滾動(dòng)軸承食品級(jí)潤(rùn)滑脂的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

李超強(qiáng)，夏新濤，陳龍，張旭

(1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽(yáng) 471003；2.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

為減小摩擦、磨損，降低溫升、噪聲，提高軸承的運(yùn)行可靠性和壽命，滾動(dòng)軸承根據(jù)使用條件選用不同的潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式。食品、藥品等生產(chǎn)加工設(shè)備用軸承對(duì)潤(rùn)滑劑提出了更高要求，除了要滿足正常的潤(rùn)滑性能外，還要保證潤(rùn)滑劑的安全性，預(yù)防高溫蒸發(fā)、泄漏等引發(fā)的食品安全問(wèn)題[1]，因此，這類機(jī)械設(shè)備用軸承需要采用專用的食品級(jí)潤(rùn)滑劑。

由于食品機(jī)械傳送、加工、包裝等設(shè)備用軸承的dmn值一般不超過(guò)3×105mm·r/min，工作溫度多為-25～160 ℃，低、中載荷條件，使用環(huán)境多為潮濕、需定期清洗等，因此多采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。

隨著食品加工業(yè)的快速發(fā)展和對(duì)食品衛(wèi)生安全的進(jìn)一步重視，軸承食品級(jí)潤(rùn)滑脂的需求不斷增加。由于國(guó)內(nèi)食品級(jí)潤(rùn)滑脂的產(chǎn)量很小，價(jià)格較高，市場(chǎng)上存在使用植物油和凡士林、石蠟等礦物油作為潤(rùn)滑劑，有一定的安全隱患；對(duì)于具有較高機(jī)械安定性、極壓抗磨性和使用壽命等要求的滾動(dòng)軸承，所需要的高性能食品級(jí)潤(rùn)滑脂還主要依賴進(jìn)口。因此，綜述軸承食品級(jí)潤(rùn)滑脂的性能特點(diǎn)、應(yīng)用情況，為更好地選用潤(rùn)滑脂提供參考。

1 食品級(jí)潤(rùn)滑劑標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

為了保障安全，限制濫用，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)對(duì)食品級(jí)潤(rùn)滑劑進(jìn)行了專門的規(guī)定[2]。全球范圍內(nèi)得到同行業(yè)廣泛認(rèn)可的是美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)1962年創(chuàng)建的食品級(jí)潤(rùn)滑油批準(zhǔn)注冊(cè)制度，其要求配方符合美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)FDA 21 CFR的要求，之后美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生基金會(huì)(NSF)沿用USDA的評(píng)審要求，將授權(quán)的食品級(jí)潤(rùn)滑劑分為H1，H2和H3級(jí)[3-4]。歐盟、加拿大農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)食品部(AAFC)/食品檢驗(yàn)局(CFIA) 、澳洲檢驗(yàn)檢疫署(AQIS)也對(duì)食品級(jí)潤(rùn)滑油進(jìn)行認(rèn)證或許可等。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的食品機(jī)械潤(rùn)滑劑產(chǎn)品已經(jīng)形成系列，可滿足各類不同的性能需求，管理、認(rèn)證體系規(guī)范，生產(chǎn)商能夠提供通過(guò)認(rèn)證的不同等級(jí)的潤(rùn)滑劑產(chǎn)品。

ISO 21469—2006《機(jī)械安全與附屬產(chǎn)品接觸的潤(rùn)滑劑衛(wèi)生要求》規(guī)定了在潤(rùn)滑劑的配方設(shè)計(jì)生產(chǎn)使用及處理時(shí)，發(fā)生潤(rùn)滑劑與產(chǎn)品可能接觸的情況下需要注意的衛(wèi)生要求，其是一個(gè)自愿性標(biāo)準(zhǔn)，也具有認(rèn)證程序。該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布標(biāo)志著食品機(jī)械潤(rùn)滑劑認(rèn)證向國(guó)際化發(fā)展的趨勢(shì)，也表明了食品機(jī)械潤(rùn)滑劑的獨(dú)特地位。

我國(guó)相繼出臺(tái)的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括：GB/T 12494—1990《食品機(jī)械專用白油》、GB 15179—1994《食品機(jī)械潤(rùn)滑脂》、GB 4853—2008《食品級(jí)白油》、GB 23820—2009《機(jī)械安全 偶然與產(chǎn)品接觸的潤(rùn)滑劑衛(wèi)生要求》和GB 7189—2010《食品級(jí)石蠟》。國(guó)內(nèi)食品級(jí)潤(rùn)滑劑的生產(chǎn)、應(yīng)用與食品工業(yè)發(fā)展還極其不相對(duì)稱，管理還不夠規(guī)范。對(duì)潤(rùn)滑劑的各項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目中還僅是常規(guī)的運(yùn)動(dòng)黏度、水、機(jī)械雜質(zhì)、水溶性酸堿、易碳化物、稠環(huán)芳烴/紫外吸光度等基礎(chǔ)檢驗(yàn)，未涉及安全衛(wèi)生、環(huán)保項(xiàng)目；等同采用ISO 21469的GB 23820側(cè)重于生產(chǎn)前審批程序，對(duì)產(chǎn)品的毒害物檢測(cè)、限定、檢測(cè)方法沒(méi)有涉及；對(duì)潤(rùn)滑劑性能試驗(yàn)，如高低溫性、氧化安定性、剪切安定性、極壓抗磨性、使用壽命等沒(méi)有推薦說(shuō)明。文獻(xiàn)[3]對(duì)國(guó)內(nèi)外食品級(jí)潤(rùn)滑油中汞、多種金屬及非金屬、芳香族化合物進(jìn)行了檢測(cè)分析，可以為潤(rùn)滑劑的安全性測(cè)試提供參考。而潤(rùn)滑劑的性能測(cè)試除標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的項(xiàng)目及測(cè)試方法外，其他性能測(cè)試還需要借助國(guó)標(biāo)、歐標(biāo)及德標(biāo)等的測(cè)試方法。

2 潤(rùn)滑脂組成

潤(rùn)滑脂是一種凝膠狀潤(rùn)滑材料，由基礎(chǔ)油、稠化劑和添加劑在高溫下混合而成，也可以認(rèn)為是作為稠化劑的分散相和作為基礎(chǔ)油的分散介質(zhì)高度分散而形成的二元膠分散體系[5]。軸承食品級(jí)潤(rùn)滑脂除了要求滿足正常的機(jī)械潤(rùn)滑性能外，必須要保證衛(wèi)生安全。

2.1 基礎(chǔ)油

基礎(chǔ)油必須具有良好的抗氧化性、耐高低溫性、抗乳化性及減摩性能，以延長(zhǎng)軸承的使用壽命?；A(chǔ)油分為礦物油、合成油和生物(植物)油。

1)礦物油為超精制礦物油，目前主要采用加氫裂解法精制礦物油，即食品級(jí)白油，其組分較為純凈，鏈狀飽和碳?xì)浠衔镎?9%以上，含水量少，含硫量小于10 μg/g，不含芳香烴類。

2)合成油常用的有聚α-烯烴(Poly Alpha Olefin ，PAO)、硅油、全氟聚醚等。其中PAO的黏溫特性、低溫流動(dòng)性和潤(rùn)滑性能較優(yōu)，組分純凈單一，是未來(lái)的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。

3)植物油的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)毒、可降解，但氧化安定性、低溫流動(dòng)性、水解穩(wěn)定性差，目前已經(jīng)有研究通過(guò)添加劑來(lái)改善其性能[6-7]，也是一種應(yīng)用趨勢(shì)。

2.2 稠化劑

稠化劑的選用首先必須要求無(wú)毒害性，再根據(jù)使用條件和不同稠化劑所制成潤(rùn)滑脂的滴點(diǎn)、耐高溫性、抗水性等選擇，多采用復(fù)合鋁皂、復(fù)合鈣皂、聚丙烯、鋰皂(12-羥基硬脂酸)等。從生物降解性更好的方面考慮，又出現(xiàn)了新型的復(fù)合鈦皂[8]；但有人提出未來(lái)食品級(jí)潤(rùn)滑脂主要還是復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂[9]。具體如何選用稠化劑需根據(jù)軸承的使用工況條件做充分的論證才能確定。

2.3 添加劑

添加劑是為改善潤(rùn)滑脂的某些性能而加入的成分，如抗氧化劑、極壓添加劑、抗磨劑、防銹劑、油性劑等。如在重載、有沖擊載荷的滾動(dòng)軸承中使用的食品級(jí)白油，為提高潤(rùn)滑性能加入了油性劑和極壓劑，油性劑可采用動(dòng)物油，極壓劑可采用經(jīng)FDA或USDA認(rèn)可的材料，如聚烷基乙二醇等。對(duì)于食品級(jí)潤(rùn)滑脂來(lái)說(shuō)，添加劑的使用受到嚴(yán)格限制，因?yàn)樘砑觿┒嗑哂幸欢ǖ亩竞π裕嬖诓话踩蛩?，且高性能?rùn)滑劑中，特別是人工合成的高性能食品級(jí)潤(rùn)滑脂，添加劑的品種和數(shù)量很少，甚至不加添加劑。

3 潤(rùn)滑脂選用

潤(rùn)滑脂在設(shè)備維護(hù)中所占成本比例只有3%～5%，但對(duì)正常生產(chǎn)卻影響很大，選用合適的高性能食品級(jí)潤(rùn)滑脂是保證安全、減少維護(hù)成本、提高效益不可忽略的重要因素。軸承食品級(jí)潤(rùn)滑脂的選用應(yīng)考慮的因素包括：速度、溫度、載荷和環(huán)境條件、潤(rùn)滑方式。下面在對(duì)比國(guó)內(nèi)外各型具有代表性的食品級(jí)潤(rùn)滑脂性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上(表1，均為NSF H1注冊(cè)產(chǎn)品)，分析綜述潤(rùn)滑脂的選用方法。

表1 各型食品級(jí)潤(rùn)滑脂的性能

3.1 速度

主軸轉(zhuǎn)速和軸承內(nèi)徑是軸承選用潤(rùn)滑脂的重要依據(jù)，通常以dmn值表示，根據(jù)不同類型滾動(dòng)軸承使用潤(rùn)滑脂的速度系數(shù)極限[5]，一般原則是速度越高，選用脂的的稠度越大(則錐入度越小)，以保證離心力作用下的潤(rùn)滑性能。

食品加工機(jī)械用軸承一般選用2#脂或3#脂(稠度)，對(duì)于高轉(zhuǎn)速的飲料灌瓶機(jī)可選用系列產(chǎn)品中的2#或3#脂；另外還要考慮其24 h運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，潤(rùn)滑脂的長(zhǎng)壽命問(wèn)題。對(duì)于長(zhǎng)壽命軸承的潤(rùn)滑，要求設(shè)計(jì)配方時(shí)充分考慮食品級(jí)潤(rùn)滑脂的高溫性能、氧化安定性，選擇合成型基礎(chǔ)油，從而延長(zhǎng)食品級(jí)潤(rùn)滑脂的壽命。

3.2 溫度

潤(rùn)滑脂可塑性和相似黏度隨溫度變化，高溫條件下，基礎(chǔ)油蒸發(fā)、氧化變質(zhì)，加速分油，甚至完全失效；低溫條件下，潤(rùn)滑脂稠度增加甚至完全凝固而失去流動(dòng)性，造成無(wú)法潤(rùn)滑。另外，不同的食品級(jí)潤(rùn)滑脂由于稠化劑不同，耐高溫性有較大差異，因此，潤(rùn)滑脂的選擇非常重要。

食品加工中高溫烘烤爐、微波爐中的軸承，使用溫度超過(guò)200 ℃，則必須選用耐超高溫食品級(jí)潤(rùn)滑脂，如食品級(jí)氟油脂；對(duì)于溫度不超過(guò)160 ℃的高溫軸承潤(rùn)滑則可選用一般高溫食品機(jī)械潤(rùn)滑脂等。冰柜、速凍機(jī)等設(shè)備的溫度低于-30 ℃，如果潤(rùn)滑脂失去流動(dòng)性，將會(huì)造成軸承啟動(dòng)困難，從而造成設(shè)備異常損壞，因此，必須選用耐低溫的潤(rùn)滑脂，如長(zhǎng)城高溫食品機(jī)械潤(rùn)滑脂等、克魯勃NH1 94-301等耐低溫食品級(jí)潤(rùn)滑脂。

3.3 載荷

食品加工機(jī)械種類繁多，軸承承載也千差萬(wàn)別，大多數(shù)食品機(jī)械承載均屬于中低載荷，因此對(duì)潤(rùn)滑脂的要求也各異。對(duì)重載荷應(yīng)適當(dāng)選用稠度小(錐入度大)的潤(rùn)滑脂，在高壓下還應(yīng)具有較高的油膜強(qiáng)度和極壓性能。如榨糖行業(yè)榨糖機(jī)軸承承受重載，必須要求基礎(chǔ)油黏度高、稠化劑含量高的食品機(jī)械潤(rùn)滑脂，具有優(yōu)異的極壓性能和抗磨損性能，可以為重載或低速軸承提供保護(hù)。

3.4 環(huán)境條件

食品加工中塵埃和腐蝕性介質(zhì)控制嚴(yán)格，主要是潮濕環(huán)境和水接觸條件。水果、蔬菜、肉類加工設(shè)備，飲料生產(chǎn)線等需要經(jīng)常進(jìn)行高溫堿液沖洗，水霧和噴射沖擊力會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑脂的流失，因此，要求軸承除具有良好的密封性能外，還必須要保證潤(rùn)滑脂具有良好的黏附性、抗水性、防銹性和耐堿性。而啤酒行業(yè)灌裝線，因潤(rùn)滑脂長(zhǎng)期接觸接觸啤酒，要求其具有優(yōu)異的耐乙醇性能，故須選用專用食品機(jī)械潤(rùn)滑脂。還有一些食品加工設(shè)備不需要連續(xù)生產(chǎn)，故對(duì)設(shè)備封存期間的防銹非常重視，因此，需選用防銹性能優(yōu)異的食品級(jí)潤(rùn)滑脂或與密封材料相容性良好的潤(rùn)滑脂。

3.5 潤(rùn)滑方式

經(jīng)調(diào)研獲悉，食品行業(yè)及制藥行業(yè)設(shè)備的潤(rùn)滑普遍采用脂潤(rùn)滑與集中潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑2種方式,其對(duì)食品級(jí)潤(rùn)滑脂的選擇要求大為不同。采用脂潤(rùn)滑方式時(shí)，通常選擇2#，3#食品級(jí)潤(rùn)滑脂；集中潤(rùn)滑方式設(shè)備選擇潤(rùn)滑脂時(shí)，根據(jù)集中潤(rùn)滑設(shè)備的形式、功率、管線長(zhǎng)短及粗細(xì)等，一般可選用0#，1#食品級(jí)潤(rùn)滑脂。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的發(fā)展和環(huán)保理念的深入人心，軸承潤(rùn)滑的發(fā)展方向?yàn)椋?)特殊設(shè)計(jì)的密封結(jié)構(gòu)，環(huán)保、耐用的密封材料，潤(rùn)滑劑無(wú)泄漏；2)采用特殊材料或表面處理的“無(wú)潤(rùn)滑”方式；3)開(kāi)發(fā)安全、環(huán)保、環(huán)境友好型的潤(rùn)滑脂。

食品級(jí)潤(rùn)滑脂作為一種專用脂，不僅必須用在食品、藥品加工設(shè)備中，隨著環(huán)保理念的提升和生產(chǎn)成本的降低，在通用機(jī)械設(shè)備的軸承、齒輪及鏈條中，在保證潤(rùn)滑性能的條件下，也逐漸向采用環(huán)保型、可降解、食品級(jí)潤(rùn)滑劑方向發(fā)展。

近年來(lái)中國(guó)石化已經(jīng)開(kāi)發(fā)出系列化的食品級(jí)潤(rùn)滑脂，并在其推廣應(yīng)用方面取得了一定成績(jī)，大量替代進(jìn)口產(chǎn)品。但國(guó)內(nèi)食品級(jí)潤(rùn)滑脂的評(píng)價(jià)和認(rèn)證體系還沒(méi)有建立，因此亟需建立評(píng)價(jià)和認(rèn)證體系，加強(qiáng)監(jiān)管，防止食品安全事故的發(fā)生。國(guó)內(nèi)各石油化工、油品、潤(rùn)滑脂生產(chǎn)廠家也應(yīng)順應(yīng)潤(rùn)滑脂的發(fā)展趨勢(shì)，投入資金研發(fā)更加環(huán)保的食品級(jí)潤(rùn)滑脂，特別是新工藝、添加劑的研發(fā)，進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)產(chǎn)食品級(jí)潤(rùn)滑脂的進(jìn)步。