高速电主轴用脂润滑轴承性能试验

2011-07-23李泽强潘奔流王健田云芳张海鹏

轴承 2011年6期

李泽强，潘奔流，王健，田云芳,张海鹏

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039；2.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003;3.中航锂电(洛阳)有限公司，河南洛阳 471003)

机床主轴高速化是近年来机床技术发展的重要趋势，轴承是电主轴高速可靠运转的一个核心部件。电主轴轴承的润滑方式主要有脂润滑、油雾润滑和油气润滑。其中，油气润滑可以提高轴承的承载能力、运转速度、使用寿命和适应恶劣工作环境的能力，极大地降低了润滑剂的消耗，但其采用压缩空气，噪声较大，需要专用气源，初始装机投资较大[1-2]；油雾润滑允许的极限转速高，且更换润滑油简单，故目前高速电主轴轴承大都采用油雾润滑，但其油路设计复杂，尾气如不加以回收，对环境污染较为严重[3]；而采用脂润滑可以省去油雾润滑系统所需的油箱、油泵、油管及传动部件等，使润滑系统大大简化，但是脂润滑轴承极限转速低[4]。国外已经成功应用润滑脂对高速陶瓷球轴承进行润滑，国内在这方面的研究报道不多。为此，在高速主轴轴承试验台上分别在油雾润滑和脂润滑下对轴承进行高速性能试验，通过对比分析转速、载荷、温升的相互关系来研究脂润滑主轴轴承的高速性能，为脂润滑轴承在高速电主轴上使用提供参考。

1 试验

1.1 试验轴承

试验轴承为高速磨削电主轴用角接触陶瓷球轴承B7005C/HQ1P4，其参数见表1。

表1 试验用陶瓷球轴承结构参数

1.2 试验台架

本次试验在自行设计的试验台上完成，所用试验装置原理如图1所示，试验台以最高速度为60 000 r/min的电主轴作为驱动，采用变频器调节和控制转速。用自行设计的专用液压缸进行轴向和径向加载，选用4支JM608V-PT100一体化温度传感器分别测量加载轴承和试验轴承的外圈温度，通过YD-3加速度传感器检测机体振动，所有信号通过A/D转换器接入计算机并通过软件进行控制和处理。

图1 试验装置原理图

1.3 试验过程

在油雾润滑和脂润滑下进行对比试验，每种润滑方式选用8套轴承，每次试验2套。试验轴承和加载轴承均采用循环水冷却，冷却水温度为15 ℃。润滑脂为L252；油雾润滑的润滑油为32#汽轮机油，润滑油压为0.4 MPa，油滴量为30滴/min。通过试验得到不同转速和不同载荷下轴承温升与转速、载荷之间的变化关系，以轴承的外圈温升为参数指标进行分析。

试验共分2个部分：首先考察转速对轴承性能的影响，在Fa=100 N，Fr=50 N条件下，转速由10 000 r/min逐渐升至50 000 r/min，每小时升高5 000 r/min，转速变化如图2a所示；然后考察在10 000，40 000和50 000 r/min下不同载荷对轴承性能的影响，分别在轴向载荷固定(Fa=250 N)、径向载荷变化和径向载荷固定(Fr=150 N)、轴向载荷变化2种工况下进行试验，转速变化如图2b所示，加载载荷谱如图3所示。

图2 试验转速变化曲线

图3 试验加载曲线

2 结果与讨论

2.1 不同转速下轴承性能试验

通过试验得到每套轴承在每种转速下的温升稳定值，对8套轴承的温升稳定值取平均值并进行对比分析[5]，轴承温升随转速变化曲线如图4所示。

图4 轴承温升随转速变化曲线

由图4可知，轴承温升随转速提高而迅速变大。在载荷、转速、时间相同的情况下，脂润滑轴承外圈温升比油雾润滑轴承外圈温升要大，但是在转速高于25 000 r/min或dmn值大于0.9×106mm·r/min时，2条温升曲线基本上保持平行，温升相差不超过3 ℃。

2.2 高速变载试验

对8套轴承的温升稳定值取平均值进行对比分析。在恒转速下轴承温升随轴向载荷变化曲线如图5 所示，随径向载荷变化曲线如图6所示。

由图5可知，在恒转速下轴承温升均随着轴向载荷的增加而变大；轴向载荷从150 N提升到400 N，转速为10 000 r/min时，脂润滑轴承温升比油雾润滑轴承温升约小1.9 ℃；转速为40 000 r/min时，2条曲线基本重合，脂润滑轴承温升比油雾润滑轴承温升约大0.2 ℃；转速为50 000 r/min时，油雾润滑稍好于脂润滑，其温升相差约1 ℃。

图6与图5所示的轴承温升曲线趋势基本相同，2种润滑方式下轴承的温升在转速为10 000，40 000和50 000 r/min时相差分别约为1.5，0.8和2 ℃。

综合图5和图6可知，无论是径向变载还是轴向变载，在转速低于40 000 r/min或dmn值小于1.44×106mm·r/min时，采用脂润滑的轴承温升比油雾润滑的轴承温升小，这主要是由于润滑脂的黏度比润滑油的黏度大，更容易形成润滑油膜；而在转速高于40 000 r/min或dmn值大于1.44×106mm·r/min时，油雾润滑的轴承温升要小于脂润滑的轴承温升。