環(huán)模制粒機(jī)轉(zhuǎn)子軸承脂潤滑的分析與計(jì)算

■金世哲 孫春一

(1.鄭州富泰華精密電子有限公司,河南鄭州 450002；2.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧撫順 113001)

環(huán)模制粒機(jī)是顆粒飼料生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其轉(zhuǎn)子組件中，主軸靜止，轉(zhuǎn)子在動(dòng)力作用下旋轉(zhuǎn)，支承轉(zhuǎn)子的軸承采用調(diào)心滾子軸承，軸承的外圈承受轉(zhuǎn)動(dòng)載荷，內(nèi)圈固定在主軸上，相對(duì)于載荷方向靜止[1]，潤滑方式采用脂潤滑。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，套圈、滾動(dòng)體和保持架之間產(chǎn)生摩擦，當(dāng)潤滑不良時(shí)，零件表面發(fā)熱和磨損，造成軸承失效，從而影響環(huán)模制粒機(jī)的工作壽命，因此選擇合適的潤滑脂，分析潤滑機(jī)理，進(jìn)行最小油膜厚度計(jì)算，考慮軸承潤滑壽命影響因素及修正系數(shù)，進(jìn)行軸承潤滑壽命定量計(jì)算，討論影響因素，提出維護(hù)保養(yǎng)措施，為合理和正確地使用軸承潤滑提供依據(jù)。

1 選擇潤滑脂

制粒機(jī)軸承常受蒸汽影響，在潮濕環(huán)境中工作，應(yīng)選用抗水性好的潤滑脂[2]，在常用潤滑脂中抗水性好的有鋇基、鋁基、鈣基和鋰基潤滑脂?？紤]用途時(shí)，鋇基、鋁基用于海洋機(jī)械，不予考慮。鈣基和鋰基用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、等不同行業(yè)的各種機(jī)械。飼料機(jī)械中的環(huán)模制粒機(jī)，國標(biāo)中規(guī)定滾動(dòng)軸承最高溫度不得超過75℃[3]，鈣潤滑脂適用于-10～60℃溫度范圍，通用鋰基潤滑脂適用范圍為-20～120℃，所以選擇鋰基脂為佳。

通用鋰基潤滑脂按稠度等級(jí)分為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)，1號(hào)適用于滾動(dòng)軸承集中給脂系統(tǒng)，2號(hào)適用于中低轉(zhuǎn)速、中低負(fù)荷的機(jī)械設(shè)備的滾動(dòng)軸承，3號(hào)適用于重載機(jī)械的滾動(dòng)軸承，制粒機(jī)要按照具體條件或場合選用。

2 潤滑機(jī)理

潤滑脂主要是由基礎(chǔ)油和稠化劑所組成。鋰基潤滑脂由脂肪酸鋰皂稠化礦物潤滑油并加入抗氧、防銹添加劑所制得。經(jīng)過制脂工藝后，潤滑脂微觀結(jié)構(gòu)中，鋰皂扭曲狀纖維間縱橫交錯(cuò)，形成一種相互纏結(jié)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將基礎(chǔ)油包圍在其中。添加劑一般在潤滑脂制備過程中的冷卻階段加入，其分子不發(fā)生化學(xué)性質(zhì)變化并以一定的形式分散在潤滑劑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，添加劑分子在潤滑脂中的存在形式是與稠化劑的纖維吸附在一起，潤滑脂通過附有添加劑的稠化劑分子鏈吸附基礎(chǔ)油。因此，考慮到潤滑脂稠化劑和基礎(chǔ)油，進(jìn)行軸承最小油膜厚度計(jì)算和潤滑脂壽命計(jì)算。

2 最小油膜厚度計(jì)算

前面提到，環(huán)模制粒機(jī)轉(zhuǎn)子軸承內(nèi)圈不動(dòng)，外圈旋轉(zhuǎn)，則在滾子與外圈滾道間的基礎(chǔ)油最小油膜厚度[4]：

式中：Dw為滾子直徑，m；dm為軸承平均直徑(m)；α為基礎(chǔ)油粘壓系數(shù)(1/Pa)；η為基礎(chǔ)油動(dòng)力粘度(Pa·s)；ne為轉(zhuǎn)子軸承轉(zhuǎn)速(r/min)；Z為滾子總數(shù)；l為滾子的有效接觸長度(m)；E'為當(dāng)量彈性模量()；Q為軸承總載荷(N)。

考慮到潤滑脂的非牛頓性質(zhì)和剪切發(fā)熱等現(xiàn)象，鋰基潤滑脂最小油膜厚度[5]：

式中：hmin為最小油膜厚度(μm)；Ra1、Ra2為滾動(dòng)體和滾道的表面粗糙度(μm)。

3 軸承潤滑脂壽命計(jì)算

滾動(dòng)軸承潤滑壽命和其疲勞壽命一樣重要，但迄今為止，國際上還沒有統(tǒng)一的滾動(dòng)軸承潤滑壽命的計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)，潤滑壽命計(jì)算現(xiàn)以經(jīng)驗(yàn)公式為主。

錢穆曾說：“唐儒志在求善治即初期宋儒亦如此。而理學(xué)家興，則志在為真儒。志善治，必自孔子上溯之周公；為真儒，乃自孔子下究之孟軻?！盵注]錢穆：《中國學(xué)術(shù)思想史論叢·周程朱子學(xué)脈論》，合肥：合肥安徽教育出版社，2004年，第199頁。 宋初古文學(xué)者正處于唐儒到理學(xué)家的轉(zhuǎn)變階段，他們從孟子思想中尋找理論資源來闡述“道”。

稠化劑為鋰皂，基礎(chǔ)油為礦物油，基本潤滑脂壽命公式為：

式中：L為基本潤滑脂壽命(h)；n為軸承轉(zhuǎn)速(r/min)；N為極限轉(zhuǎn)速(r/min)；T為軸承溫度(℃)，70℃≤T≤120℃，T＜70℃時(shí)，取T=70℃；P為當(dāng)量動(dòng)載荷(N)；Cr為額定動(dòng)載荷(N)；另外，0.25 ≤ n/N ≤ 1，(n/N＜0.25,n/N=0.25，P/Cr≤0.1)。

考慮到軸承潤滑壽命影響因素及修正系數(shù)后潤滑壽命

式中：Lh為潤滑脂壽命(h)；f1為考慮到塵埃及潮濕的修正系數(shù)；f2為考慮到振動(dòng)及沖擊的修正系數(shù)；f5為考慮到空氣流經(jīng)渠道的修正系數(shù)；f6為考慮到偏心或豎直安裝的修正系數(shù)。 f1、f2、f5和 f6見表1。

表1 軸承潤滑壽命影響因素及修正系數(shù)

現(xiàn)行潤滑脂壽命計(jì)算公式中的軸承轉(zhuǎn)速都默認(rèn)為內(nèi)圈轉(zhuǎn)速，對(duì)于外圈旋轉(zhuǎn)軸承，不能直接將外圈轉(zhuǎn)速代人計(jì)算，可以將外圈旋轉(zhuǎn)軸承的外圈轉(zhuǎn)速ne換算為當(dāng)量內(nèi)圈轉(zhuǎn)速nieq，代入式(5)就可計(jì)算外圈旋轉(zhuǎn)軸承的潤滑壽命[6]。

式中：α為軸承接觸角。

4 實(shí)例

環(huán)模制粒機(jī)轉(zhuǎn)子一端的軸承采用22 313調(diào)心滾子軸承，技術(shù)參數(shù)為：ne=282 r/min，Dm=102.5 mm,dw=18 mm，l=18 mm，Z=16，受力最大軸承載荷Fr=15 000 N，Q=15 000/2=7 500 N，P=15 000 N，查手冊(cè)，Cr=232 000 N，N=2 400 r/min。 Ra1=0.05 μm,Ra2=0.1 μm，鋰基脂基礎(chǔ)油運(yùn)動(dòng)黏度ν=150mm2/s[7],

密度 ρ=870kg/m3，則 η=0.131Pa·s，α =2.1×

Q的數(shù)值帶入式(1)得hˉmin=0.62×10-6m=0.62μm,

帶入式(3)得hmin=0.44 μm，帶入式(4)得Λ=3.14。

將 Dw、dm、ne代入式(8)和(7)得n=402.13 r/min；

將n、N、T、P和 Cr代入式(5)得L=1 380h ，取f1=0.9，f2=0.9，f5=0.9,f6=1,代入式(6)得 Lh=1006 h。

膜厚比Λ=3.14＞3，說明軸承工作時(shí)處于避免擦傷、膠和及磨損的潤滑狀態(tài)，并且算出潤滑壽命Lh＞1 000 h，實(shí)際上這個(gè)膜厚比和潤滑壽命只是名義的。由于潤滑脂流動(dòng)性差，當(dāng)潤滑脂用一段時(shí)間后，產(chǎn)生供脂不足缺油現(xiàn)象或產(chǎn)生潤滑脂氧化老化現(xiàn)象，使得膜厚比和潤滑壽命下降。

5 影響因素討論

5.1 工作溫度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和軸承載荷

制粒機(jī)工作時(shí)，一般滾動(dòng)軸承的環(huán)境溫度為室溫，軸承溫升不應(yīng)超過40℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ne=282 r/min，屬于低轉(zhuǎn)速，軸承載荷Fr=15 000 N，屬于低、中載荷，而且軸承內(nèi)圈不動(dòng)，外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，與轉(zhuǎn)子配合比較緊密，甚至有些過盈，因此選用2號(hào)通用鋰基潤滑脂，其錐入度應(yīng)在245～295范圍內(nèi)，滴點(diǎn)≤175/℃。

5.2 選擇填充量

為了正確選擇潤滑脂填充量必須知道潤滑脂在軸承中的運(yùn)動(dòng)情況[7-8]。

軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，不論是開放式軸承還是密封式軸承，大部分潤滑脂很快被擠出滾道外邊，而堆積在保持架上和軸承護(hù)蓋的空腔中，并在滾動(dòng)體外圍形成一個(gè)輪廓，而且基本上沒有回流的可能性，軸承僅靠少量潤滑脂來進(jìn)行潤滑，此外，在軸承的長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，滾動(dòng)體和滾道近旁的輪廓上以及保持架上的潤滑脂要萎縮而分出一部分基礎(chǔ)油，溜進(jìn)滾道之間后，對(duì)潤滑也有一定的補(bǔ)充作用。隨著填充量的增加，潤滑脂膜的厚度會(huì)略有增加，填充量增加到一定程度后若再加脂其效果就不明顯了，而且填充量過多不但浪費(fèi)，還會(huì)產(chǎn)生摩擦轉(zhuǎn)矩增大，溫升過高，造成漏油等不良后果。

在接觸蒸汽、潮濕環(huán)境中，轉(zhuǎn)子軸承填充量占軸承內(nèi)部空間容積，選用開放式軸承時(shí)為1/2～3/4，選用密封式軸承時(shí)為1/3～1/2，但用于低速軸承時(shí)，為防止異物侵入，有時(shí)也充填至容積的2/3～1。

5.3 換油周期

在裝填潤滑脂之前，應(yīng)先將滾動(dòng)軸承放在潤滑油中浸潤一下，以免在啟動(dòng)時(shí)因潤滑面缺油而燒壞。投入運(yùn)轉(zhuǎn)后3個(gè)月左右應(yīng)進(jìn)行1次清洗換油，以后按規(guī)定的周期換油，換油周期為1 000 h（單班制半年）。軸承換油時(shí)，應(yīng)拆下清洗干凈，在填上新油脂。

6 結(jié)語

綜上所述，考慮選用潤滑脂應(yīng)考慮的因素，正確選擇潤滑脂牌號(hào)和潤滑脂的填充量，進(jìn)行滾動(dòng)軸承潤滑使用和保養(yǎng)，就可保證環(huán)模制粒機(jī)轉(zhuǎn)子滾動(dòng)軸承的正常運(yùn)行。