第四章 電機軸承潤滑選擇和應用

第一節 電機軸承潤滑脂知識簡介

一、電機軸承潤滑設計概述

對于機械結構而言，控制系統是大腦，傳感器是神經，機械裝置是骨骼肌肉，軸承是心臟，而潤滑是血液。執行機構執行各種動作，軸承從物理角度減少摩擦，那么潤滑劑就是從化學角度減少摩擦。

（一）電機潤滑設計的基本步驟

電機會經歷設計、生產制造、運輸、儲存、使用維護、維修等階段，這些階段構成了電機產品的生命周期。電機中的潤滑在電機的生命周期主要包含兩大階段，共6個步驟。

1）電機生產設計制造階段：電機設計人員需要根據電機工況選擇合適的潤滑，同時還需要對電機軸承潤滑的壽命進行計算；電機設計人員需要計算初次潤滑的注入量，電機生產人員需要按照規定的量采用正確的方法將油脂注入軸承。

2）電機的使用維護階段：電機使用和維護人員需要正確地選擇補充油脂，他們需要了解補充潤滑應該需要的劑量，同時還需要采用正確的方法將潤滑劑補充到軸承內部。

總結起來，兩個階段的潤滑工作都會面臨“用什么？”“怎么用？”“用多少？”等幾個問題，如圖4-1所示。

在討論這幾個具體步驟之前，先簡單地介紹一些潤滑的基本知識，包括：①潤滑劑及潤滑基本原理；②潤滑劑（潤滑脂、潤滑油）的性能指標。

電機中通常使用的潤滑介質主要是潤滑油和潤滑脂。當然，個別領域也有使用固體潤滑的，由于實際使用不多，本書不予介紹。

（二）潤滑油和潤滑脂簡介

潤滑油是復雜碳氫化合物的混合物，通常的潤滑油由基礎油和添加劑兩個部分組成。其中起潤滑作用的主要是基礎油。

潤滑脂（也被稱作油脂）是半固體狀潤滑介質，通常由基礎油、增稠劑和添加劑組成。基礎油主要承擔潤滑作用，增稠劑除了保持基礎油以外也起到一定的潤滑作用。

潤滑油和潤滑脂中的添加劑（抗氧化潤滑劑和極壓添加劑等）會使兩種潤滑介質具有更好的性能。

關于潤滑脂和潤滑油的特性的對比如下：

1）潤滑脂：具有良好的附著性能、油路設計簡單、便于安裝維護；附著在軸承上，防止軸承受到污染；立式安裝電機使用方便；由于黏度原因有一定的發熱，因此在某些高速領域無法勝任。

2）潤滑油：具有很好的流動性，需要專門的油路設計，以及相應的附屬設備；由于黏度較低，在高速場合可以適用；可以適用于油氣潤滑，以達到超高轉速的潤滑；使用循環潤滑可以起到冷卻作用；發熱少。

一般電機中最經常使用的是潤滑脂。潤滑油只有在中大型電機的一些場合下才會使用。如果使用潤滑油，那么相應的潤滑油路、密封、過濾、油站等設計就不可或缺。

本章內容著重介紹潤滑脂的潤滑。

二、潤滑脂的主要性能指標和檢測方法

（一）主要性能指標

了解潤滑脂的一些主要性能指標及其含義，有助于后續對潤滑脂的選擇。

潤滑脂的性能指標包含色別（外觀）、黏度（或稱為稠度、用錐入度計量，錐入度曾用名為“針入度”）、耐熱性能（滴點、蒸發量、高溫錐入度、鋼網分油、漏失量）、耐水性能、機械安定性、耐壓性能、氧化安定性、機械雜質、防蝕防銹性、分油、壽命、硬化、水分等多項，其中主要質量指標有滴點、錐入度、機械雜質、機械安定性、氧化安定性、防蝕防銹性等。下面著重介紹其中的黏度和滴點。

1.黏度

黏度是一種測量流體不同層之間摩擦力大小的度量。

潤滑脂中所含有的基礎油的黏度就是指基礎油不同層之間的摩擦力大小。這是一個潤滑選擇重要的指標。通常用厘沲（cSt）表示，單位為m²/s。基礎油的黏度是一個隨溫度變化而變化的值。一般地，隨著溫度的升高，基礎油的黏度將變小。在計量時，一般都用40℃作為一個溫度基準。因此一般潤滑油和潤滑脂都會提供40℃時的基礎油黏度值。

2.黏度指數

潤滑劑的黏度隨著溫度變化而變化的快慢程度，用黏度指數表示。有的潤滑劑廠商給出黏度指數的指標，有的則給出兩個溫度值（40℃和100℃）時的基礎油黏度，用以標識基礎油黏度隨溫度的變化。

3.錐入度

對于潤滑脂而言，其黏度通常用錐入度試驗進行計量。潤滑脂的黏度在很大程度上取決于使用增稠劑的種類和濃度。錐入度的單位是mm/10。

4.NLGI黏度代碼

根據潤滑脂不同的錐入度，將潤滑脂的黏度進行編碼，稱為NLGI黏度代碼，具體內容如表4-1所示。

我們經常提及的電機中最常用的2號脂和3號脂，指的就是所用潤滑脂的NLGI黏度代碼為2或3。從表格4-1中可以看到，2號脂的錐入度大于3號脂，也就是說2號脂潤滑比3號潤滑脂“軟”，或者叫“稀”。

5.滴點

滴點是在規定條件下達到一定流動性的最低溫度，通常用攝氏度（℃）表示。對潤滑脂而言，就是對潤滑脂進行加熱，潤滑脂將隨著溫度上升而變得越來越軟，待潤滑脂在容器中滴第一滴或者柱狀觸及試管底部時的溫度，就是潤滑脂由半固態變為液態的溫度稱為該潤滑脂的滴點。它標志著潤滑脂保持半固態的能力。滴點溫度并不是潤滑脂可以工作的最高溫度。潤滑脂工作的最高溫度最終還要看基礎油黏度等其他指標。把滴點作為潤滑脂最高溫度的衡量方法實不可取。

也有經驗之談，認為潤滑脂滴點溫度降低30～50℃即可認為是潤滑脂的最高工作溫度。這個經驗之談的結論有一定依據，但是依然要校核此溫度下的基礎油黏度方可定論。

（二）潤滑脂的滴點、錐入度和機械雜質含量簡單定義和檢測方法

1.簡單定義、說明和正規的檢測方法

潤滑脂的滴點、錐入度、機械雜質含量3個主要指標的簡單定義、說明和正規的檢測方法見表4-2。

2.簡易鑒別方法

（1）皂基的鑒別 把潤滑脂涂抹在銅片上，然后放入熱水中，如果潤滑脂和水不發生反應，水不變色，說明是鈣基脂、鋰基脂或鋇基脂；若潤滑脂很快溶于水，變成牛奶狀半透明的乳白色溶液，則是鈉基脂；潤滑脂雖然能溶于水，但溶解速度很緩慢，說明是鈣鈉基脂。

（2）纖維網絡結構破壞性的鑒別 把涂有潤滑脂的銅片放入裝有水的試管中并不斷轉動，若沒有油質分離出來，表明潤滑脂的組織結構正常，如果有油珠浮上水面，說明該潤滑脂的纖維網絡結構已破壞，失去了附著性，不能繼續使用。究其原因主要是保管不善、經受振動、存放過久等。

（3）機械雜質的檢查 用手指取少量潤滑脂進行捻壓，通過感覺判斷有無雜質，或者把潤滑脂涂在透明的玻璃板上，涂層厚度約為0.5mm，在光亮處觀察有無機械雜質。

三、潤滑的基本原理

（一）潤滑的基本狀態與油膜的形成機理

軸承的潤滑劑分布在滾動體和滾道之間，將兩者分隔開來，避免金屬之間的直接接觸，同時減少摩擦。通常而言，潤滑大致有邊界潤滑、混合邊界油膜潤滑和流體動力潤滑3種基本狀態，如圖4-2所示。

1）在邊界潤滑狀態，油膜厚度約為分子級大小，因此，此時的潤滑幾乎是金屬之間的直接接觸。

2）在混合油膜潤滑狀態，運動表面分離，油膜達到厚膜狀態，但存在部分金屬直接接觸。

3）在流體動力潤滑狀態，較厚的油膜受載呈現彈性流體特性，金屬被油膜分隔。

使用潤滑劑的目的就是避免金屬和金屬之間的直接接觸而減小摩擦，因此在實際潤滑過程中是期望達到不出現邊界潤滑的狀態。

1902年，德國人斯特里貝克（Stribeck）通過研究，揭示了潤滑劑黏度、速度、負荷與摩擦系數之間的關系，這些內容成為了奠定潤滑研究的最重要的理論。這就是如圖4-3所示的著名的斯特里貝克曲線（Stribeck Curve）。

這個曲線清楚地揭示了黏度、速度、負荷和摩擦系數的關系。這里所說的摩擦副（面）是指廣泛意義的摩擦表面，關于具體理論分析可以參閱相關資料，在此不做過多介紹。

對于軸承這種特殊的摩擦副，我們不妨用一個很簡單的例子來說明其潤滑的基本原理以及相關因素（普通摩擦副中潤滑劑的擠壓性極其重要，而軸承中除了這個因素以外，楔形空間的存在也十分關鍵。僅作為后續理解的參考）。

圖4-4展示的是滑水運動的場景，在這個場景中，我們對滑水運動員的運動狀態進行分析（滑水運動員的受力狀態參見圖4-5）。

滑水運動員受到重力G、繩子拉力P和浮力F，同時滑水板和水平面有夾角α。

其中水平面對滑板浮力向上的分量為F₁=Fcosα。

當F₁=G時，人就可以在水面上浮起來。從式F₁=Fcosα可以看出，要使浮力向上的分量達到人體重力時，必須要有傾斜角α以及足夠大的浮力F。

這個例子可以直接類比為潤滑狀態。人浮在水面上，可以類比成軸承滾動體浮在油膜上。因此，要形成潤滑就必須有一個仰角α。這就是通常所說的潤滑形成的一個必要條件——就是要有一個楔形空間。

對于一套軸承，給定了滾動體和滾道的形狀，當滾動體和滾道接觸時，其接觸面楔形空間的楔形角就已經固定。

當軸承在某給定工況運行時，其負載已定，也就相當于滑水運動員的重力已確定。

由此可見，確定“浮力”的三個因素：重力（軸承的負荷）、楔形角（滾道和滾動體尺寸）和浮力，其中前兩個因素已經確定。因此，我們想“浮起”滾動體，只能在“浮力”上想辦法。

下面，讓我們來看看影響“浮力”的幾個因素。

（二）溫度、黏度和油膜形成的關系

試想兩個場景：①人在水面上被相同速度的快艇拉著滑行；②人在一池蜂蜜上被相同速度的快艇拉著滑行。顯然處在蜂蜜上的人，更容易浮出水面。但是相應的，拉著在蜂蜜上滑行的人要比拉著在水面上滑行的人需要花更大的力氣。兩個場景最大的區別就在于蜂蜜和水的黏度不同。

相同的類比到軸承潤滑場景。形成油膜相當于把滾動體浮起來，黏度越大的潤滑劑，就越容易實現這個目標。而相應的，在相同的速度下，黏度越大的潤滑劑形成潤滑所產生的阻力就越大。這些阻力在潤滑里以發熱的方式表現出來。

我們都知道，潤滑劑的基礎油黏度隨著溫度上升而降低。因此溫度越高，基礎油黏度就越低，反之亦然。

由此可以得到結論：溫度越高，越不容易形成油膜。因此，在溫度高的情況下必須選擇基礎油黏度大的潤滑劑，以保證在較高溫度時有足夠的黏度。

相應的，溫度越低，越容易形成油膜，同時也引起較多的發熱。因此，溫度越低時必須選擇基礎油黏度較小的潤滑劑，以避免過多的發熱。

（三）轉速和油膜形成的關系

小孩子經常會好奇，為什么滑水的人可以站在水面上，而我們平時無法站在水面上。如果仔細觀察滑水運動員也會發現，在最開始時，運動員并不是站在水面上的，隨著快艇速度的提高，運動員開始浮出水面。也就是說，即便滑水板的楔形空間已定，若需要產生浮力，還是需要一定的相對速度。只有當速度足夠高，人才能浮出水面，速度越快，滑水板受到向上的浮力就越大。當速度達到一定值時，滑水運動員甚至可以飛離水面直至減速后落回水平。

類比到軸承潤滑，在相同黏度、相同負荷時，轉速高的容易形成油膜，反之亦然。

另一方面，轉速越高，潤滑發熱就越多。因此在高轉速的情況下，會選擇基礎油黏度低的潤滑，以減少發熱。

對于低轉速的工況，形成油膜的因素不利，因此選擇基礎油黏度高的油脂進行補償，以形成油膜。

對于極低轉速，即使使用很高基礎油黏度的油脂，依然不能形成油膜，因此需要考慮在油脂內部添加極壓添加劑的方式來達成潤滑效果。

二硫化鉬是電機生產廠經常使用的一種極壓添加劑，在極低轉速時，二硫化鉬通過分子間的特殊結構為滾動體和滾道之間形成一道潤滑屏障。但是二硫化鉬也有其應用限制。首先在溫度高于80℃的場合，不適用二硫化鉬添加劑；其次，在轉速比較高的場合下，二硫化鉬不僅無法發揮作用，反倒充當了磨料的作用，對滾動體和滾道造成表面損傷（表面疲勞）。

由上述論述可知，如果電機轉速因素或者油脂的基礎油黏度因素足夠形成油膜，那么使用極壓添加劑不但不會發揮其應有的作用，還會造成材料的浪費，并有可能造成類似于二硫化鉬磨損軸承的損害。

（四）負荷和油膜形成的關系

還是用滑水運動員的例子來看，假設水池不變、快艇速度不變、滑水板傾角一樣。一個體重大的人和一個體重小的人在滑行，很顯然，體重小的更容易浮出水面。

類比于軸承潤滑，在給定軸承轉速和所用基礎油黏度時，負荷輕的情況相較于負荷重的情況更容易形成油膜。

由此可知，在重載的情況下，需要提高油脂的基礎油黏度，以補償重載不利于形成油膜的因素來建立油膜。

在輕載的情況下，可以采用基礎油黏度低的油脂，這樣既可以保證油膜的形成，也可避免由于基礎油黏度過高而產生的發熱問題。

四、電機軸承潤滑與溫度、轉速、負荷的關系

前面我們提及的軸承溫度、轉速、負荷的高中低的定義如下。

（一）溫度

對于軸承溫度高低的定義見表4-3。

（二）轉速

通常考量軸承轉速用的指標是ndm值，即軸承內外直徑的平均值[（d+D）/2]與軸承運行轉速n的乘積，即

式中 n——軸承轉速（r/min）；

d——軸承內徑（mm）；

D——軸承外徑（mm）。

對軸承轉速高低的定義見表4-4。

（三）負荷

衡量負荷輕重通常用負荷比C/P值（其中，C代表額定動負荷，單位用KN；P代表當量負荷，單位用kN）來區分。輕重的劃分規定見表4-5。

用上面的劃分可以對工程實際中的工況做大致分類。在前面的分析中可以看出，溫度、轉速、負荷是軸承潤滑建立的最關鍵因素。對于電機而言，軸承、負荷、轉速、溫度等諸多因素都是已經給定的，因此電機設計人員只能在選擇油脂基礎油黏度上動腦筋，以平衡各方面關系，在達成良好潤滑的同時不至于過熱。

綜合諸多因素，我們可以歸納電機軸承潤滑選擇的基本原則見表4-6。

在這個基礎原則之上，我們需要平衡溫度、轉速、負荷三者之間的關系。所有的潤滑選擇都是一個平衡，甚至有時需要一些妥協。

這種妥協在齒輪箱行業尤為突出，設計工程師既要照顧高速軸的高速輕載，又需要估計低速軸的低速重載。兩者之間本身就是相互矛盾的，而在齒輪箱中又都是使用同一個齒輪油進行潤滑。這就要考驗設計人員的平衡能力。

五、不同成分潤滑脂的兼容性

原則上講，不同成分的潤滑脂是不能混用的。這一點在對軸承第一次注脂時是很容易做到的。但在機械運行過程中，補充或更換油脂時，則往往會因為一時找不到原用品種或其他客觀和主觀原因而使用另一品種的潤滑脂，造成不同成分混用的結果。

不同成分混用后，有時沒有出現異常，有時則會出現油脂稀釋或板結、變色等現象，造成潤滑作用降低，最終損壞軸承的嚴重后果。之所以出現上述不同的結果，涉及不同成分的潤滑脂之間的兼容性問題。混用后作用正常的，說明兩者是兼容的，否則是不兼容的。

表4-7和表4-8分別給出了常用潤滑脂基礎油和增稠劑是否兼容的情況，供使用時參考。表中：“+”為兼容；“×”為不兼容；“？”為需要測試后根據反映情況決定。對表中所列不兼容的品種應格外加以注意。