高速主軸軸承的油-氣集中潤(rùn)滑系統(tǒng)

1　前言


近幾年來(lái)，隨著刀具材料和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，在許多工程領(lǐng)域，以滾動(dòng)軸承為支承的主軸和軸的旋轉(zhuǎn)速度不斷提高，甚至超過(guò)了滾動(dòng)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(duì)軸承的設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求，并且對(duì)潤(rùn)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(dòng)軸承潤(rùn)滑目的是減少軸承內(nèi)部摩擦及磨損，防止燒粘，延長(zhǎng)疲勞壽命，排出摩擦熱，冷卻。傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑方法，如：油浴潤(rùn)滑法、油杯潤(rùn)滑法、飛濺潤(rùn)滑法、循環(huán)潤(rùn)滑法和油霧潤(rùn)滑法等均已不能滿足高速主軸軸承對(duì)潤(rùn)滑的要求。這是因?yàn)楦咚僦鬏S軸承不僅對(duì)油的粘度有嚴(yán)格要求，而且對(duì)供油量也有著嚴(yán)格要求。FAG公司通過(guò)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(rùn)滑效果，供油量過(guò)多或過(guò)少都是有害的。而前5種潤(rùn)滑方法均無(wú)法準(zhǔn)確地控制供油量多少，僅適用于中、低速滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑，而油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)也很難可靠地向各個(gè)軸承供應(yīng)油量幾乎恒定不變的潤(rùn)滑油，使各個(gè)摩擦點(diǎn)的油量多少始終處于一種波動(dòng)狀態(tài)，時(shí)多時(shí)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(lái)的油-氣集中潤(rùn)滑系統(tǒng)則可以精確地控制各個(gè)摩擦點(diǎn)的潤(rùn)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(rùn)滑系統(tǒng)的工作原理



圖2　油-氣集中潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖
1.浮動(dòng)開(kāi)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(kāi)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(rùn)滑系統(tǒng)是最近發(fā)展起來(lái)的一種所需油量最少的新技術(shù)，被稱(chēng)為理性潤(rùn)滑方法，確保潤(rùn)滑的高效性及降低磨損，尤其適用于高速旋轉(zhuǎn)的滾動(dòng)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(rùn)滑系統(tǒng)工作原理如圖2所示，每隔一定時(shí)間(1～60min)由定量柱塞泵分配器定量輸出的微量潤(rùn)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(rùn)滑系統(tǒng)的技術(shù)要求


油-氣集中潤(rùn)滑系統(tǒng)是將具有一定壓力的壓縮空氣和潤(rùn)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(duì)潤(rùn)滑油和壓縮空氣均有一定技術(shù)要求。

3.1　潤(rùn)滑油的技術(shù)要求

選擇潤(rùn)滑油時(shí)，要確保油膜不能太厚。其原因在于：當(dāng)油膜很薄時(shí)，油的粘度增大未必會(huì)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(rùn)滑油，以確保有良好的粘度和潤(rùn)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(rùn)滑油。

禁止使用含有二硫化鉬添加劑的潤(rùn)滑油，因?yàn)檫@種潤(rùn)滑油中的二硫化鉬會(huì)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(huì)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(lèi)型NNU4926；轉(zhuǎn)速n=2000r/min；
力F=2000N；潤(rùn)滑油粘度v=32mm/s(t=40℃)


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

為了準(zhǔn)確無(wú)誤地傳送潤(rùn)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(zhǎng)度、管路內(nèi)徑、軸承的內(nèi)壓力損失相匹配。

對(duì)于技術(shù)參數(shù)一定的油-氣集中潤(rùn)滑系統(tǒng)而言，改變潤(rùn)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(rùn)滑油量計(jì)算及供油方式設(shè)計(jì)

4.1　軸承潤(rùn)滑油量計(jì)算

滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑所需的油量在很大程度上取決于軸承類(lèi)型、供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑油類(lèi)型等因素。很難給出一個(gè)適合任何情況，具有廣泛適用性的簡(jiǎn)單明了的公式。具有油液自動(dòng)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(dòng)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(shí)，其差異更明顯(圖3)。通過(guò)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(rùn)滑效果，還需通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)修正供油量多少。

4.2　供油方式設(shè)計(jì)

對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的軸承，為了可靠地將潤(rùn)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(rùn)滑方式完全取決于軸承類(lèi)型和配置方式(圖4a)。對(duì)單列軸承而言，最佳潤(rùn)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(shí)(如角接觸球軸承)，潤(rùn)滑油必須按上述方向進(jìn)入軸承內(nèi)部。若條件許可，潤(rùn)滑油最好經(jīng)過(guò)一個(gè)特制噴管后再進(jìn)入軸承內(nèi)部。噴管長(zhǎng)度取決于軸承大小，直徑為0.5～1.0mm。也允許把潤(rùn)滑油送到軸承外圈處(圖4b)。在這種情況下，要注意察看潤(rùn)滑油是否進(jìn)入了鋼球與外圈之間形成的壓力區(qū)域。對(duì)雙列軸承而言，潤(rùn)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(duì)軸承充分潤(rùn)滑。

當(dāng)軸承外徑介于150～280mm時(shí)，需要再增加一個(gè)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(gè)泄油管，其長(zhǎng)度大于5mm。

為了滿足現(xiàn)代機(jī)床高速主軸對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的要求，對(duì)油-氣集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的各個(gè)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?rùn)滑油類(lèi)型、潤(rùn)滑方法、潤(rùn)滑量以及軸承類(lèi)型、軸承配置等因素均對(duì)軸承轉(zhuǎn)速提高有著決定作用。