)2006年2月机械工程与自动化M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G & AU TOM A T I ON N o 11Feb 1文章编号:167226413(2006)0120037203高速电主轴轴承油气润滑系统的研究闫大鹏,吴玉厚,张 柯(沈阳建筑大学交通与机械工程学院,辽宁 沈阳 110168)摘要:高速电主轴轴承高速旋转时,轴承内部将产生大量摩擦热,从而影响轴承刚度性能及高速性能,轴承润滑可以减少热量的产生,降低温升。
油气润滑系统相对于其它润滑系统更适应于高速主轴轴承的润滑要求。
对油气润滑的工作原理及其优越性等方面进行了分析。
关键词:高速电主轴;油气润滑;研究中图分类号:TH 133133∶TH 11712 文献标识码:A国家自然科学基金资助项目(50475167);辽宁省自然科学基金资助项目(20042002)收稿日期:2005208229作者简介:闫大鹏(19792),男,辽宁铁岭人,硕士研究生。
0 引言滚动轴承润滑的目的是减少轴承内部摩擦及磨损,防止烧粘,延长疲劳寿命,排出摩擦热,冷却轴承。
传统的滚动轴承润滑方法,如油杯润滑法、飞溅润滑法、循环润滑法、油雾润滑法和脂润滑等均已不能满足高速主轴轴承对润滑的要求。
这是因为高速主,而且对供油量也有着严格要求。
通过大量实验数据建立了轴承的温升与供油量之间的关系曲线(见图1)。
由该曲线可以看图1 电主轴轴承温升与供油量的关系曲线出:轴承的温升随着供油量的增大做非单调的变化,即为了取得最佳润滑效果,供油量过多或过少都是有害的。
而前几种润滑方法均无法准确地控制供油量多少,仅适用于中、低速滚动轴承润滑,而油雾润滑系统也很难可靠地向各个轴承供应油量几乎恒定不变的润滑油,使各个摩擦点的油量始终处于一种波动状态,时多时少的润滑油量不利于主轴轴承转速的提高和寿命的提高。
而新近发展起来的油气集中润滑系统则可以精确地控制各个摩擦点的润滑油量,可靠性极高,因而可在高速主轴轴承领域应用。
1 油气润滑的原理油气润滑技术就是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承,微小油滴在滚动体和内外滚道间形成弹性动压油膜,而压缩空气则带走轴承运转所产生的部分热量。
油气润滑系统的工作原理见图2。
每隔一定时间由定量柱塞泵分配器定量输出的微量润滑油,在混合阀中与压缩空1——浮动开关;2——油箱;3——柱塞泵+分配器;4——混合阀;5——喷嘴;6——压力开关(空气);7——压力控制阀;8——压缩空气入口;9——方向阀图2 油气集中润滑系统原理图气混和后,经内径2mm ～4mm 的尼龙管以及安装在轴承近处的喷嘴进入轴承内,停留在摩擦点处。
油气在尼龙管中的流动状态见图3。
由图3可以看出经混合阀输出的油气应该称为“油+气”,微小油图3 油气在尼龙管中的流动状态滴沿管壁波状分布,油和气实际上是呈分离状态的,并且由流动的压缩空气带着管壁上波状分布的润滑油一起连续不断地向前输送。
2 油气润滑系统的组成图4为油气润滑装置结构示意图。
211 供油部分供油部分主要由油泵、油箱、溢流阀、过滤器和压力控制器、递进式给油器组成,各元件都是根据系统的供油量选定的。
油泵为2台,1台工作,1台备用,通过电子监控装置启动或停止。
由于油气润滑的耗油量比较小,所以泵的排量一般比较小,工作压力较高。
1——供气阀;2——压力气开关;3——压力油开关;4——油泵电动机;5——控制器;6——油气输出;7——分配阀;8——油过滤器;9——油泵;10——空气过滤调节器图4 油气润滑装置结构示意图212 供气部分供给的压缩空气应该清洁而干燥,必须先经过油水分离及空气过滤。
当油气润滑系统启动时,压缩空气由电磁阀接通,经过减压使排出的气压为014M Pa ～016M Pa ,在排气管线上装有压力控制器以保证工作中有足够的气压。
213 油气混合部分油和气在混合器中混合,要使油能很好地雾化成油滴,均匀地分散在管道内表面。
油气混合有多种规格的供油量可供选择。
如果润滑点在两个以上,油气混合物还必须经油气分配阀均匀地和适量地供给每个润滑点。
油和压缩空气在油气混合块中进行混合。
图4是递进式分配器和油气混合块集成在一起的情况,块的上部是递进式分配器而下部是油气混合块,递进式分配器输出的油直接进入油气混合块中和压缩空气混合输出的就是油气了。
214 油气分配部分油气混合体在进入各个摩擦副之前,应该按摩擦副的需要均匀地被分配供给,油气分配器是具有上述功能的一个部件。
在润滑点相对较少的场合,也可不使用油气分配器,而是将从油气混合器出来的油气混合体直接供给各个摩擦副。
3 油气润滑技术的主要优点油气润滑系统克服了油雾润滑及油脂润滑的缺点,具有如下众多的优点:(1)可以根据实际需要选择润滑点数和各润滑点所需要的油量,并节约润滑剂。
因为油雾可以任意扩散,几乎不可能对单个轴承定量供油,油脂润滑的一次加脂根本谈不上定量供应,而油气润滑的油则以微滴形式进入轴承,所以润滑点数可以在油路设计时任意控制,各润滑点的油量可以通过油气装置定时、定量单独供应,这样就易于实现按需供应,避免浪费,因而油的用量只占油雾润滑的1 10。
(2)油气润滑可保持轴承承载部位的摩擦点总有新鲜的润滑剂。
而油脂润滑的油脂有一定的使用周期,在前期润滑油较多,易搅动发热,到后期则不足,不能形成良好的润滑条件,由于补充油脂时操作繁琐,在实际应用中大多是一次性加脂直到轴承更换为止。
(3)油气润滑可使轴承温升减小。
试验证明,在相同的转速下,同一型号、同样工况的主轴轴承使用油气润滑可以比用油雾润滑外圈温升降低9℃～16℃;若保持轴承外圈温升相同,则油气润滑可使轴承速度因数提高25%以上。
(4)油气润滑对环境无污染或少污染。
由于“油+气”通过轴承之后排出的基本是压缩空气,本身不含油或含油量极少,较之油雾润滑,更利于操作者健康。
(5)由于轴承内部不断有新鲜润滑油补充和新鲜空气流出,外来杂质很难进入,内部污物也易排出,因而可以提高轴承的使用寿命。
4 油气润滑系统的技术要求油气集中润滑系统是将具有一定压力的压缩空气和润滑油混合后,形成条纹状油液微滴,进入轴承内・83・ 机械工程与自动化 2006年第1期 部摩擦点处,因而对润滑油和压缩空气均有一定技术要求。
411 润滑油的技术要求选择润滑油时,要确保油膜不能太厚。
因为当油膜很薄时,油的黏度增大未必会相应地增大摩擦力矩。
所以,在相同使用条件下,要选择比样本提供的参考黏度值大5倍～10倍的润滑油,以确保有良好的黏度和润滑性能。
ISOV G 32～ISOV G 100导轨油是很适合的;在重载条件下还可选用耐高压含有添加剂的油。
应避免使用黏度在ISOV G 22以下的润滑油。
禁止使用含有二硫化钼添加剂的润滑油,因为这种润滑油中的二硫化钼会停留在喷嘴内孔处,从而阻塞喷嘴;此外,二硫化钼的喷镀作用也会增大轴承粗糙度,加剧磨损。
412 润滑油量的选用润滑油量一直是轴承使用者非常关心的问题,使摩擦转矩和轴承温度达到最佳数值时所需的油量是比较少的。
过多的润滑油只能增加轴承的搅油损耗而使轴承温升增大。
由图1可以看出轴承的温升随供油量的变化不是单调的,对于不同的轴承来说,该趋势具有共性。
有文献介绍可以用以下公式近似计算轴承所需要的润滑油用量Q (mm 3 h ):Q =W dB 。
(1)…………………………………式中:W ——系数,W =0101mm h ;d ——轴承内径,mm ;B ——轴承宽度,mm 。
413 压缩空气的技术要求压缩空气必须干燥,且过滤精度应在3Λm 以上,如果条件许可,还可以配置一个具有自动排水功能的常规水分干燥器将水分分离出来。
为了准确无误地传送润滑油,内径为2mm ～4mm 的管子里空气总流量大致为20L m in ～50L m in 。
空气压力必须与流量、管路长度、管路内径、轴承的内压力损失相匹配。
对于技术参数一定的油气集中润滑系统而言,改变润滑周期和空气压力是允许的。
为了克服轴承内部的背压,进入轴承内部的压缩空气必须具备一定压力,一般为013M Pa ～015M Pa ,轴承入口处压力不应低于0115M Pa ～012M Pa 。
5 油路及供油方式设计由于油气润滑每次仅有很少量的润滑剂进入轴承摩擦部位,为了使高速主轴轴承达到理想的润滑状态,油路及供油方式的设计非常严格。
高速电主轴常用轻系列角接触球轴承,供油最佳润滑方式为从一边进入轴承内部,如图5(a )所示,喷嘴孔应与内圈齐平,不能指向保持架。
但在实际应用中,由于尺寸所限往往采用图5(b )的结构。
在油路设计时要尽量避免管子截面的变化,尽量减少油路弯折,如果结构所限,则尽量保持变化部位的光滑过渡。
同时,要保证“油+气”中气体的出口畅通。
图5 轴承的供油方式6 结论油气润滑技术将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承,并具有节能环保等优点,可靠性极高。
但其对润滑油、压缩空气以及油路和供油方式都有一定的技术要求,所需设备复杂,成本很高。
但是这些必将为高速电主轴未来的发展开辟新的途径,因此可在高速主轴轴承领域广泛应用。
参考文献:[1] 杨柳欣,李松生.高速电主轴轴承的油气润滑及其应用[J ].轴承,2003(3):23225.[2] 张松,韩晓红.高速主轴轴承的油气集中润滑系统[J ].制造技术与机床,2000(4):23225.[3] 于兆勤,方富 ,肖曙红,等.高速电主轴热态特性的研究[J ].广东工学院学报,1995,12(增刊):75279.Research on O il -a ir L ubr ication System of H igh -speed Electr ic Sp i ndleYAN Da -peng ,W U Y u -hou ,ZHANG Ke(T raffic and M echanical Engineering Schoo l ,Shenyang J ianzhu U niversity ,Shenyang 110168,Ch ina )Abstract :W hen the bearing of h igh 2speed sp indle is on h igh 2speed ro tati on ,there w ill be fricti on heat in side the bearing ,so that the rigidity and h igh 2speed perfo rm ance of bearing are influenced .L ub ricating bearing cou ld reduce the heat p roducing and temperatu re rising .Compared w ith o ther lub ricati on system s ,the o il 2air lub ricati on system is mo re app licab le fo r the bearing of h igh 2speed sp indle .T h is paper analyzes the w o rk ing p rinci p le and superi o rity of the o il 2air lub ricati on .Key words :h igh 2speed electric sp indle ;o il 2air lub ricati on ;research・93・ 2006年第1期 闫大鹏,等:高速电主轴轴承油气润滑系统的研究。
