第三節(jié) 電機軸承油路及潤滑設(shè)計

一、油路設(shè)計

電機軸承的油路設(shè)計可以算作電機軸承結(jié)構(gòu)布置的一部分，也可以算作潤滑設(shè)計的一部分。電機軸承油路設(shè)計是指電機內(nèi)部為軸承添加潤滑以及補充潤滑的通路。

對于中小型電機，有時候采用封閉軸承（帶密封件或者防塵蓋的軸承），通常這種封閉軸承都是終身潤滑軸承，也就是說油脂的壽命應(yīng)該比軸承壽命長，也就是說在軸承生命周期中不需要進行補充潤滑。所以對于這樣的軸承，不需要安排特定的潤滑油路。

對于開式軸承（目前只有中小型深溝球軸承和部分調(diào)心滾子軸承有封閉式結(jié)構(gòu)），軸承安裝完畢就需要施加潤滑。并且在軸承運行一段時間之后需要根據(jù)油脂的再潤滑時間間隔進行補充潤滑。所以對這類軸承的結(jié)構(gòu)布置就需要設(shè)計潤滑油路。

一般的油路設(shè)計包含進油、油路通道、排油三個環(huán)節(jié)。下面用一個例子來說明：

圖4-8是一個典型的雙深溝球軸承結(jié)構(gòu)示意圖，定位端置于主軸伸端，浮動端置于非主軸伸端。在主軸伸端外側(cè)有一個迷宮密封，內(nèi)側(cè)是橡膠密封。浮動端雙側(cè)使用橡膠密封。

對于定位端軸承，從圖4-8中可見，進油孔安排在軸承室的上端，對于軸承是從右側(cè)進油，排油孔布置在軸承室的下端，從軸承左側(cè)出油。

對于浮動端，進油孔布置在軸承室的上端，從軸承左側(cè)進油；排油孔安排在軸承室的下端，從軸承右側(cè)排油。

從上面的布置可以看到，電機軸承油路設(shè)計有兩個非常重要的原則：

第一，進油孔和出油孔必須位于軸承兩側(cè)。

第二，進油孔最好在軸承上端，排油孔最好在軸承下端。

確定這兩個原則的理由不難理解，就是要求補充潤滑時，①補充進去的油脂必須能夠流入軸承；②油脂從加入到排出必須流經(jīng)軸承。

這兩個原則不僅僅適用于兩個深溝球軸承結(jié)構(gòu)，同時也可以適用于所有的電機中軸承結(jié)構(gòu)布置。

在一些高速電機的應(yīng)用中，由于軸承轉(zhuǎn)速很高，因此軸承內(nèi)部所需的油脂量較小，因而需要頻繁地補充潤滑。這樣一來，就不能依賴軸承自然排油來實現(xiàn)這種條件。通常，電機生產(chǎn)廠使用“甩油盤”來進行排油。具體結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。

當電機運行時，速度越高，附著在甩油盤上的油脂就會越多地被甩出來，從而減少軸承腔內(nèi)的油脂，以避免過多的油脂攪拌發(fā)熱；同時，在補充潤滑時，多余的油脂也會在運轉(zhuǎn)時被甩油盤甩出。由于甩油盤甩油的量和電機轉(zhuǎn)速正相關(guān)，所以就形成了一個動態(tài)的排油系統(tǒng)，從而保證了軸承內(nèi)部的油脂量平衡。

甩油盤的結(jié)構(gòu)層尺寸推薦值見表4-9（參見圖4-10）。

二、軸承的初次潤滑

（一）電機軸承初次潤滑分析

電機油脂選擇完成之后，就要考慮軸承以及軸承室內(nèi)部油脂的添加量。軸承室內(nèi)部添加的油脂過多或者過少都會對軸承運行產(chǎn)生不利影響，而軸承潤滑問題帶來的電機軸承失效表征通常以溫度的形式表現(xiàn)出來。

圖4-11展示的是某臺電機油脂添加過多、過少和適量3種情況下軸承溫度和運行時間的記錄曲線。

油脂添加過多時，軸承攪拌過多的油脂發(fā)熱，電機持續(xù)出現(xiàn)軸承溫度過高。

油脂添加過少時，初始電機軸承溫度較低，但是油脂不足導致潤滑不良，后續(xù)電機軸承將出現(xiàn)因潤滑不良而引起的急劇溫升，甚至軸承燒毀。

油脂添加適量時，起初電機內(nèi)溫度較低，油脂黏度相對較大，油脂在軸承內(nèi)進行“勻脂”的過程中將產(chǎn)生較多的熱量，使軸承溫度很快升高。但當勻脂過程結(jié)束后，電機溫度達到穩(wěn)定溫度時，油脂黏度也將降低到正常值，電機軸承溫度將會回落到正常的穩(wěn)定值。這個時間的長短與電機的結(jié)構(gòu)、運行轉(zhuǎn)速、軸承結(jié)構(gòu)和所用油脂的類型等有關(guān)，一般需要幾個小時。

電機設(shè)計人員可以根據(jù)圖4-11中電機軸承溫度的趨勢對油脂填充量進行大致判斷。

（二）初始注脂量的經(jīng)驗值

初始注入軸承內(nèi)（含軸承室內(nèi)）的油脂量多少的原則是：在能保證軸承充分潤滑的前提下越少越好。

通過實踐經(jīng)驗總結(jié)，下述原則是比較合適的。

對開式軸承，比較合適的油脂注入量應(yīng)視軸承室空腔容積（將兩個軸承蓋與軸承安裝完畢后，其所包容的內(nèi)部空間中空氣占有的部分，見圖4-12中除軸承滾珠以外的空白部分）大小和所用軸承轉(zhuǎn)速（對于交流電動機，也可用極數(shù)代替轉(zhuǎn)速）來粗略地計算注脂量，見表4-10。

對于具有如圖4-10所示的甩油盤（又稱為擋油盤）軸承室結(jié)構(gòu)的，應(yīng)適當增加第一次的注脂量，并且在軸承外蓋空腔內(nèi)不要注油脂（這里是接受被甩出“廢油脂”的“垃圾箱”，其中的油脂不會進入軸承中用于潤滑，所以新注入的油脂將被浪費）。此種結(jié)構(gòu)，因軸承室中的油脂將會越甩越少，如不按要求定期加注油脂，則將會因油脂過少而降低潤滑效果，最終油脂因過熱干涸，使整個軸承損壞。

（三）初始注脂量的計算方法

圖4-13給出的是各類、各系列軸承潤滑脂填充量與軸承內(nèi)徑的關(guān)系，曲線的編號代表軸承系列，例如6為深溝球軸承，可參考使用。

軸承內(nèi)部空間全部填滿油脂，對于操作人員來說有時候很難把握。經(jīng)常出現(xiàn)的情況是軸承涂滿油脂，但實際上軸承內(nèi)部還有氣泡或者剩余空間。因此操作人員需要一個對具體的量的指導。

電機設(shè)計人員可以假設(shè)軸承是一個實心鐵環(huán)，由此可以計算出鐵環(huán)重量。另一方面，軸承本身的重量可以在軸承生產(chǎn)廠家提供的型錄里查得。這兩個重量的差值除以鐵的密度，即可得到軸承內(nèi)部空間體積。此數(shù)值再乘以油脂密度，即可得到需要在軸承內(nèi)部添加油脂的重量。

電機軸承室剩余空間油脂填充量為

由此，一套軸承初次添置油脂重量為

有了油脂的重量，操作人員就有一個比較好的度量來確保軸承室內(nèi)的油脂填充量。

生產(chǎn)線中，為確保工人可以保證電機軸承初次潤滑添脂量，可以采用以下方法：①使用帶有油脂計量裝置的潤滑脂填裝設(shè)備。比如油脂計量泵等；②可以使用固定量器工裝。對不同電機不同軸承按照事先計算好的油脂填充量制作定量容器，生產(chǎn)線上工人只需要根據(jù)工裝量器的容量，將容器內(nèi)的潤滑脂填入軸承即可。

（四）初次潤滑方法：

滾動軸承的注油工具有手動注脂和壓力注脂兩種形式，俗稱為油槍，較大的生產(chǎn)、使用和修理單位則可能使用帶有計量裝置的專用注脂機（罐或桶），如圖4-14所示。應(yīng)禁止使用帶棱角的鋼制工具，以及易掉屑的工具或手套。

注潤滑脂時，場地要干凈清潔，所用工具應(yīng)用汽油清洗干凈。油脂注完后，應(yīng)盡快裝配好其他部件，要防止進入軸承中的油脂夾帶灰塵雜物，特別是砂粒和鐵屑等。

利用注脂工具，通過注油裝置給軸承加注潤滑脂的操作如圖4-15a所示。對沒有注脂裝置的電機，則應(yīng)拆開軸承蓋直接往軸承室中注油，如圖4-15b所示。應(yīng)注意使用與原用油脂相同牌號的油脂，以避免不同組分的潤滑脂發(fā)生有害反應(yīng)而減小甚至失去潤滑作用，造成軸承過熱損壞。

若原有潤滑脂已變質(zhì)，則應(yīng)將其用汽油等溶劑徹底清除，然后重新加注新油脂。

三、軸承的運行中補充潤滑的時間間隔

電機運行一段時間后，軸承中初次添加的油脂會隨著運行時間的延長而逐漸減弱其潤滑作用，并且其量也會減少。此時需要添加潤滑脂（對有注油裝置的電機）或更換新的潤滑脂（對沒有注油裝置的電機），這項工作稱為軸承的補充潤滑，或稱為再潤滑。

（一）油脂壽命的基本概念

油脂本身也有壽命期限。通常，油脂的壽命會受到外界氧化等化學影響，因此即使是儲存而并未使用的油脂也有一定的壽命。不同油脂的儲存壽命需要咨詢油脂生產(chǎn)廠家或查閱相關(guān)資料。

當油脂在軸承內(nèi)運行時會承受負荷。增稠劑（皂基）的纖維會在負荷下不停地被剪切。當纖維長度被剪切到一定程度時，基礎(chǔ)油在增稠劑里的析出和回析就會出現(xiàn)問題。宏觀表現(xiàn)就是油脂的黏度降低。此時，油脂的潤滑性能就不能滿足工況需求。在潤滑領(lǐng)域通常通過油脂剪切實驗來測量油脂的穩(wěn)定性。

由上面描述可知，油脂在運行一段時間之后其物理和化學性能都可能發(fā)生改變，而無法滿足潤滑要求，此時油脂就達到了它的壽命。

對于電機而言，維護保養(yǎng)人員會在油脂達到壽命之前進行再潤滑。所以，我們會選擇油脂的再潤滑時間間隔。而油脂的再潤滑時間間隔是L₀₁壽命，也就是可靠性為99%油脂壽命。可靠性99%的意思是，在這個時間內(nèi)至多允許1%的失效。而軸承疲勞壽命通常為L₁₀壽命，也就是可靠性為90%的軸承疲勞壽命。兩者之間是2.7倍的關(guān)系。顯然，再潤滑時間間隔從壽命角度留下了十分大的可靠性空間。這也是每次再潤滑不需要將老油脂全部更換的原因（油脂替換情況除外）。

（二）補充潤滑時間間隔的計算

潤滑脂的預計壽命是受多種因素影響的。例如潤滑脂的種類、軸承的轉(zhuǎn)速和溫度、工作環(huán)境中粉塵和腐蝕性氣體的多少、密封裝置的設(shè)計和實際作用發(fā)揮的情況等。

對于密封式或較小的軸承，軸承本身和其中的潤滑脂兩者之一都決定了一套軸承的壽命。無須也不可能在中途添加或更換潤滑脂。

開式軸承再潤滑的時間間隔計算有如下兩種方法，可參考采用。

1.方法1

根據(jù)經(jīng)驗，溫度對補充油脂時間間隔的影響是：當溫度（在軸承外環(huán)測得的溫度）達到70℃以上時，每增加15℃，補充油脂時間間隔將縮短一半。

對于開式軸承，補充潤滑脂的時間間隔可參考圖4-16。

圖4-16給出的是以含氧化劑的鋰基脂為準，普通工作條件下的固定機械中水平軸的軸承內(nèi)，潤滑脂的補充時間間隔（其中縱坐標軸為補充時間間隔t_f，單位為h；橫坐標軸為運行轉(zhuǎn)速n，單位為r/min；d為軸承內(nèi)徑，單位為mm）。其中a坐標為徑向軸承；b坐標為圓柱滾子和滾針軸承；c坐標為球面滾子、圓錐滾子和止推滾珠軸承。若為滿滾子圓柱滾子軸承，則間隔為b坐標對應(yīng)值的1/5；若為圓柱滾子止推軸承、滾針止推軸承、球面滾子止推軸承，則間隔為c坐標對應(yīng)值的1/2。

現(xiàn)舉例如下：

某深溝球軸承，其內(nèi)徑d=100mm、運行轉(zhuǎn)速n=1000r/min、工作溫度范圍為60～70℃。請確定補充潤滑脂的時間間隔為多長。

在圖4-16的橫軸上，在n=1000r/min處做一條平行于縱軸的直線，與內(nèi)徑d=100mm的曲線的交點所對應(yīng)的縱軸a坐標（適用于徑向軸承——深溝球軸承）的數(shù)值約為1.2×10⁴。則本例補充潤滑脂的時間間隔為12000h。

2.方法2

圖4-17是確定軸承運行溫度為70℃時補充潤滑的時間間隔與軸承轉(zhuǎn)速因數(shù)A和軸承系數(shù)b_f的乘積的關(guān)系圖。

圖中橫坐標是軸承轉(zhuǎn)速因數(shù)A（即ndm值）與軸承系數(shù)b_f的乘積。b_f的數(shù)值與軸承的類型有關(guān)，可從表4-11中查取。

查詢方法：首先計算A（ndm）值，在表4-9中查到軸承系數(shù)b_f，兩者相乘找到圖4-17中的橫坐標點，然后計算軸承的C/P值，在圖線參考的3條線之間取出計算的C/P值，然后查縱坐標得到再潤滑時間間隔小時數(shù)。

（三）再潤滑時間間隔計算注意事項

上述再潤滑時間間隔計算有一定的限制，在這些限制之內(nèi)，還要根據(jù)實際工況進行調(diào)整，方可得到正確的計算結(jié)果。

補充潤滑時間是一個估算值，上述計算方法是基于優(yōu)質(zhì)鋰基增稠劑、礦物油的情況進行的。再潤滑時間間隔還會隨著油脂的不同有所調(diào)整。

上述計算方法（見圖4-17）是基于70℃下油脂的情況進行估算的。在實際工況中每升高15℃，油脂的再潤滑時間間隔減半；實際工況溫度每降低15℃，再潤滑時間間隔加倍。

再潤滑時間間隔是在油脂可工作范圍內(nèi)有效，若超出油脂工作溫度范圍，不可以用這個方法進行估算。

對于立式電機和在振動較大的工況中使用的電機，用圖4-17查詢的再潤滑時間間隔應(yīng)該減半。

對于外圈旋轉(zhuǎn)的軸承，用圖4-17查詢的再潤滑時間間隔減半（另一個方法是計算ndm時用軸承外徑D代替軸承中徑dm）。

對于污染嚴重的場合，應(yīng)該根據(jù)實際情況縮短再潤滑時間間隔。

對于圓柱滾子軸承，圖4-17給出的值只適用于滾動體引導的尼龍保持架或者黃銅保持架的產(chǎn)品。對于滾動體引導的鋼保持架（后綴為J）以及內(nèi)圈或者外圈引導的銅保持架圓柱滾子軸承，再潤滑時間間隔減半。

上述再潤滑時間間隔計算是針對需要進行再潤滑的開式軸承而言。對于封閉軸承（帶密封蓋或者防塵蓋的軸承）而言，如果需要了解潤滑壽命的話，只需要根據(jù)圖4-18中的方法查詢再潤滑時間間隔，乘以2.7即可。這是因為，再潤滑時間間隔是L₀₁的壽命，如果折算成和軸承壽命相同的可靠性，就應(yīng)該轉(zhuǎn)換成L₁₀。這是一個概率換算的過程：L₁₀=2.7L₀₁。

四、再潤滑時油脂的添加量以及添加方法

（一）再潤滑基本原則

對于再潤滑時間間隔超過6個月的軸承，一般建議在維護時依照前面述及的方法進行油脂的全部更換。

對于再潤滑時間間隔不足6個月的軸承，一般建議根據(jù)再潤滑時間間隔定期對軸承進行補充潤滑。

有些系統(tǒng)中（諸如高污染等需要頻繁補充潤滑的場合），一般會設(shè)計自動注脂器，這樣就由自動注脂器進行連續(xù)補充潤滑。

（二）再潤滑油脂添加量

進行再潤滑時需要控制油脂的添加量。油脂添加過少，無法起到補充潤滑的作用；油脂補充過多，會導致軸承室內(nèi)油脂過量從而帶來軸承發(fā)熱等問題。對于普通不具有注油孔的軸承，正確的潤滑量可以由下式計算：

式中 G_p——再潤滑填脂量（g）；

D——軸承外徑（mm）；

B——軸承厚度（mm）。

有些調(diào)心滾子軸承在兩列滾子之間有補充潤滑孔的設(shè)計，這一類軸承的再潤滑填脂量為

（三）再潤滑注脂的基本方法

進行潤滑油路設(shè)計時，對于使用開式軸承的電機（特別是功率較大的電機），電機設(shè)計人員都會設(shè)計注油孔和注油裝置（俗稱注油嘴）。因此在做再潤滑時，通常使用注油槍等工具通過注油裝置進行補充油脂。

平時應(yīng)盡量保持注油嘴清潔。在進行再注油之前，需要對注油嘴進行清潔。

在補充潤滑時，要打開排油孔。觀察排油情況，待排油停止，關(guān)閉排油孔。排油孔在不用時也要注意保持清潔。

（四）再潤滑填脂注意事項

1.使新添加油脂和舊油脂溫度接近

通常情況下，進行補充潤滑的設(shè)備都是處于運行狀態(tài)，電機處于工作溫度。而再潤滑時，新的油脂處于非工作狀態(tài)，也就是冷態(tài)溫度。此時，雖然新舊油脂牌號相同，但由于溫度不同，油脂黏度和基礎(chǔ)油黏度都是不同的。這樣的新脂注入，會對軸承潤滑不利。在我國南方地區(qū)，這種情況還不突出；在北方地區(qū)，如果在冬天進行再潤滑工作，從倉庫里提出的油脂溫度很低，這時將其加入到熱態(tài)的舊油脂中，兩者黏度相差很大，如果冷態(tài)油脂在變熱之前攪入滾動接觸面，將對軸承不利。其解決方法就是，在補充潤滑之前，新脂溫度盡量接近運行中的舊脂溫度。

2.注意填脂時機

如果可以的話，最好的補充潤滑時機是在設(shè)備低速運行時進行。在這種狀態(tài)下，新填入的油脂和舊脂一起，相對而言，會經(jīng)歷一個很好的勻脂過程，對軸承潤滑是最有利的時機。

還有一種狀態(tài)就是停機維護，此時電機停轉(zhuǎn)，加入適量油脂，待加脂完畢，設(shè)備維護完成電機起動時，多余油脂會從排油孔排出。這種時機雖然不如低速運行好，但是比常速運行填脂的情況要理想很多。

五、用經(jīng)驗曲線獲得更換油脂的時間間隔

對沒有軸承注油裝置的電機，應(yīng)視其運行狀態(tài)、使用環(huán)境條件等因素，決定是否全部更換軸承中原有的潤滑脂。

圖4-18為電機軸承更換油脂周期的經(jīng)驗曲線，可供使用時參考。圖4-18中的K_f為軸承結(jié)構(gòu)類型系數(shù)，見表4-12；n為軸承轉(zhuǎn)速，單位為r/s；D_m為軸承平均直徑，單位為mm；t_f為補充潤滑脂時間間隔，單位為h。