油霧潤(rùn)滑在電機(jī)軸承裝置中的應(yīng)用研究

馮嬋　王曉俊　胡士建　徐文輝

摘要：根據(jù)油霧潤(rùn)滑工作原理，設(shè)計(jì)了電機(jī)軸承裝置的油霧潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)；應(yīng)用Flunt流場(chǎng)分析模塊，建立滾動(dòng)軸承流體域和溫度場(chǎng)模型，對(duì)該油霧潤(rùn)滑軸承裝置進(jìn)行了軸承熱流耦合溫度場(chǎng)仿真分析。結(jié)果表明，油霧潤(rùn)滑條件下軸承腔的整體溫度較低，軸承油霧潤(rùn)滑效果較好。

Abstract： A mist lubricant bearing structure of the motor is designed according to the working principle of oil mist lubrication； the bearing fluid field and temperature field model is established using Flunt flow field analysis module， and the bearing was coupled to a heat temperature field simulation analysis. It shows that， under the mist lubrication， the overall temperature is low， and the lubrication has a good effect.

關(guān)鍵詞：電機(jī)滾動(dòng)軸承裝置；油霧潤(rùn)滑；FLUNT；溫度場(chǎng)

Key words： motor rolling bearing unit；oil mist lubrication；FLUNT；temperature field

中圖分類號(hào)：TH133.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）30-0071-02

0 引言

電機(jī)滾動(dòng)軸承多采用脂潤(rùn)滑和稀油潤(rùn)滑，近年來(lái)，油霧潤(rùn)滑作為一種新型的集中潤(rùn)滑方式也在逐步發(fā)展，并在石化、鋼鐵、機(jī)械等行業(yè)機(jī)泵群中得到廣泛應(yīng)用[1]。采用油霧潤(rùn)滑時(shí)，油霧能隨壓縮空氣擴(kuò)散到所有需要潤(rùn)滑的摩擦部位，在摩擦副表面形成完整連續(xù)的油膜，潤(rùn)滑效果良好[2，3]；油霧潤(rùn)滑設(shè)備便于安裝，且可遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)化程度高，因此將油霧潤(rùn)滑技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)軸承潤(rùn)滑，能有效解決加注潤(rùn)滑脂不便、加注量不好控制及潤(rùn)滑油浪費(fèi)等問(wèn)題，使電機(jī)更好的適應(yīng)復(fù)雜運(yùn)行工況和環(huán)境。

本文將油霧潤(rùn)滑技術(shù)與電機(jī)實(shí)際運(yùn)行相結(jié)合，設(shè)計(jì)了電機(jī)的滾動(dòng)軸承裝置油霧潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，分析了該潤(rùn)滑方式對(duì)軸承潤(rùn)滑的工作原理；建立軸承腔的溫度場(chǎng)模型，研究分析了滾動(dòng)軸承在油霧潤(rùn)滑條件下軸承腔內(nèi)部的溫度分布特點(diǎn)。通過(guò)此次設(shè)計(jì)和分析，表明該潤(rùn)滑方式對(duì)提高軸承裝置的潤(rùn)滑效果、降低軸承溫升有良好效果，對(duì)電機(jī)選擇該潤(rùn)滑方式提供一定的指導(dǎo)。

1 軸承裝置油霧潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)

1.1 軸承裝置油霧潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)

油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)工作原理是引入壓縮空氣，通過(guò)高科技霧化工藝，將形成的高速氣流與潤(rùn)滑油在霧化器內(nèi)部混合而形成油霧，油霧隨壓縮空氣經(jīng)管路輸送到各個(gè)潤(rùn)滑部位，彌散于各潤(rùn)滑表面，形成潤(rùn)滑油膜，起潤(rùn)滑作用，而空氣則逸出大氣中。根據(jù)此工作原理，簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)了電機(jī)的軸承裝置油霧潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

從圖1可以看出，壓縮空氣與潤(rùn)滑油混合形成的油霧，由垂直于軸承內(nèi)外圈之間滾道的凝縮嘴直接噴入滾道內(nèi)的保持架和滾動(dòng)體上，油霧顆粒附著在滾動(dòng)體和保持架上，形成潤(rùn)滑油膜。并且隨著軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流，油霧充滿整個(gè)軸承腔，進(jìn)而能充分潤(rùn)滑各個(gè)滾動(dòng)體和滾道。多余未形成潤(rùn)滑油膜的油霧顆粒聚積后形成油滴，留在軸承腔底部，也可起到潤(rùn)滑作用；油量聚積到一定量時(shí)，會(huì)通過(guò)排油孔流入回油管。為防止油霧和聚積后的潤(rùn)滑油進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部或泄露進(jìn)入外部空氣中，軸承裝置兩端和內(nèi)外蓋與接觸面安裝有密封結(jié)構(gòu)。

1.2 軸承裝置油霧潤(rùn)滑應(yīng)用特點(diǎn)

為保證良好的效果，凝縮嘴噴油口基本正對(duì)內(nèi)外圈之間滾道的中心，保持90°垂直。油霧氣體直接噴到滾動(dòng)體上，不但能降低軸承溫度，還能起到清潔軸承滾動(dòng)體的作用。氣流和油霧進(jìn)入軸承室內(nèi)可以冷卻軸承，也使軸承腔存在一定的輕微壓力（約0.5MPa）[3]，從而防止灰塵等雜質(zhì)進(jìn)入軸承腔和電機(jī)內(nèi)部，起到防護(hù)作用。

壓縮空氣和進(jìn)口處油霧壓力可以精確調(diào)節(jié)，溫度均可以設(shè)置傳感監(jiān)測(cè)器，并可設(shè)置報(bào)警裝置。相比其它潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，油霧潤(rùn)滑形成的油膜均勻且連續(xù)，能充分潤(rùn)滑各個(gè)摩擦部位；壓縮空氣也會(huì)帶走部分摩擦所產(chǎn)生的熱量，降低軸承溫度；使用很少量的潤(rùn)滑油，節(jié)省潤(rùn)滑成本。

此潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)對(duì)于工作環(huán)境溫度高、連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)、或者需要自動(dòng)化管理的電機(jī)，較為適用。對(duì)油霧量的控制和計(jì)算許多文獻(xiàn)已做過(guò)研究[4，5]，調(diào)節(jié)好進(jìn)油油霧量和氣體壓力，潤(rùn)滑效果會(huì)超過(guò)普通軸承油脂潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)。本文對(duì)于采用油霧潤(rùn)滑方式的軸承腔內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析。

2 軸承腔溫度場(chǎng)分析

2.1 軸承內(nèi)部摩擦生熱計(jì)算

根據(jù) Palmgren 的經(jīng)驗(yàn)公式，軸承的摩擦力矩包括潤(rùn)滑引起的潤(rùn)滑劑黏性摩擦力矩和負(fù)荷引起的摩擦力矩 M1[6]：

M=M0+M1=10-7f0（vn）2/3dm3+f1p1dm （1）

式中：dm為軸承節(jié)圓直徑，f0與軸承類型和潤(rùn)滑方式有關(guān)，n為軸承轉(zhuǎn)速，v為潤(rùn)滑劑工作溫度下運(yùn)動(dòng)黏度，f1與軸承類型和所受負(fù)荷有關(guān)，p1為確定軸承摩擦力矩的計(jì)算負(fù)荷。

軸承發(fā)熱量是由摩擦發(fā)熱引起的功率損耗，若不考慮軸承內(nèi)具體部件的功率損失，軸承發(fā)熱量[5]：

NR=πnM/30 （2）

式中：M 為軸承摩擦總力矩；n為軸承轉(zhuǎn)速。

2.2 軸承模型的建立及簡(jiǎn)化

本文以一低壓電機(jī)（YB3-225-2P）軸承裝置為例，使用的軸承為SKF6314軸承，其具體參數(shù)如表1。

本次計(jì)算區(qū)域是軸承固體域和流體域，如圖2所示，為便于對(duì)網(wǎng)格劃分，對(duì)軸承模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并作如下假設(shè)：

①看做密封軸承，油霧集中進(jìn)出，油霧只從模型進(jìn)口進(jìn)入，由模型出口排出；

②油霧顆粒<5μm，把油霧顆粒群看做單一氣體。

③軸承內(nèi)外圈與滾珠之間間隙0.5mm，便于分離旋轉(zhuǎn)區(qū)域和有限元網(wǎng)格劃分。

用ICEM網(wǎng)格劃分使用四面體網(wǎng)格生成技術(shù)，模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為2055607個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為320782個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.3以上。網(wǎng)格如圖3所示。

2.3 參數(shù)設(shè)置

軸承所需油霧量可由以下公式估算[6]：

Qm=d·R/0.35 （3）

式中：Qm為進(jìn)口處油霧量，L/min；R為轉(zhuǎn)子列數(shù)；d為軸承內(nèi)徑，dm。

仿真采用Fluent軟件，湍流模型采用采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ξ；進(jìn)口使用質(zhì)量流量進(jìn)口，進(jìn)口流量取2L/min，進(jìn)口油霧溫度為常溫，本文取20℃，即293K，出口為壓力出口，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；轉(zhuǎn)速為3000rpm，軸承的初始溫度取26℃，即299K。

應(yīng)用Fluent求解過(guò)程中，設(shè)置動(dòng)量方程、連續(xù)性方程收斂判據(jù)為迭代殘差值低于10-6，能量方程的收斂判據(jù)設(shè)置為10-8。

2.4 流場(chǎng)特性仿真結(jié)果

圖4和圖5分別顯示了軸承3000rpm轉(zhuǎn)速下的流體域和截面溫度云圖。由分析可知，軸承溫度變化為36-60℃，高溫區(qū)域集中在軸承的內(nèi)外滾道及滾珠壁面附近，壁面高溫區(qū)為連續(xù)區(qū)域。流體隨著旋轉(zhuǎn)方向?qū)L珠的冷卻降溫比較明顯。

3 結(jié)論

①根據(jù)油霧潤(rùn)滑工作原理，考慮油霧進(jìn)出、密封、設(shè)計(jì)了電機(jī)軸承裝置油霧潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，討論了油霧在潤(rùn)滑軸承腔時(shí)的工作特點(diǎn)。②對(duì)軸承進(jìn)行了流體域和溫度場(chǎng)分析；通過(guò)分析，采用該潤(rùn)滑方式，在油霧潤(rùn)滑條件下，軸承最高溫度較低，高溫區(qū)域離散分布在滾珠與壁面接觸的部位，且軸承腔除壁面外其他區(qū)域的溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軸承腔的最高溫度，表明軸承的潤(rùn)滑效果較好。③油霧潤(rùn)滑是一種新型集中潤(rùn)滑方式，潤(rùn)滑效果較好且便于遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，但在實(shí)際使用該潤(rùn)滑方式過(guò)程中，還需加強(qiáng)對(duì)進(jìn)油壓力和速度、油霧量及電機(jī)密封方面的研究，優(yōu)化潤(rùn)滑效果，并防止油霧泄露進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。

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