高速主軸軸承的油-氣集中潤滑系統(tǒng)

1　前言


近幾年來，隨著刀具材料和自動化技術(shù)的發(fā)展，在許多工程領(lǐng)域，以滾動軸承為支承的主軸和軸的旋轉(zhuǎn)速度不斷提高，甚至超過了滾動軸承樣本給定的極限值。目前，中型數(shù)控機(jī)床和加工中心的主軸最高轉(zhuǎn)速已達(dá)到10000r/min左右，而FIDIA仿形加工系統(tǒng)的主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)到100000r/min。內(nèi)圓磨床為達(dá)到足夠的磨削速度，磨削小孔的砂輪已高達(dá)240000r/min。不僅對軸承的設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求，并且對潤滑系統(tǒng)的研制提出了特殊要求。

圖1　雙列圓柱滾子軸承的摩擦力矩、溫升與供油量之間的關(guān)系
滾動軸承潤滑目的是減少軸承內(nèi)部摩擦及磨損，防止燒粘，延長疲勞壽命，排出摩擦熱，冷卻。傳統(tǒng)的滾動軸承潤滑方法，如：油浴潤滑法、油杯潤滑法、飛濺潤滑法、循環(huán)潤滑法和油霧潤滑法等均已不能滿足高速主軸軸承對潤滑的要求。這是因?yàn)楦咚僦鬏S軸承不僅對油的粘度有嚴(yán)格要求，而且對供油量也有著嚴(yán)格要求。FAG公司通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了雙列圓柱滾子軸承的摩擦力矩、溫升與供油量之間的關(guān)系曲線(圖1)。該曲線很好地表達(dá)了最小摩擦力矩、最低溫升與最少供油量之間的關(guān)系，即為了取得最佳潤滑效果，供油量過多或過少都是有害的。而前5種潤滑方法均無法準(zhǔn)確地控制供油量多少，僅適用于中、低速滾動軸承潤滑，而油霧潤滑系統(tǒng)也很難可靠地向各個軸承供應(yīng)油量幾乎恒定不變的潤滑油，使各個摩擦點(diǎn)的油量多少始終處于一種波動狀態(tài)，時多時少，不利于主軸軸承轉(zhuǎn)速的提高和壽命的提高。而新近發(fā)展起來的油-氣集中潤滑系統(tǒng)則可以精確地控制各個摩擦點(diǎn)的潤滑油量，可靠性極高，因而可在高速主軸軸承領(lǐng)域應(yīng)用。

2　油-氣集中潤滑系統(tǒng)的工作原理



圖2　油-氣集中潤滑系統(tǒng)原理圖
1.浮動開關(guān)　2.油箱　3.變量柱塞泵+分配器　4.混合閥　5.噴嘴　6.壓力開關(guān)(空氣)　7.壓力控制閥　8.壓縮空氣入口　9.方向閥
油-氣集中潤滑系統(tǒng)是最近發(fā)展起來的一種所需油量最少的新技術(shù)，被稱為理性潤滑方法，確保潤滑的高效性及降低磨損，尤其適用于高速旋轉(zhuǎn)的滾動軸承，可應(yīng)用于機(jī)床制造業(yè)、紡織機(jī)械制造業(yè)等行業(yè)。油-氣集中潤滑系統(tǒng)工作原理如圖2所示，每隔一定時間(1～60min)由定量柱塞泵分配器定量輸出的微量潤滑油(0.01～0.06mL)與壓縮空氣管道中的壓縮空氣(壓力為0.3～0.5MPa，流量為20～50L/min)混和后，經(jīng)內(nèi)徑?2～4mm的尼龍管以及安裝在軸承近處的噴嘴進(jìn)入軸承內(nèi)，停留在摩擦點(diǎn)處。

3　油-氣集中潤滑系統(tǒng)的技術(shù)要求


油-氣集中潤滑系統(tǒng)是將具有一定壓力的壓縮空氣和潤滑油混合后，形成條紋狀油液微滴，進(jìn)入軸承內(nèi)部摩擦點(diǎn)處，因而對潤滑油和壓縮空氣均有一定技術(shù)要求。

3.1　潤滑油的技術(shù)要求

選擇潤滑油時，要確保油膜不能太厚。其原因在于：當(dāng)油膜很薄時，油的粘度增大未必會相應(yīng)地增大摩擦力矩。所以，在相同使用條件下，要選擇比樣本提供的參考粘度值大5～10倍的潤滑油，以確保有良好的粘度和潤滑性能。ISOVG32～I(xiàn)SOVG100導(dǎo)軌油是很適合的；在重載條件下還可選用耐高壓含有添加劑的油。應(yīng)避免使用粘度在ISOVG22以下的潤滑油。

禁止使用含有二硫化鉬添加劑的潤滑油，因?yàn)檫@種潤滑油中的二硫化鉬會停留在噴嘴內(nèi)孔處，從而阻塞噴嘴；此外，二硫化鉬的噴鍍作用也會增大軸承粗糙度，加劇磨損。

3.2　壓縮空氣的技術(shù)要求
實(shí)驗(yàn)條件：軸承類型NNU4926；轉(zhuǎn)速n=2000r/min；
力F=2000N；潤滑油粘度v=32mm/s(t=40℃)


壓縮空氣必須干燥，且過濾精度不大于3µm，如果條件許可的話，可以配置一個具有自動排水功能的常規(guī)水分干燥器將水分分離出來。

為了準(zhǔn)確無誤地傳送潤滑油，內(nèi)徑為f2～4mm的管子里空氣總流量大致為20～50L/min�？諝鈮毫Ρ仨毰c流量、管路長度、管路內(nèi)徑、軸承的內(nèi)壓力損失相匹配。

對于技術(shù)參數(shù)一定的油-氣集中潤滑系統(tǒng)而言，改變潤滑周期和空氣是允許的。為了克服軸承內(nèi)部的背壓，進(jìn)入軸承內(nèi)部的壓縮空氣必須具備一定壓力(0.3～0.5MPa)。一般而言，軸承入口處壓力不應(yīng)低于0.15～0.2MPa。

4　軸承潤滑油量計(jì)算及供油方式設(shè)計(jì)

4.1　軸承潤滑油量計(jì)算

滾動軸承潤滑所需的油量在很大程度上取決于軸承類型、供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)、潤滑油類型等因素。很難給出一個適合任何情況，具有廣泛適用性的簡單明了的公式。具有油液自動傳輸功能的軸承(如角接觸球軸承)所需油量大于不具有油液自動傳輸功能的軸承(如雙列圓柱滾子軸承)所需油量。尤其當(dāng)速度性系數(shù)(n.dm)值較大時，其差異更明顯(圖3)。通過大量實(shí)驗(yàn)，供油量Q的粗略計(jì)算公式如下:
圖4　供油方式


Q=WdB


式中　Q——供油量，mm3/h

　　　W——系數(shù)，0.01mm/h

　　　d——軸承內(nèi)徑，mm

　　　B——軸承寬度，mm

然而，實(shí)際供油量還要在此數(shù)值基礎(chǔ)上擴(kuò)大4～20倍。為了獲得最佳潤滑效果，還需通過實(shí)驗(yàn)來修正供油量多少。

4.2　供油方式設(shè)計(jì)

對于高速旋轉(zhuǎn)的軸承，為了可靠地將潤滑油送入軸承內(nèi)部，應(yīng)十分重視供油方式(如噴嘴形式、安裝位置等)的設(shè)計(jì)。軸承潤滑方式完全取決于軸承類型和配置方式(圖4a)。對單列軸承而言，最佳潤滑方式為從一邊進(jìn)入軸承內(nèi)部。噴嘴孔應(yīng)與內(nèi)環(huán)齊平，不能指向保持架。尤其當(dāng)軸承自身吸排油方向不易確定時(如角接觸球軸承)，潤滑油必須按上述方向進(jìn)入軸承內(nèi)部。若條件許可，潤滑油最好經(jīng)過一個特制噴管后再進(jìn)入軸承內(nèi)部。噴管長度取決于軸承大小，直徑為0.5～1.0mm。也允許把潤滑油送到軸承外圈處(圖4b)。在這種情況下，要注意察看潤滑油是否進(jìn)入了鋼球與外圈之間形成的壓力區(qū)域。對雙列軸承而言，潤滑油必須從與外圈滾道邊齊平的地方噴入軸承內(nèi)部，以對軸承充分潤滑。

當(dāng)軸承外徑介于150～280mm時，需要再增加一個噴嘴。

此外，為了防止在軸承底部形成油渣沉淀，需要安裝一個泄油管，其長度大于5mm。

為了滿足現(xiàn)代機(jī)床高速主軸對潤滑系統(tǒng)的要求，對油-氣集中潤滑系統(tǒng)的各個參數(shù)還要作進(jìn)一步詳細(xì)而精確的研究。這是因?yàn)椋簼櫥�油類型、潤滑方法、潤滑量以及軸承類型、軸承配置等因素均對軸承轉(zhuǎn)速提高有著決定作用。