油雾润滑在电机轴承装置中的应用研究

冯婵　王晓俊　胡士建　徐文辉

摘要：根据油雾润滑工作原理，设计了电机轴承装置的油雾润滑结构；应用Flunt流场分析模块，建立滚动轴承流体域和温度场模型，对该油雾润滑轴承装置进行了轴承热流耦合温度场仿真分析。结果表明，油雾润滑条件下轴承腔的整体温度较低，轴承油雾润滑效果较好。

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.

关键词：电机滚动轴承装置；油雾润滑；FLUNT；温度场

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

中图分类号：TH133.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）30-0071-02

0 引言

电机滚动轴承多采用脂润滑和稀油润滑，近年来，油雾润滑作为一种新型的集中润滑方式也在逐步发展，并在石化、钢铁、机械等行业机泵群中得到广泛应用[1]。采用油雾润滑时，油雾能随压缩空气扩散到所有需要润滑的摩擦部位，在摩擦副表面形成完整连续的油膜，润滑效果良好[2，3]；油雾润滑设备便于安装，且可远程控制、自动化程度高，因此将油雾润滑技术应用于电机轴承润滑，能有效解决加注润滑脂不便、加注量不好控制及润滑油浪费等问题，使电机更好的适应复杂运行工况和环境。

本文将油雾润滑技术与电机实际运行相结合，设计了电机的滚动轴承装置油雾润滑结构，分析了该润滑方式对轴承润滑的工作原理；建立轴承腔的温度场模型，研究分析了滚动轴承在油雾润滑条件下轴承腔内部的温度分布特点。通过此次设计和分析，表明该润滑方式对提高轴承装置的润滑效果、降低轴承温升有良好效果，对电机选择该润滑方式提供一定的指导。

1 轴承装置油雾润滑结构及应用特点

1.1 轴承装置油雾润滑结构

油雾润滑系统工作原理是引入压缩空气，通过高科技雾化工艺，将形成的高速气流与润滑油在雾化器内部混合而形成油雾，油雾随压缩空气经管路输送到各个润滑部位，弥散于各润滑表面，形成润滑油膜，起润滑作用，而空气则逸出大气中。根据此工作原理，简单设计了电机的轴承装置油雾润滑结构，如图1所示。

从图1可以看出，压缩空气与润滑油混合形成的油雾，由垂直于轴承内外圈之间滚道的凝缩嘴直接喷入滚道内的保持架和滚动体上，油雾颗粒附着在滚动体和保持架上，形成润滑油膜。并且随着轴承高速运转产生的旋转气流，油雾充满整个轴承腔，进而能充分润滑各个滚动体和滚道。多余未形成润滑油膜的油雾颗粒聚积后形成油滴，留在轴承腔底部，也可起到润滑作用；油量聚积到一定量时，会通过排油孔流入回油管。为防止油雾和聚积后的润滑油进入电机内部或泄露进入外部空气中，轴承装置两端和内外盖与接触面安装有密封结构。

1.2 轴承装置油雾润滑应用特点

为保证良好的效果，凝缩嘴喷油口基本正对内外圈之间滚道的中心，保持90°垂直。油雾气体直接喷到滚动体上，不但能降低轴承温度，还能起到清洁轴承滚动体的作用。气流和油雾进入轴承室内可以冷却轴承，也使轴承腔存在一定的轻微压力（约0.5MPa）[3]，从而防止灰尘等杂质进入轴承腔和电机内部，起到防护作用。

压缩空气和进口处油雾压力可以精确调节，温度均可以设置传感监测器，并可设置报警装置。相比其它润滑结构，油雾润滑形成的油膜均匀且连续，能充分润滑各个摩擦部位；压缩空气也会带走部分摩擦所产生的热量，降低轴承温度；使用很少量的润滑油，节省润滑成本。

此润滑结构对于工作环境温度高、连续高速运转、或者需要自动化管理的电机，较为适用。对油雾量的控制和计算许多文献已做过研究[4，5]，调节好进油油雾量和气体压力，润滑效果会超过普通轴承油脂润滑结构。本文对于采用油雾润滑方式的轴承腔内温度场进行了模拟分析。

2 轴承腔温度场分析

2.1 轴承内部摩擦生热计算

根据 Palmgren 的经验公式，轴承的摩擦力矩包括润滑引起的润滑剂黏性摩擦力矩和负荷引起的摩擦力矩 M1[6]：

M=M0+M1=10-7f0（vn）2/3dm3+f1p1dm （1）

式中：dm为轴承节圆直径，f0与轴承类型和润滑方式有关，n为轴承转速，v为润滑剂工作温度下运动黏度，f1与轴承类型和所受负荷有关，p1为确定轴承摩擦力矩的计算负荷。

轴承发热量是由摩擦发热引起的功率损耗，若不考虑轴承内具体部件的功率损失，轴承发热量[5]：

NR=πnM/30 （2）

式中：M 为轴承摩擦总力矩；n为轴承转速。

2.2 轴承模型的建立及简化

本文以一低压电机（YB3-225-2P）轴承装置为例，使用的轴承为SKF6314轴承，其具体参数如表1。

本次计算区域是轴承固体域和流体域，如图2所示，为便于对网格划分，对轴承模型进行简化并作如下假设：

①看做密封轴承，油雾集中进出，油雾只从模型进口进入，由模型出口排出；

②油雾颗粒<5μm，把油雾颗粒群看做单一气体。

③轴承内外圈与滚珠之间间隙0.5mm，便于分离旋转区域和有限元网格划分。

用ICEM网格划分使用四面体网格生成技术，模型进行网格划分，网格数为2055607个，节点数为320782个，网格质量控制在0.3以上。网格如图3所示。

2.3 参数设置

轴承所需油雾量可由以下公式估算[6]：

Qm=d·R/0.35 （3）

式中：Qm为进口处油雾量，L/min；R为转子列数；d为轴承内径，dm。

仿真采用Fluent软件，湍流模型采用采用标准κ-ξ；进口使用质量流量进口，进口流量取2L/min，进口油雾温度为常温，本文取20℃，即293K，出口为压力出口，标准大气压；转速为3000rpm，轴承的初始温度取26℃，即299K。

应用Fluent求解过程中，设置动量方程、连续性方程收敛判据为迭代残差值低于10-6，能量方程的收敛判据设置为10-8。

2.4 流场特性仿真结果

图4和图5分别显示了轴承3000rpm转速下的流体域和截面温度云图。由分析可知，轴承温度变化为36-60℃，高温区域集中在轴承的内外滚道及滚珠壁面附近，壁面高温区为连续区域。流体随着旋转方向对滚珠的冷却降温比较明显。

3 结论

①根据油雾润滑工作原理，考虑油雾进出、密封、设计了电机轴承装置油雾润滑结构，讨论了油雾在润滑轴承腔时的工作特点。②对轴承进行了流体域和温度场分析；通过分析，采用该润滑方式，在油雾润滑条件下，轴承最高温度较低，高温区域离散分布在滚珠与壁面接触的部位，且轴承腔除壁面外其他区域的温度要远远低于轴承腔的最高温度，表明轴承的润滑效果较好。③油雾润滑是一种新型集中润滑方式，润滑效果较好且便于远程监控和管理，但在实际使用该润滑方式过程中，还需加强对进油压力和速度、油雾量及电机密封方面的研究，优化润滑效果，并防止油雾泄露进入电机内部。

参考文献：

[1]汪晓云，金龙.油雾润滑在轴承润滑中的应用研究[J].武汉船舶职业学院学报，2004，3（1）：20-25.

[2]王明兴.热辊电机轴承油雾润滑结构[J].2013，3（1）：37-38.

[3]宋锦春，陈建文，等.轴承腔内油雾温度场数值模拟及润滑效果[J]. 东北大学学报，2010，7（30）：1019-1025.

[4]朱达.油雾润滑系统的智能建模与控制[D].上海交通大学，2013.

[5]姜树春.油雾润滑系统设计[J].重型机械，2002，1（1）：32-35.

[6]Bolinder C J，Sunden B. Flow visualization and LDV measurements of laminar flow in a helical square duct with finite pitch[J]. Experimental Thermal and Fluid Science， 1995，11：348-363.