食品機(jī)械用四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承潤(rùn)滑脂優(yōu)選

金瑩 崔慧娟 張娟榮

摘? ? ? 要： 為了研究食品機(jī)械用四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承潤(rùn)滑脂設(shè)計(jì)與合成運(yùn)用等方面問題，通過對(duì)某廠使用的大型灌裝機(jī)運(yùn)行實(shí)例展開相關(guān)研究，系統(tǒng)探討潤(rùn)滑脂所涉基礎(chǔ)油、稠化劑和添加劑相關(guān)內(nèi)容。研究得出未來的軸承潤(rùn)滑研究方向主要在如下方面突破：①新潤(rùn)滑材料伴隨新合成加工辦法的實(shí)施，進(jìn)一步完善了潤(rùn)滑脂添加劑體系;②特殊處理工藝及表面材料優(yōu)化的軸承“無潤(rùn)滑或微潤(rùn)滑”式的設(shè)計(jì)制造業(yè)發(fā)展;③食品級(jí)潤(rùn)滑脂的安全無毒性研發(fā)，部分可降解或延時(shí)可降解方式的使用。

關(guān)? 鍵? 詞：食品機(jī)械;轉(zhuǎn)盤軸承;潤(rùn)滑脂;化工機(jī)械

中圖分類號(hào)：TH133.33? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）11-2562-04

Optimal Selectionof Grease for Four-point Contact

Ball Bearing inFood Machinery

JIN Ying， CUI Hui-juan， ZHANG Juan-rong

（Xianyang Vocational Technical College， Xianyang 712000， China）

Abstract： In order to study the design，synthesisand application of grease for four-point contact ball bearing in food machinery， through the case study of a large-scale filling machine used in a factory， the base oil， thickener and additives of lubricating grease were systematically investigated. It was concluded that the future research direction of bearing lubrication was as follows：①the improvement of grease additive system with new synthetic processing method; ② the development of bearing "unlubricated or micro lubricated" design and manufacturing industry with special treatment process and surface material optimization; ③ the research and development of safety and non toxicity of food grade grease， some of which can be degraded.

Key words： Food machinery; Turntable bearing; Lubricating grease; Chemical machinery

隨著社會(huì)的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，以工業(yè)4.0為代表的新興制造業(yè)正在被推廣和普及。而日益增高的人工成本給自動(dòng)化智能化的大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)帶來了可能，在傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型食品加工行業(yè)就逐步開始推廣機(jī)械化生產(chǎn)[1]。當(dāng)前的食品機(jī)械品種繁多，通用性差異大，所以該行業(yè)正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。以國(guó)家相關(guān)管理機(jī)構(gòu)和龍頭企業(yè)為代表的相關(guān)食品機(jī)械行業(yè)規(guī)范的制定有利于食品加工機(jī)械設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化發(fā)展。隨著中國(guó)制造業(yè)的擴(kuò)大和技術(shù)力量的不斷成熟，在食品包裝產(chǎn)業(yè)這個(gè)分支上發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，相關(guān)分支可以補(bǔ)齊短板，進(jìn)行國(guó)際化視野的開拓以取得“中國(guó)機(jī)會(huì)”的發(fā)展機(jī)遇[2]。

食品機(jī)械的發(fā)展可以細(xì)分為加工機(jī)械和包裝機(jī)械兩種類別。為了滿足現(xiàn)場(chǎng)龐大的加工量、食品行業(yè)嚴(yán)格的衛(wèi)生要求和低粉塵、安全等條件的需要，相關(guān)機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮設(shè)計(jì)合規(guī)性、功能完善性和機(jī)構(gòu)的緊湊性，以保障設(shè)備耐久程度和維護(hù)便捷性等基礎(chǔ)要求[3]。龐大的加工量和不同種類產(chǎn)品的高負(fù)荷生產(chǎn)需要的食品機(jī)械動(dòng)力裝置（電動(dòng)機(jī)）與支承組件、傳動(dòng)組件匹配均衡，而軸承這一廣泛使用的零部件更需要進(jìn)行不同使用環(huán)節(jié)的系統(tǒng)優(yōu)化[4]。在食品機(jī)械設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)因?yàn)椴煌课簧婕暗妮S承工況條件不同，往往進(jìn)行多種類型的運(yùn)用。例如在大型灌裝機(jī)所用的關(guān)鍵性四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承就是其重要的旋轉(zhuǎn)、支承部件[5]。根據(jù)力學(xué)分析，相關(guān)零部件需要在軸向載荷和傾覆力矩上設(shè)計(jì)合規(guī)，能承受現(xiàn)場(chǎng)極端工況下的要求。基于此，不同食品加工環(huán)節(jié)下的極端溫度、濕度和生產(chǎn)線定期清洗等帶來的脈沖式力學(xué)變化工況都應(yīng)納入設(shè)計(jì)范圍。當(dāng)前相關(guān)研究中，其四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承的理論化模擬類研究已經(jīng)成熟，但是關(guān)鍵性的材料制造、易損件升級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)維修安裝等細(xì)則性實(shí)際問題卻因?yàn)槠髽I(yè)技術(shù)保密而公布較少[6]。本文基于某廠某型號(hào)具體成品化四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承使用情況，在理論結(jié)合實(shí)際的前提下，通過對(duì)潤(rùn)滑脂的選用分析進(jìn)行深入研究，在原機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)不做改變的前提下提高轉(zhuǎn)盤軸承使用壽命，通過運(yùn)用有限成本的潤(rùn)滑脂優(yōu)化全面提高機(jī)械設(shè)備工作效率，降低企業(yè)綜合成本。

1? 機(jī)械設(shè)備概況

某廠使用的大型灌裝機(jī)如圖1所示，其使用年限已達(dá)3年，使用工況良好。其中相關(guān)設(shè)備的轉(zhuǎn)盤軸承直徑達(dá)到了2 m以上。與相關(guān)設(shè)備類似，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)外圍的灌裝安裝部件開始旋轉(zhuǎn)使得轉(zhuǎn)盤軸開始承受離心力與設(shè)備自身重力帶來的軸向載荷影響。而在不同環(huán)境溫度和灌裝倉容量載荷前提下該種軸向載荷不同[7]。現(xiàn)場(chǎng)工作實(shí)際為該種設(shè)備的最大轉(zhuǎn)速可達(dá)278 r·min-1。使用過程中需要考慮安裝徑向力的調(diào)節(jié)與校準(zhǔn)，以確保離心力均衡前提下的轉(zhuǎn)盤軸承獲取的徑向載荷均勻，規(guī)避因?yàn)椴煌驇淼霓D(zhuǎn)盤軸承傾覆力矩載荷作用不均一帶來的設(shè)備損壞和生產(chǎn)中斷。

真實(shí)運(yùn)行過程中，其現(xiàn)實(shí)存在的轉(zhuǎn)盤軸承溫度變化、環(huán)境腐蝕前提下的零部件損耗是不可避免的。為了提高機(jī)械設(shè)備使用壽命，便于年度大修和復(fù)雜工況下的零部件及時(shí)更換，選用不同批號(hào)的脂潤(rùn)滑進(jìn)行保護(hù)，并及時(shí)補(bǔ)充。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維修維護(hù)規(guī)范，在確保轉(zhuǎn)盤軸承轉(zhuǎn)動(dòng)靈活且沒有卡滯的前提下，需要保證機(jī)械設(shè)備滿負(fù)荷前提下的穩(wěn)定運(yùn)行，其中需要掌控其空載啟動(dòng)摩擦力矩不大于350 mN·m （轉(zhuǎn)速為1 r·min-1）。該種設(shè)備（灌裝機(jī)）用轉(zhuǎn)盤軸承參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1。

需要注意的是因?yàn)楣嘌b機(jī)為典型的食品機(jī)械，其衛(wèi)生要求和環(huán)境要求極高，相關(guān)的減摩軸承除了為活動(dòng)部件降溫、降噪并充分提高設(shè)備壽命、優(yōu)化運(yùn)行可靠性之外，最主要的是確保潤(rùn)滑劑的密封性與耐久性[8]，所以通常需要在同種批號(hào)的潤(rùn)滑劑滿足機(jī)械設(shè)備使用的同時(shí)達(dá)到食品級(jí)別并且保證泄漏量達(dá)標(biāo)?，F(xiàn)場(chǎng)使用過程中灌裝機(jī)所涉及的四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承需要在高轉(zhuǎn)速下不斷工作，并且要在潮濕環(huán)境進(jìn)行定期清洗，其力學(xué)特征和環(huán)境影響程度較大，以下針對(duì)四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承潤(rùn)滑脂做簡(jiǎn)要介紹。

2? 潤(rùn)滑脂組成

潤(rùn)滑脂是一種常見的化工合成品，廣泛用于機(jī)械制造、航空航天和軍工國(guó)防等重工業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)前食品級(jí)潤(rùn)滑脂在國(guó)內(nèi)并不普遍，其產(chǎn)能和市場(chǎng)占有率較小，且相對(duì)價(jià)格較高。國(guó)內(nèi)常見的相關(guān)產(chǎn)品有：植物油、石蠟、凡士林等礦物油（圖2）。

但是因?yàn)檫@些礦物油分子鏈結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，所以在異常工況和長(zhǎng)時(shí)間使用情況下存在一些安全隱患。在一些特種高標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線上，或者現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)存在較高極壓抗磨性、機(jī)械安定性和使用壽命等特殊要求的滾動(dòng)軸承運(yùn)用前提下，企業(yè)通常還是選用進(jìn)口級(jí)別的相關(guān)產(chǎn)品。而隨著技術(shù)的累計(jì)，相關(guān)企業(yè)必須要進(jìn)行合適的食品級(jí)潤(rùn)滑脂選用，以在運(yùn)用國(guó)產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品的同時(shí)降低企業(yè)運(yùn)行成本。

2.1? 基礎(chǔ)油

基礎(chǔ)油為潤(rùn)滑脂制造過程中的關(guān)鍵，其介質(zhì)穩(wěn)定性、耐高低溫性、互溶性、減摩性能和多重極端環(huán)境下的抗氧化性是選取與制造的關(guān)鍵。通過多重物性與化學(xué)穩(wěn)定性的篩選，使用礦物油、合成油和生物（植物）油進(jìn)行單一或者互溶前提下的基礎(chǔ)油配比能極大優(yōu)化軸承的壽命。具體的礦物油類型居多，而大多為超精制礦物油，比如選用穩(wěn)定性較好的食品級(jí)白油，其中所研工廠設(shè)備就使用有鏈狀飽和碳?xì)浠衔镎?9%以上不含芳香烴類基礎(chǔ)油，其成本低廉，穩(wěn)定性適中。還有就是以PAO系列產(chǎn)品為代表的合成硅油，但鑒于該種產(chǎn)品適應(yīng)性局限等諸多問題雖然其各項(xiàng)性能優(yōu)異，但是推廣使用仍然受限。最后就是降解性優(yōu)異且無毒無害的生物油，該種油取材廣，但可用價(jià)值有限，特別是其氧化安定性、低溫流動(dòng)性、水解穩(wěn)定等關(guān)鍵參數(shù)反饋試驗(yàn)結(jié)果較差，需要進(jìn)行大量添加劑改良而完善其功能性，使用后續(xù)制造和合成成本較大，相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展受阻。

2.2? 稠化劑

稠化劑為潤(rùn)滑脂中關(guān)鍵性添加劑之一，通常稠化劑的主要功能為增加黏度，同時(shí)也起到降低濾失和減少摩阻的作用。交聯(lián)反應(yīng)方面，稠化劑與交聯(lián)劑進(jìn)行相互作用，使得高分子網(wǎng)架結(jié)構(gòu)凍膠按時(shí)間和強(qiáng)度有序形成，最終達(dá)到能懸浮一定密度金屬摩擦支撐劑并良好潤(rùn)滑的使用效果。在使用環(huán)節(jié)，相關(guān)的稠化劑必須選用無毒害性的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)合成工藝中通常運(yùn)用復(fù)合鋁皂、聚丙烯、鋰皂（12-羥基硬脂酸）等相關(guān)原料。而當(dāng)前最新的復(fù)合鈦皂在具有傳統(tǒng)化學(xué)特征的同時(shí)，還具有較為優(yōu)越的生物降解性，同時(shí)選用復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂也能在產(chǎn)品有限的前提下運(yùn)用復(fù)雜合成工藝進(jìn)行稠化反應(yīng)。

2.3? 添加劑

添加劑為潤(rùn)滑脂制造過程中的輔劑，其中運(yùn)用特定的定量抗磨劑能強(qiáng)化最終產(chǎn)品的耐磨性。在加入一定量的抗氧化劑能增強(qiáng)高溫環(huán)境下潤(rùn)滑脂的穩(wěn)定性。如果根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)匹配性的需要還有極壓添加劑、防銹劑等其他輔劑。其次因?yàn)樘砑觿樯疃群铣苫て?，通常有毒，所以在食品添加劑行業(yè)需要進(jìn)行微量添加或者后續(xù)合成過程中的無毒化處理，確保不存在安全隱患，當(dāng)前常見的添加劑有聚烷基乙二醇等低毒物質(zhì)。

3? 潤(rùn)滑脂選用影響因素

所研機(jī)械轉(zhuǎn)盤軸承用食品級(jí)脂潤(rùn)滑，潤(rùn)滑工藝為集中供脂式潤(rùn)滑，真實(shí)運(yùn)用過程中潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)便，免維護(hù)周期長(zhǎng)，易損件方便拆解。其中零部件軸承內(nèi)圈內(nèi)徑面以不同距離均勻設(shè)置有6個(gè)注脂孔，確保供油通暢。且通道與內(nèi)、外兩條滾道相連，注油裝置為密封循環(huán)式處理，油品潤(rùn)滑后會(huì)自動(dòng)進(jìn)行油路循環(huán)，確保堵塞密封正常。

3.1? 潤(rùn)滑脂選用

基于成本考量和安全框架下的潤(rùn)滑脂選用對(duì)食品機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn)乃至整條生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系巨大。通常在機(jī)械設(shè)備維護(hù)中潤(rùn)滑脂單項(xiàng)占比達(dá)3%～6%，但如若偷工減料或者潤(rùn)滑脂質(zhì)量出現(xiàn)問題則會(huì)引起整體流程工業(yè)生產(chǎn)事故，通常在食品級(jí)潤(rùn)滑脂的選用與維護(hù)領(lǐng)域需要系統(tǒng)考量所涉機(jī)械軸承轉(zhuǎn)速、生產(chǎn)工作溫度上下限、軸承載荷變化范圍以及多重安裝狀態(tài)下帶來的潤(rùn)滑方式變化。在統(tǒng)一工作環(huán)境中需要嚴(yán)格根據(jù)工作溫度和載荷條件兩個(gè)關(guān)鍵性可測(cè)物理量進(jìn)行選擇。在潤(rùn)滑脂測(cè)試抽樣環(huán)節(jié)，需要注意滴點(diǎn)、氧化安定性和低溫性能等指標(biāo)。如若根據(jù)軸承工作載荷進(jìn)行優(yōu)選，需要根據(jù)不同壓力對(duì)油膜強(qiáng)度和極壓性能進(jìn)行綜合考量。在需要特殊工作環(huán)境下時(shí)，如潮濕環(huán)境下的潤(rùn)滑脂，可以選擇不易溶于水的鈣基潤(rùn)滑脂，如果遇到低溫干燥環(huán)境，可以選擇易溶于水的鈉基潤(rùn)滑脂。在此基于相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出市面上不同特點(diǎn)的代表性食品級(jí)潤(rùn)滑脂參照性能，見表2。

3.2? 速度

平均內(nèi)徑和轉(zhuǎn)速值相乘定義為標(biāo)準(zhǔn)軸承速度dm·n值，該物理量表示軸承的高低速性能，設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中需要查表進(jìn)行滾動(dòng)軸承用潤(rùn)滑脂極限速度的優(yōu)選。通用選用原則為：工作要求轉(zhuǎn)速越高，則需要選擇大稠度潤(rùn)滑脂進(jìn)行高速離心力作用下的分油、潤(rùn)滑和降溫。據(jù)核算相關(guān)部件dm·n值? ? ? ?應(yīng)≤3×105 mm·r·min-1。而具體運(yùn)用在灌裝機(jī)用四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承最高工作轉(zhuǎn)速的潤(rùn)滑脂應(yīng)根據(jù)稠度對(duì)照表選用2號(hào)或3號(hào)脂。如若現(xiàn)場(chǎng)工作條件要求機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不停運(yùn)行需要考慮耐老化性能，可以適當(dāng)添加合成型基礎(chǔ)油或者抗氧化劑。

3.3? 溫度

軸承的高速運(yùn)行不可避免會(huì)產(chǎn)生摩擦生熱。而這種溫度一段不能快速消散或者超過使用范圍則會(huì)導(dǎo)致機(jī)械部件不可逆燒毀。必須根據(jù)潤(rùn)滑劑溫度界限進(jìn)行不同軸承使用精度下的優(yōu)選，通常工作錐入度較小、滴點(diǎn)較高、耐高溫的潤(rùn)滑脂更為優(yōu)越。潤(rùn)滑脂黏溫特性和溫度變化快慢以及參數(shù)息息相關(guān)，低溫條件下的潤(rùn)滑脂流動(dòng)性能下降，潤(rùn)滑性受限。而高溫環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑脂快速氧化。所以必須選用能適應(yīng)于200 ℃左右食品加工高溫烘烤爐旋轉(zhuǎn)前提下的潤(rùn)滑脂。

3.4? 載荷

不同的食品加工量和種類所需要選擇的設(shè)備與工作載荷是不同的，同一種類的食品機(jī)械設(shè)備載荷譜在不同工況下會(huì)出現(xiàn)不同特征?？偟恼f來可以分為輕載荷、一般載荷、中等載荷、重載荷和脈沖型沖擊載荷等。所以在潤(rùn)滑脂的選擇上需要考慮不同工況下的不同階段載荷對(duì)軸承的影響?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際優(yōu)選中需要評(píng)測(cè)稠度、油膜強(qiáng)度、極壓性能、黏度等關(guān)鍵性可測(cè)物理量。如果重載荷工況占比較高，就要求潤(rùn)滑脂選用較高黏度的基礎(chǔ)油并且添加合適的高含量稠化劑以優(yōu)化產(chǎn)品的極壓性和抗磨損性。

3.5? 工作條件和潤(rùn)滑方式

食品機(jī)械大多在高溫、高濕的環(huán)境下工作，且需要定期水力清洗，對(duì)清潔度和粉塵等要求較高。所以相關(guān)的各環(huán)節(jié)軸承需要密封性滿足要求，而相關(guān)的潤(rùn)滑脂更是需要適應(yīng)抗水性、耐堿性且在潤(rùn)滑良好的同時(shí)保護(hù)設(shè)備不生銹。而在特殊的工作條件可能還會(huì)遇到化學(xué)性腐蝕，例如啤酒生產(chǎn)線。潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑和集中潤(rùn)滑不同方式的設(shè)立可以給軸承帶來不同的潤(rùn)滑效果。而選用0-1號(hào)食品級(jí)潤(rùn)滑脂也需要基于設(shè)備潤(rùn)滑方式進(jìn)行修訂。

4? 結(jié)束語

隨著潤(rùn)滑劑新合成工藝和添加劑研發(fā)的技術(shù)進(jìn)步，結(jié)合軸承設(shè)計(jì)和食品機(jī)械系統(tǒng)工程優(yōu)化而帶來的優(yōu)異參數(shù)界限，軸承的設(shè)計(jì)制造會(huì)成為成體系的系統(tǒng)科學(xué)而得到全面提升。

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