長壽命軸承用離心式微量供油器篩選裝置

高飛，李春偉，李超強(qiáng)，李娟,胡烈

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.北京控制工程研究所，北京 100190；3.臺州印山制刷有限公司，浙江 臺州 318020)

油潤滑的長壽命滾動軸承的特點(diǎn)是承受載荷小、精度高、壽命長、摩擦力矩小及穩(wěn)定性高。正常工況下長壽命軸承的失效形式主要是潤滑失效。由于特定工作環(huán)境(低重力、高真空等)的影響[1]，潤滑油由于揮發(fā)、爬移而損耗，使軸承溝道無法形成彈性流體動力油膜，軸承可能處于貧油或邊界潤滑狀態(tài)，從而將加速軸承的磨損，降低軸承的使用壽命。因此，有必要采取措施對軸承進(jìn)行補(bǔ)充供油。

離心式微量供油器可以在特殊環(huán)境下，依靠離心力以極小的速率持續(xù)地向軸承供油，改善軸承的潤滑環(huán)境。但是離心式微量供油器提供的潤滑油量又會影響軸承性能的穩(wěn)定性，所以必須對離心式微量供油器的供油速率和開始供油的時間進(jìn)行篩選。

1 離心式微量供油器原理

離心式微量供油器的供油速率和開始供油時間由供油芯閥決定。供油芯閥由多孔材料制成，在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，通過供油芯閥的毛細(xì)孔給軸承供油。

潤滑油受到離心力作用移動的速率為[2-3]

(1)

式中：Δp為使油流動的內(nèi)壓差，Pa；n為毛細(xì)管數(shù)；d為毛細(xì)管直徑，m；μ為潤滑油黏度，Pa·s；L為毛細(xì)管長度，m。

(1)式是理論假設(shè)后的近似計(jì)算，表達(dá)了離心作用力與材料特性和潤滑油特性之間的關(guān)系。盡管離心式微量供油器的供油速率可由理論計(jì)算公式得出，但是多孔材料的孔徑大小及分布情況，潤滑油黏度、表面張力及其與多孔材料的浸潤性是影響其供油速率一致性的主要因素，而且由于加工誤差及一些人為因素，由理論公式所得的數(shù)值往往偏離實(shí)際較大，具有相當(dāng)大的局限性。例如：使用某潤滑油，某型號軸承的離心式微量供油器在轉(zhuǎn)速6 000 r/min時，設(shè)計(jì)計(jì)算所得供油速率為0.8 mg/天，但實(shí)際供油速率僅為0.05 mg/天。因此，離心式微量供油器的供油速率和開始供油的時間必須通過模擬其真實(shí)工作環(huán)境由試驗(yàn)得出。

2 篩選裝置

針對離心式微量供油器的工作原理設(shè)計(jì)了篩選試驗(yàn)裝置，該裝置由真空保障系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。其主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 篩選裝置主體結(jié)構(gòu)

離心式微量供油器安裝在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸上，真空保障系統(tǒng)按照微量供油器的實(shí)際工作環(huán)境抽真空，然后由電氣控制系統(tǒng)啟動電動機(jī)，轉(zhuǎn)至實(shí)際工作轉(zhuǎn)速，模擬微量供油器的實(shí)際工況，進(jìn)行供油速率和開始供油時間的篩選試驗(yàn)。

篩選不同型號、尺寸的微量供油器時，只需更換不同直徑的旋轉(zhuǎn)軸和設(shè)置不同轉(zhuǎn)速即可。此篩選裝置較為真實(shí)地模擬了長壽命軸承的實(shí)際工況，可靠性高，操作簡單，維護(hù)方便且篩選效率高。

2.1 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要由功率電源、功率驅(qū)動電路、電動機(jī)控制電路、測量電路、PLC控制器、數(shù)據(jù)采集模塊和監(jiān)控計(jì)算機(jī)等組成?？商峁┖懔?、恒電壓和恒速3種控制模式，能滿足不同試驗(yàn)條件的電動機(jī)驅(qū)動要求。電氣控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 電氣控制系統(tǒng)原理圖

2.2 真空保障系統(tǒng)

真空保障系統(tǒng)由密封罩、抽氣閥、真空表和外接的真空泵構(gòu)成。

密封罩保證旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)處于真空狀態(tài)，真空泵與抽氣閥連接將密封罩空氣抽至規(guī)定真空度，真空表可以顯示密封罩內(nèi)氣壓。

2.3 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由一個計(jì)算機(jī)控制的可控步進(jìn)電動機(jī)和旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖

篩選裝置工作時，將離心式微量供油器安裝在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)上，以轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)；使用真空泵將密封罩中的空氣抽出形成真空環(huán)境，啟動電氣控制系統(tǒng)，接通電動機(jī)電源，設(shè)定電動機(jī)轉(zhuǎn)速，模擬微量供油器的實(shí)際工作轉(zhuǎn)速，就可以開始篩選工作。

3 示例分析

為了控制離心式微量供油器的供油速率和開始供油的時間，首先需確定軸承的潤滑油損失速率和開始供油時間，因此先進(jìn)行了某型號軸承的一次性潤滑壽命試驗(yàn)[4-5]。測試設(shè)備對試驗(yàn)軸承電動機(jī)的電流、電壓和轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和記錄，通過對數(shù)組軸承測試數(shù)據(jù)的整理，可得出軸承在一次性潤滑壽命試驗(yàn)過程中的潤滑壽命曲線，如圖4所示。

圖4 軸承一次潤滑壽命曲線

由圖4可知，試驗(yàn)軸承驅(qū)動電動機(jī)的電流在3～22個月基本不波動，說明軸承溝道的油膜厚度沒有變化，可認(rèn)為軸承內(nèi)部潤滑油處于平衡狀態(tài)；隨著時間推移，在24個月以后，由于潤滑油的損耗，不能形成有效的潤滑膜，軸承性能開始下降，具體表現(xiàn)為：軸承溫度升高、運(yùn)轉(zhuǎn)電流增大，可認(rèn)為軸承有效潤滑壽命結(jié)束。故在第22個月時，離心式微量供油器開始向軸承補(bǔ)充供油，以保證軸承溝道內(nèi)潤滑油量足以形成有效的潤滑油膜，達(dá)到延長軸承壽命的目的。

同時，在試驗(yàn)過程中，經(jīng)過數(shù)次對軸承的實(shí)際稱重測試，計(jì)算出軸承在潤滑不足階段潤滑油平均損失量約為0.4 mg/天，考慮供油可靠性，供油速率應(yīng)為0.5 mg/天左右。

至此，確定了離心式微量供油器供油速率和開始供油的時間。

然后利用本篩選裝置對供油器供油速率和開始供油時間進(jìn)行篩選。根據(jù)離心式微量供油器工作條件，確定試驗(yàn)條件為：環(huán)境溫度(23±5)℃，真空度≤10 Pa，轉(zhuǎn)速5 000 r/min。

首先，篩選供油器開始供油的時間。為了確保軸承潤滑的可靠，可適當(dāng)將供油器開始供油時間提前2～4個月。本試驗(yàn)中，在第18個月時對供油器實(shí)際稱重，確定是否有潤滑油滲出及其滲出量，如無潤滑油滲出則可淘汰。在篩選出合格的供油時間后，再篩選供油器供油速率。

離心式微量供油器的供油速率計(jì)算公式為：供油速率=供油器失重/運(yùn)轉(zhuǎn)時間。試驗(yàn)數(shù)據(jù)每20天測試1次，共測試15次。整理數(shù)據(jù)后，得出離心式微量供油器的供油速率如圖5所示。

圖5 離心式微量供油器供油速率

從圖5可看出，離心式微量供油器平均供油速率為0.5 mg/天。離心式微量供油器初期供油量較大，后期趨于平緩，這是由于離心式微量供油器的儲油腔內(nèi)含有空氣，而試驗(yàn)環(huán)境為真空，造成儲油腔內(nèi)、外壓力差，致使離心式微量供油器初期供油偏多，隨著壓力差的減小，供油速率隨之趨于平穩(wěn)。據(jù)此，根據(jù)微量供油器的供油速率和開始供油的時間就可以選擇合格的微量供油器。

4 結(jié)束語

介紹了一種長壽命軸承用離心式微量供油器的篩選裝置，此篩選裝置可以較精確地模擬離心式微量供油器的實(shí)際工況，解決了理論計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用之間的差距，為離心式微量供油器的實(shí)際應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)依據(jù)。通過本篩選裝置已篩選多種型號離心式微量供油器，并投入實(shí)際使用，效果良好。