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高速主轴轴承的油
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1 前言


近几年来,随着刀具材料和自动化技术的发展,在许多工程领域,以滚动轴承为支承的主轴和轴的旋转速度不断提高,甚至超过了滚动轴承样本给定的极限值。目前,中型数控机床和加工中心的主轴最高转速已达到10000r/min左右,而FIDIA仿形加工系统的主轴转速已达到100000r/min。内圆磨床为达到足够的磨削速度,磨削小孔的砂轮已高达240000r/min。不仅对轴承的设计和制造提出了更高的要求,并且对润滑系统的研制提出了特殊要求。

图1 双列圆柱滚子轴承的摩擦力矩、温升与供油量之间的关系
滚动轴承润滑目的是减少轴承内部摩擦及磨损,防止烧粘,延长疲劳寿命,排出摩擦热,冷却。传统的滚动轴承润滑方法,如:油浴润滑法、油杯润滑法、飞溅润滑法、循环润滑法和油雾润滑法等均已不能满足高速主轴轴承对润滑的要求。这是因为高速主轴轴承不仅对油的粘度有严格要求,而且对供油量也有着严格要求。FAG公司通过大量实验数据建立了双列圆柱滚子轴承的摩擦力矩、温升与供油量之间的关系曲线(图1)。该曲线很好地表达了最小摩擦力矩、最低温升与最少供油量之间的关系,即为了取得最佳润滑效果,供油量过多或过少都是有害的。而前5种润滑方法均无法准确地控制供油量多少,仅适用于中、低速滚动轴承润滑,而油雾润滑系统也很难可靠地向各个轴承供应油量几乎恒定不变的润滑油,使各个摩擦点的油量多少始终处于一种波动状态,时多时少,不利于主轴轴承转速的提高和寿命的提高。而新近发展起来的油-气集中润滑系统则可以精确地控制各个摩擦点的润滑油量,可靠性极高,因而可在高速主轴轴承领域应用。

2 油-气集中润滑系统的工作原理



图2 油-气集中润滑系统原理图
1.浮动开关 2.油箱 3.变量柱塞泵+分配器 4.混合阀 5.喷嘴 6.压力开关(空气) 7.压力控制阀 8.压缩空气入口 9.方向阀
油-气集中润滑系统是最近发展起来的一种所需油量最少的新技术,被称为理性润滑方法,确保润滑的高效性及降低磨损,尤其适用于高速旋转的滚动轴承,可应用于机床制造业、纺织机械制造业等行业。油-气集中润滑系统工作原理如图2所示,每隔一定时间(1~60min)由定量柱塞泵分配器定量输出的微量润滑油(0.01~0.06mL)与压缩空气管道中的压缩空气(压力为0.3~0.5MPa,流量为20~50L/min)混和后,经内径?2~4mm的尼龙管以及安装在轴承近处的喷嘴进入轴承内,停留在摩擦点处。

3 油-气集中润滑系统的技术要求


油-气集中润滑系统是将具有一定压力的压缩空气和润滑油混合后,形成条纹状油液微滴,进入轴承内部摩擦点处,因而对润滑油和压缩空气均有一定技术要求。

3.1 润滑油的技术要求
选择润滑油时,要确保油膜不能太厚。其原因在于:当油膜很薄时,油的粘度增大未必会相应地增大摩擦力矩。所以,在相同使用条件下,要选择比样本提供的参考粘度值大5~10倍的润滑油,以确保有良好的粘度和润滑性能。ISOVG32~ISOVG100导轨油是很适合的;在重载条件下还可选用耐高压含有添加剂的油。应避免使用粘度在ISOVG22以下的润滑油。
禁止使用含有二硫化钼添加剂的润滑油,因为这种润滑油中的二硫化钼会停留在喷嘴内孔处,从而阻塞喷嘴;此外,二硫化钼的喷镀作用也会增大轴承粗糙度,加剧磨损。

3.2 压缩空气的技术要求

实验条件:轴承类型NNU4926;转速n=2000r/min;
力F=2000N;润滑油粘度v=32mm/s(t=40℃)

压缩空气必须干燥,且过滤精度不大于3µm,如果条件许可的话,可以配置一个具有自动排水功能的常规水分干燥器将水分分离出来。
为了准确无误地传送润滑油,内径为f2~4mm的管子里空气总流量大致为20~50L/min。空气压力必须与流量、管路长度、管路内径、轴承的内压力损失相匹配。
对于技术参数一定的油-气集中润滑系统而言,改变润滑周期和空气是允许的。为了克服轴承内部的背压,进入轴承内部的压缩空气必须具备一定压力(0.3~0.5MPa)。一般而言,轴承入口处压力不应低于0.15~0.2MPa。

4 轴承润滑油量计算及供油方式设计


4.1 轴承润滑油量计算
滚动轴承润滑所需的油量在很大程度上取决于轴承类型、供油系统设计、润滑油类型等因素。很难给出一个适合任何情况,具有广泛适用性的简单明了的公式。具有油液自动传输功能的轴承(如角接触球轴承)所需油量大于不具有油液自动传输功能的轴承(如双列圆柱滚子轴承)所需油量。尤其当速度性系数(n.dm)值较大时,其差异更明显(图3)。通过大量实验,供油量Q的粗略计算公式如下:

图4 供油方式

Q=WdB


式中 Q——供油量,mm3/h

   W——系数,0.01mm/h

   d——轴承内径,mm

   B——轴承宽度,mm
然而,实际供油量还要在此数值基础上扩大4~20倍。为了获得最佳润滑效果,还需通过实验来修正供油量多少。

4.2 供油方式设计
对于高速旋转的轴承,为了可靠地将润滑油送入轴承内部,应十分重视供油方式(如喷嘴形式、安装位置等)的设计。轴承润滑方式完全取决于轴承类型和配置方式(图4a)。对单列轴承而言,最佳润滑方式为从一边进入轴承内部。喷嘴孔应与内环齐平,不能指向保持架。尤其当轴承自身吸排油方向不易确定时(如角接触球轴承),润滑油必须按上述方向进入轴承内部。若条件许可,润滑油最好经过一个特制喷管后再进入轴承内部。喷管长度取决于轴承大小,直径为0.5~1.0mm。也允许把润滑油送到轴承外圈处(图4b)。在这种情况下,要注意察看润滑油是否进入了钢球与外圈之间形成的压力区域。对双列轴承而言,润滑油必须从与外圈滚道边齐平的地方喷入轴承内部,以对轴承充分润滑。
当轴承外径介于150~280mm时,需要再增加一个喷嘴。
此外,为了防止在轴承底部形成油渣沉淀,需要安装一个泄油管,其长度大于5mm。
为了满足现代机床高速主轴对润滑系统的要求,对油-气集中润滑系统的各个参数还要作进一步详细而精确的研究。这是因为:润滑油类型、润滑方法、润滑量以及轴承类型、轴承配置等因素均对轴承转速提高有着决定作用。

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