某高速高載異步減速電機潤滑性能分析及試驗研究

王憲忠，趙 軍，褚維恒

(西安微電機研究所，西安 710077)

0 引 言

近年來，隨著電子電力技術和電機技術的飛速發(fā)展，高轉速越來越被人們重視，對此類產(chǎn)品的需求也越來越大。電機轉速的高低與體積和質量密切相關，所以希望提高轉速以減小體積重量，增加功率密度，但高轉速電機往往會受到發(fā)熱及冷卻等方面的限制。

從電機發(fā)熱角度看，由于轉速很高，通常頻率會很高，而電機基本鐵耗是由主磁場在鐵心內發(fā)生變化時所產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗[1]，磁滯損耗與頻率成正比，渦流損耗與頻率的平方成正比，因此鐵耗增大會非常突出，發(fā)熱量大幅增加；從機械發(fā)熱角度看，高轉速下系統(tǒng)轉矩越大，電機功率就越高，而功率越高，機械效率一定的情況下，功率損失就越大，發(fā)熱就越嚴重；從散熱角度看，電機轉速越高，體積重量越緊湊，散熱條件越差。各方面的因素使溫升成為一個非常棘手的問題。

本電機系統(tǒng)(以下簡稱"電機"，包括電機主體和減速器)由于用戶空間結構需求的限制，比起常規(guī)電機，電機直徑進一步縮小，而直徑的平方與長度成反比關系，致使長度大幅增加。這種大長細比高速軸系結構更為緊湊，散熱面積更小，散熱問題更為突出。電機如圖1所示，其中電機主體為三相異步電動機，減速器為三級定軸傳動結構。

圖1 電機系統(tǒng)

電機輸出功率3.5 kW，輸出扭矩20 Nm，在空間結構限制下，電機內部減速器高功率密度輸出，屬于高速高載工況。查閱相關資料，減速器用軸瓦推薦的許用速度為1.5～6.0 m/s，許用壓強為0.5～4.0 MPa，許用pv值為3～20 MPa·m/s。本電機內減速器軸系零件的最大線速度6.13 m/s，軸頸最大壓強7.16 MPa，最大pv值16.21 MPa·m/s，均高于或接近許用范圍上限。

本文將電機通過兩組試驗，分別從潤滑的充分性、潤滑循環(huán)的流通性對潤滑性能進行比較分析。每組試驗分別在不同潤滑條件下進行作為對比，負載與電機輸出端剛性連接。

1 潤滑充分性試驗

1.1 試驗情況

(1)試驗A：各齒輪、軸瓦及軸表面滴入少量美孚SHC527潤滑油，負載緩慢加載至10 Nm時發(fā)生“抱死”現(xiàn)象，電機停止運行，總運行時間不超過20 s。

對電機進行拆解，發(fā)現(xiàn)電動機部分完好，減速器高速軸上有從軸瓦剝落的黃色碎屑，并且轉矩越高的軸，黃色屑痕越明顯，如圖2、圖3所示。

圖2 高速軸(轉矩較小)

圖3 較高速軸(轉矩較大)

(2)試驗B：高速軸磨損部位修復后，將潤滑油替換為賽博18號潤滑脂，各齒輪、軸瓦及軸表面均涂抹適量潤滑脂。負載緩慢加載至20 Nm運轉正常，電機總運行時間60 s運轉正常。

對電機進行拆解，電動機及減速器各零部件均未發(fā)現(xiàn)異常。

1.2 試驗結果分析

由于試驗A加入了少量潤滑油，形成的潤滑油膜初期可以將摩擦表面隔開，但在齒輪及軸瓦摩擦表面留存時間極短，短時摩擦表面溫度就會急劇上升，潤滑油粘度下降，油膜厚度變薄，附著力下降，軸瓦部位及齒面上的潤滑油很快流失完，且沒有新的潤滑油作為補充。另一方面，高溫導致軸和軸瓦發(fā)生熱膨脹，軸瓦間隙消失使金屬接觸，潤滑油潤滑完全失效，造成"燒死"的現(xiàn)象，軸瓦部位嚴重磨損。并且軸轉矩越高，功率損失就越大，發(fā)熱量越大，黃色屑痕越明顯。而試驗B潤滑脂具有高于潤滑油的吸附力及粘度，比潤滑油在齒輪及軸瓦摩擦表面留存時間長，短時可以形成一定的承載油膜，并保持一定厚度，起到一定的潤滑作用。

可以看出，潤滑對高速高載減速電機的運行起決定性作用。如無潤滑或潤滑量不足，電機短時都將無法正常運行。

2 潤滑循環(huán)流通性試驗

2.1 試驗C情況

試驗C：電機浸泡在美孚SHC527潤滑油中，負載緩慢加載至20 Nm，持續(xù)運行一段時間后，電機發(fā)生冒煙現(xiàn)象。

對電機進行拆解，發(fā)現(xiàn)電機轉子表面及定子內腔局部變黑，如圖4所示。減速器高速軸上也有少量黃色屑痕。

圖4 定子內腔及轉子表面

2.2 試驗C結果分析

電機高速高載高溫的持續(xù)運行，電機鐵耗及轉子在定子內轉動引起的潤滑油剪切摩擦損失等，在電機轉子表面及定子內腔產(chǎn)生大量的熱能，熱量不能及時排出，留存于封閉腔體內的潤滑油溫度過高，遠遠超出潤滑油的閃點，導致潤滑油燃燒，將電機轉子表面及定子內腔局部熏黑。

減速器高速軸上還有少量黃色屑痕，可以看出軸瓦部位發(fā)熱還是比較大?；瑒虞S承發(fā)熱，主要是軸承的散熱速度低于軸承產(chǎn)生熱量的速度，打破了軸承的熱平衡而使軸承升溫[2]，再加上高速高載的持續(xù)運行，由齒輪摩擦造成的齒輪嚙合損失，高速軸在軸瓦內轉動引起的潤滑油膜的剪切摩擦損失等，都轉換為大量的熱能，熱量不能及時排出，潤滑油很難持續(xù)形成理想的承載油膜，導致潤滑狀態(tài)不良。

因此有必要對電機進行優(yōu)化，增加潤滑油循環(huán)回路，以帶走產(chǎn)生的大量熱量，達到冷卻的效果。

2.3 電機優(yōu)化

對電機的優(yōu)化主要從以下幾個方向進行：

(1) 軸瓦孔內加工螺旋油槽，以提高潤滑的充分性；軸瓦孔側加工引油的通油槽和與殼體外部連通的通油孔，以提高潤滑油循環(huán)流通性，如圖5所示。

圖5 通油槽及通油孔

(2) 電動機加工與減速器連通的通油孔，促進電動機內潤滑油的循環(huán)流通性。

(3) 適度放大軸和軸瓦配合間隙。根據(jù)軸轉速及體積的不同，軸和軸瓦之間的合理配合間隙也不同。轉速越大，要求間隙越大，但間隙太大容易引起振動；轉速越小，要求間隙也越小，但間隙太小容易造成潤滑不良。分析該故障主要是由潤滑不良引起的，故對軸與軸瓦間的配合間隙進行了檢測并適度放大，以保證軸瓦與軸之間的合理間隙和良好接觸。

(4) 在滿足潤滑油膜的承載力和強度的前提下，選用粘度更低的美孚SHC526潤滑油。低粘度潤滑油在高速機器設備潤滑效果良好。根據(jù)油楔形成的理論，高速時主軸與軸瓦之間的潤滑處于液體潤滑的范圍，必須采用低粘度的油以降低內摩擦；低速時處于邊界潤滑的范圍，必須采用高粘度的油[3]。本電機軸系整體轉速很高，宜采用低粘度潤滑油。低粘度潤滑油優(yōu)點是內摩擦系數(shù)小，所以克服摩擦力的能量消耗少，油流動性好，易進入各潤滑點的摩擦表面，具有良好的冷卻作用，并可將粘附在摩擦表面上的雜質和由于研磨而產(chǎn)生的金屬微粒帶走[4]。

2.4 試驗D情況

試驗D：對電機結構進行優(yōu)化，增加潤滑油循環(huán)油路，電機浸泡在美孚SHC526潤滑油中，負載緩慢加載至20 Nm，電機持續(xù)運轉兩小時正常。此時，電機高速高載運行，由轉子、定子、齒輪副、軸系、軸瓦及殼體等組成了一個熱平衡系統(tǒng)，形成處于平衡狀態(tài)的不均勻溫度場。

2.5 試驗D結果分析

可以看出，改善后的潤滑條件可保證充分的潤滑點，摩擦副及時得到潤滑，同時循環(huán)流動的潤滑油將摩擦副產(chǎn)生的磨擦熱帶走，電機及時得到冷卻，達到潤滑良好、冷卻有效、減輕摩擦、降低磨損、減少功率消耗、延長使用壽命的目的。

3 結 語

在不同潤滑條件下對高速高載減速電機進行試驗，探討分析了造成的故障及其原因，并通過優(yōu)化結構改善了潤滑條件。結果表明，電機高速高載高溫持續(xù)運行下，保證稀油潤滑的充分性，提高潤滑油循環(huán)的流通性，可對電機有效潤滑和有效冷卻，實現(xiàn)電機的穩(wěn)定運行。對其他減速電機的設計提供了一定的參考價值。