不同溫度環(huán)境下潤滑油對(duì)電機(jī)的影響

謝仁海，曹鍇，稅建春

（中國工程物理研究院動(dòng)力部，綿陽621000）

1 電機(jī)軸承潤滑油選型概述

1.1 潤滑油的基本組成

潤滑油是一種或多種稠化劑在一種或多種液體潤滑油中分散而成的固體—半固態(tài)制品。普通潤滑油的增稠劑在10%-20%左右，基礎(chǔ)油70%-90%，添加劑和填充物的5%以內(nèi)。潤滑油的性能取決于它的組成和組成成分的結(jié)合。

近年來，隨著電子顯微鏡、X 射線衍射、熱分析等技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)潤滑油的內(nèi)在結(jié)構(gòu)也有了更深刻的認(rèn)識(shí)。例如，人們發(fā)現(xiàn)，皂基潤滑劑是由各種尺寸和形狀組成的皂纖維組成的網(wǎng)狀骨架，而這種基質(zhì)油被認(rèn)為是一種具有凝膠結(jié)構(gòu)的分散系統(tǒng)。該體系的分散性介質(zhì)為液態(tài)潤滑劑，而分散性為肥皂纖維。通過電子顯微鏡觀察到的各種皂基油脂分散相以繩纖維、針狀和片狀為主；無皂化油脂的分散相有顆粒狀、針狀、棒狀、片狀等?？傊瑵櫥偷慕M成比較復(fù)雜，除了加入增稠劑的種類和含量、基礎(chǔ)油性質(zhì)、極性化合物（例如添加劑）等因素外，還與制造過程有關(guān)。

以下是對(duì)其組成進(jìn)行逐個(gè)分析：在潤滑油中，基礎(chǔ)油的比重最大，其含量為70%～95%，其對(duì)潤滑油的性能有很大的影響。基礎(chǔ)油的煉制水平對(duì)其外觀及高溫氧化特性有一定的影響；基礎(chǔ)油的粘性和移動(dòng)粘度對(duì)增稠劑的稠化性能、膠體穩(wěn)定性有很大的影響。比如，潤滑油的汽化和與橡膠密封件的兼容性，基本上是取決于基礎(chǔ)油，所以，選用適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)油很有必要。根據(jù)石油的性質(zhì)，可以分為兩類：一類是礦物基礎(chǔ)油，另一類是合成基礎(chǔ)油。礦物基礎(chǔ)油是通過蒸餾、溶劑精制、脫蠟、脫瀝青、加氫處理、精制，是目前使用最廣泛、最普遍和最經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)油。

礦物油的種類主要有：環(huán)烷基油、石蠟油、中間基油。在配制潤滑油時(shí)，應(yīng)依據(jù)潤滑狀況選用礦物油，一般適用于低溫、輕載、高速軸承的低粘度低傾點(diǎn)基礎(chǔ)油。對(duì)于中速、中負(fù)荷、溫度不高的潤滑油，應(yīng)選用中低粘度的基礎(chǔ)油；高負(fù)荷、高溫、低速時(shí)，應(yīng)選擇高粘度的基礎(chǔ)油。合成基礎(chǔ)油是指在合成過程中，通過聚合、縮合、酯化等多種化學(xué)成分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而得到的。

在潤滑油中，增稠劑是一種必不可少的固化劑，其含量在10%-20%左右。其在潤滑油中構(gòu)成了一個(gè)立體的骨架，使流體的潤滑油變得粘稠，變成非流動(dòng)的固態(tài)或半固態(tài)，從而形成一種膠狀物質(zhì)，從而確定了潤滑油和基礎(chǔ)油的各種特性。比如，稠化劑的種類和用量對(duì)潤滑油的耐水性、耐熱性、粘度等起著重要作用。隨著增稠劑用量的增加，其增稠性能也隨之提高；隨著增稠劑的耐熱、耐水性能的提高，其耐高溫、耐水性能也隨之提高。加入添加劑是為了提高潤滑油的性能。一般情況下，潤滑油也是適合于潤滑劑的，然而，由于潤滑油中的極性成分多為極性物質(zhì)，而潤滑油又是膠態(tài)分散系統(tǒng)，因此，在選用添加劑時(shí)，除了要提高潤滑油的性質(zhì)外，還應(yīng)將添加劑的穩(wěn)定性因素考慮在內(nèi)。近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，納米材料作為一種特殊的添加劑，得到了廣泛的重視。

1.2 不同工作溫度下的潤滑油選擇

電動(dòng)機(jī)軸承潤滑部位的工作溫度對(duì)潤滑油的選用起著至關(guān)重要的作用。通常使用潤滑油的零件是滾動(dòng)軸承，根據(jù)軸承溫度對(duì)潤滑油使用壽命的影響，在10～15℃時(shí)，潤滑油的使用壽命將下降50%左右。

在低溫潤滑中，選用優(yōu)良的低溫潤滑油顯得尤為重要。通常情況下，礦物油可以在—30℃以上使用，但是低于—30℃時(shí)，就需要用人造石油。由于儀表用微軸承的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很低，所以要特別注意潤滑油的選用。合成潤滑油的最低溫度為—80℃，內(nèi)部軸承，如機(jī)床、馬達(dá)、手動(dòng)工具、儀器和精密機(jī)器等，通常在10～50℃之間工作，一般情況下，鋰基潤滑脂是足夠的。在戶外使用的機(jī)械軸承，其工作溫度通常會(huì)隨著氣溫的不同而不同，中國大多數(shù)地方都是—40～40 攝氏度，因此鋰基潤滑脂也可以達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)（某些地方的低溫除外）。然而，當(dāng)軸承載荷增大、轉(zhuǎn)速增大、環(huán)境溫度上升、潤滑不良、長時(shí)間不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)等情況下，軸承的溫度會(huì)上升，甚至?xí)?dǎo)致軸承的磨損。此時(shí)，應(yīng)選用具有良好的耐溫性的潤滑油，例如：復(fù)合型鋰基潤滑脂以及多種人造潤滑油。

在高溫下，用于鋼鐵廠的連鑄、熱軋、紡織工業(yè)的烘缸、蒸籠、烘干室、水泥廠的熱風(fēng)爐、汽車烤漆室機(jī)、化工行業(yè)的各種高溫反應(yīng)器中的軸承，其工作環(huán)境溫度在200 攝氏度左右。采用常規(guī)的礦物油潤滑劑無法達(dá)到上述目的，應(yīng)選用具有較高性價(jià)比的合成潤滑劑，如聚α—烯烴復(fù)合鋰基脂、苯基硅酰胺鹽潤滑劑、氟醚聚四氟乙烯潤滑劑等。在一些低溫環(huán)境中，例如醫(yī)療設(shè)備、制冷設(shè)備和北極等地方，一般的礦物油潤滑劑也是不夠的。

2 軸承潤滑油發(fā)展現(xiàn)狀

潤滑油產(chǎn)業(yè)從建國之初的零散手工作坊，發(fā)展到目前采用接觸器、三次攪拌皂化釜、常壓皂化罐等高效制脂器、橡膠磨得均勻化和高效的真空脫氣機(jī)，廣泛采用高效節(jié)能的熱煤爐和潤滑油輸送泵，以及采用先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備、工藝技術(shù)，如生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化控制。經(jīng)過30年的發(fā)展，我國的潤滑油產(chǎn)品結(jié)構(gòu)已經(jīng)由一般的鈣基潤滑油向具有高科技含量、高質(zhì)量的鋰基潤滑油發(fā)展。從滴點(diǎn)法的觀點(diǎn)來看，一般情況下，潤滑油的滴點(diǎn)值愈高，則對(duì)工藝的要求愈高。1982 年，國內(nèi)僅有三大類潤滑油：復(fù)合鋁基潤滑油、復(fù)合鈣基潤滑油、膨潤土潤滑油。2010 年，公司主要產(chǎn)品有：復(fù)合鋰基潤滑油、聚脲潤滑油、磺化鹽酸鈣復(fù)合潤滑油、鋁基復(fù)合潤滑油、鈣復(fù)合潤滑油、鈣復(fù)合潤滑油、鈣復(fù)合潤滑油、膨潤土潤滑油等6大系列潤滑油。

在十一五期間，中國的潤滑油產(chǎn)量繼續(xù)高速增長，到了2010 年，其產(chǎn)量已達(dá)4.676×105 噸，占全球總潤滑油產(chǎn)量的42%，比北美、歐洲、日本的總和高出了42%，比北美、歐洲、日本的平均水平高出了5%-6%。但同時(shí)，我國的石油消費(fèi)也是全球最大的，每年生產(chǎn)4.676×105噸的產(chǎn)品，基本上都是在國內(nèi)銷售的。就單位GDP 的能源消耗而言，我國在2010 年的國內(nèi)生產(chǎn)總值比美國高出40%，而我國在此期間所消耗的潤滑油數(shù)量是美國的2倍、歐洲的3 倍、日本的6 倍。總之，國內(nèi)潤滑油的質(zhì)量和規(guī)模都比過去有了長足的發(fā)展，但是在潤滑油生產(chǎn)過程中，由于機(jī)械潤滑效率低下，造成了大量的浪費(fèi)，這表明我國潤滑油的品質(zhì)與世界先進(jìn)水平還有很大的差距。

3 潤滑油在電機(jī)軸承中的工作原理

在實(shí)際使用中，新潤滑的軸承在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，先將潤滑脂從轉(zhuǎn)動(dòng)部件拋出，并在軸承罩內(nèi)腔內(nèi)快速循環(huán)冷卻，然后從轉(zhuǎn)動(dòng)的支承架外側(cè)進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)部件。潤滑油隨后從轉(zhuǎn)動(dòng)支承的外側(cè)切進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，在轉(zhuǎn)動(dòng)部件的表面上，有一小部分潤滑劑從纖維網(wǎng)中抽離，從而在轉(zhuǎn)動(dòng)部件和支承座的表面上形成一層潤滑薄膜；剩余的潤滑劑保持在纖維網(wǎng)內(nèi)，作為冷卻和密封。根據(jù)潤滑油在軸承中的工作原理，馬達(dá)軸承中的潤滑油并不依賴于金屬表面上的潤滑油，而是在軸承罩的空腔中，就像液體一樣，在軸承罩中不停地流動(dòng)，從旋轉(zhuǎn)部件中被拋出，進(jìn)入軸承罩的凹槽，再從軸承帽的孔洞中返回，如此反復(fù)地進(jìn)行著剪切和冷卻。該工藝不但使軸承內(nèi)的潤滑油保持穩(wěn)定，同時(shí)也能使軸承內(nèi)的溫度達(dá)到均衡。

4 軸承的工作溫度與潤滑油的關(guān)系分析

4.1 溫度對(duì)電機(jī)潤滑油機(jī)械安定程度的影響機(jī)制

溫度的改變對(duì)潤滑油的力學(xué)穩(wěn)定性有很大的影響。例如，在25℃下進(jìn)行50,000 次的復(fù)合鈣基潤滑脂的針入程度由165 提高至290（1/10 毫米），增加76%；80℃時(shí)，針入量增加116%，由184 增加至397（1/10 毫米），再循環(huán)100,000 次，就會(huì)形成液體。同樣的問題，也適用于鋰基潤滑脂。因此，需要使用者在低溫下進(jìn)行潤滑，否則，在長時(shí)間的工作中，會(huì)產(chǎn)生很大的損失和漏油，從而降低和縮短潤滑油的壽命。

4.2 引起電機(jī)軸承溫度提升的原因分析

首先，馬達(dá)的潤滑狀況會(huì)影響馬達(dá)的工作溫度。結(jié)果表明，過量添加潤滑油會(huì)導(dǎo)致軸承的摩擦扭矩增大。例如，在3000 轉(zhuǎn)/分鐘的鋰基潤滑脂中，在裝料由18%至56%的情況下，摩擦扭矩增大至140kg/cm，導(dǎo)致溫度升高，見圖1：

圖1 填充與電機(jī)軸承溫升的關(guān)系

圖2 不同潤滑油用量與軸承溫度、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的關(guān)系示意圖

通常情況下，在超過三分之二的最大容積時(shí)，會(huì)出現(xiàn)漏油的情況。文獻(xiàn)中提到，“大部分潤滑意外都是由于潤滑過多而非潤滑劑不足”。軸承油的加入量應(yīng)在1/3～2/3 之間，如果潤滑油數(shù)量太少，軸承內(nèi)部的流量就會(huì)降低，甚至不會(huì)流動(dòng)，只需要少量的潤滑油就能保持潤滑，就會(huì)大大降低使用壽命。通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用，發(fā)現(xiàn)軸承殼的溫度高于室溫20 攝氏度（夏天大約55 攝氏度），會(huì)使軸承的潤滑壽命和使用壽命大大降低。本公司的產(chǎn)品要在一年內(nèi)按計(jì)劃進(jìn)行小檢修而停產(chǎn)，而在一定期限內(nèi)，必須保證電動(dòng)機(jī)軸承的使用年限在安裝后一年以上，否則會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成一定的影響。

200 多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的維修工作十分繁重，如何有效地進(jìn)行潤滑以確保電動(dòng)機(jī)的長時(shí)間、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)是目前急需解決的問題。本公司通過對(duì)電動(dòng)機(jī)軸承的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，許多電動(dòng)機(jī)的軸承溫度（尤其是夏天）偏高的原因，除極少數(shù)的空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)受到?jīng)_擊負(fù)荷和電動(dòng)機(jī)軸承受到的軸向力負(fù)荷增大之外，還與軸承內(nèi)潤滑油的加入量和所用的種類有關(guān)。從文獻(xiàn)中可以看出，電機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)軸承的溫度沒有顯著的影響。本公司在夏天對(duì)一些電動(dòng)機(jī)軸承進(jìn)行了抽驗(yàn)，從其數(shù)據(jù)和現(xiàn)場調(diào)研可以看出，相同設(shè)備的電動(dòng)機(jī)溫度不同，有些電動(dòng)機(jī)的軸溫是正常的，有些電動(dòng)機(jī)則是超溫的。經(jīng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的超溫原因，主要是因?yàn)闈櫥偷募尤?，或者是裝置的安裝和軸承自身的質(zhì)量問題。以半貧液泵馬達(dá)軸承為例，將潤滑脂加入量控制在1/2 的范圍內(nèi)，使軸溫由65℃降低至標(biāo)準(zhǔn)。

盡管電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)也會(huì)對(duì)注入量產(chǎn)生一定的影響，但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)曲線可以確定注入量的大小。一般情況下，在一段時(shí)間之后，氣溫會(huì)升高，隨后會(huì)降低，并且會(huì)保持在一個(gè)更低的溫度區(qū)間。若氣溫升高過快，且處于高溫區(qū)間，則應(yīng)停止檢查；若初始溫度未升高，仍維持于初始環(huán)境溫度，則視為潤滑脂使用不足。

另外，電動(dòng)機(jī)軸承潤滑油的選用對(duì)其溫度有很大的影響。在實(shí)際的馬達(dá)操作中，6 號(hào)高濃度潤滑油被用于精益泵，制冰機(jī)和羅茨機(jī)器。拆開檢查后，發(fā)現(xiàn)潤滑脂含量極低，由于粘度過高，多數(shù)油脂會(huì)從軸承內(nèi)擠壓出來，滯留在密封空腔內(nèi)，不能及時(shí)補(bǔ)充潤滑，導(dǎo)致潤滑油使用壽命縮短，從而導(dǎo)致軸承的磨損。當(dāng)潤滑油稍微增多時(shí)，軸承的溫度會(huì)顯著上升。試驗(yàn)結(jié)果表明：6#高粘度潤滑油不適用于電動(dòng)機(jī)軸承，但對(duì)壓蓋運(yùn)動(dòng)罩的密封件具有較好的效果。將2#進(jìn)口綠色油脂（含鋰基）潤滑脂的兩端分別加載于3#半貧液泵馬達(dá)，并在壓蓋上加入適量的高溫鈉基脂，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)密封。使用后，溫度由約65 攝氏度下降至目前的常溫。

5 結(jié)論

總之，電動(dòng)機(jī)軸承的使用壽命與轉(zhuǎn)速因子（DN）關(guān)系密切，而潤滑油的使用溫度則是決定其使用壽命的重要因素。電機(jī)軸承高溫的一個(gè)重要因素是潤滑油的填充和潤滑油濃度的不合理，電動(dòng)機(jī)軸承的沖擊負(fù)荷和軸向負(fù)荷都是造成電動(dòng)機(jī)軸承高溫的重要因素。通過對(duì)儀器的正確使用、適當(dāng)?shù)臐櫥瑒┖图幼⒘康暮侠響?yīng)用，可以顯著降低電機(jī)軸承的超溫現(xiàn)象。