长寿命轴承用离心式微量供油器筛选装置

高飞，李春伟，李超强，李娟,胡烈

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.北京控制工程研究所，北京 100190；3.台州印山制刷有限公司，浙江 台州 318020)

油润滑的长寿命滚动轴承的特点是承受载荷小、精度高、寿命长、摩擦力矩小及稳定性高。正常工况下长寿命轴承的失效形式主要是润滑失效。由于特定工作环境(低重力、高真空等)的影响[1]，润滑油由于挥发、爬移而损耗，使轴承沟道无法形成弹性流体动力油膜，轴承可能处于贫油或边界润滑状态，从而将加速轴承的磨损，降低轴承的使用寿命。因此，有必要采取措施对轴承进行补充供油。

离心式微量供油器可以在特殊环境下，依靠离心力以极小的速率持续地向轴承供油，改善轴承的润滑环境。但是离心式微量供油器提供的润滑油量又会影响轴承性能的稳定性，所以必须对离心式微量供油器的供油速率和开始供油的时间进行筛选。

1 离心式微量供油器原理

离心式微量供油器的供油速率和开始供油时间由供油芯阀决定。供油芯阀由多孔材料制成，在高速旋转产生的离心力作用下，通过供油芯阀的毛细孔给轴承供油。

润滑油受到离心力作用移动的速率为[2-3]

(1)

式中：Δp为使油流动的内压差，Pa；n为毛细管数；d为毛细管直径，m；μ为润滑油黏度，Pa·s；L为毛细管长度，m。

(1)式是理论假设后的近似计算，表达了离心作用力与材料特性和润滑油特性之间的关系。尽管离心式微量供油器的供油速率可由理论计算公式得出，但是多孔材料的孔径大小及分布情况，润滑油黏度、表面张力及其与多孔材料的浸润性是影响其供油速率一致性的主要因素，而且由于加工误差及一些人为因素，由理论公式所得的数值往往偏离实际较大，具有相当大的局限性。例如：使用某润滑油，某型号轴承的离心式微量供油器在转速6 000 r/min时，设计计算所得供油速率为0.8 mg/天，但实际供油速率仅为0.05 mg/天。因此，离心式微量供油器的供油速率和开始供油的时间必须通过模拟其真实工作环境由试验得出。

2 筛选装置

针对离心式微量供油器的工作原理设计了筛选试验装置，该装置由真空保障系统、旋转系统和电气控制系统组成。其主体结构如图1所示。

图1 筛选装置主体结构

离心式微量供油器安装在旋转系统的旋转轴上，真空保障系统按照微量供油器的实际工作环境抽真空，然后由电气控制系统启动电动机，转至实际工作转速，模拟微量供油器的实际工况，进行供油速率和开始供油时间的筛选试验。

筛选不同型号、尺寸的微量供油器时，只需更换不同直径的旋转轴和设置不同转速即可。此筛选装置较为真实地模拟了长寿命轴承的实际工况，可靠性高，操作简单，维护方便且筛选效率高。

2.1 电气控制系统

电气控制系统主要由功率电源、功率驱动电路、电动机控制电路、测量电路、PLC控制器、数据采集模块和监控计算机等组成。可提供恒流、恒电压和恒速3种控制模式，能满足不同试验条件的电动机驱动要求。电气控制系统原理如图2所示。

图2 电气控制系统原理图

2.2 真空保障系统

真空保障系统由密封罩、抽气阀、真空表和外接的真空泵构成。

密封罩保证旋转系统处于真空状态，真空泵与抽气阀连接将密封罩空气抽至规定真空度，真空表可以显示密封罩内气压。

2.3 旋转系统

旋转系统由一个计算机控制的可控步进电动机和旋转轴构成，如图3所示。

图3 旋转系统原理图

筛选装置工作时，将离心式微量供油器安装在旋转系统上，以转轴为中心旋转；使用真空泵将密封罩中的空气抽出形成真空环境，启动电气控制系统，接通电动机电源，设定电动机转速，模拟微量供油器的实际工作转速，就可以开始筛选工作。

3 示例分析

为了控制离心式微量供油器的供油速率和开始供油的时间，首先需确定轴承的润滑油损失速率和开始供油时间，因此先进行了某型号轴承的一次性润滑寿命试验[4-5]。测试设备对试验轴承电动机的电流、电压和转速进行实时监测和记录，通过对数组轴承测试数据的整理，可得出轴承在一次性润滑寿命试验过程中的润滑寿命曲线，如图4所示。

图4 轴承一次润滑寿命曲线

由图4可知，试验轴承驱动电动机的电流在3～22个月基本不波动，说明轴承沟道的油膜厚度没有变化，可认为轴承内部润滑油处于平衡状态；随着时间推移，在24个月以后，由于润滑油的损耗，不能形成有效的润滑膜，轴承性能开始下降，具体表现为：轴承温度升高、运转电流增大，可认为轴承有效润滑寿命结束。故在第22个月时，离心式微量供油器开始向轴承补充供油，以保证轴承沟道内润滑油量足以形成有效的润滑油膜，达到延长轴承寿命的目的。

同时，在试验过程中，经过数次对轴承的实际称重测试，计算出轴承在润滑不足阶段润滑油平均损失量约为0.4 mg/天，考虑供油可靠性，供油速率应为0.5 mg/天左右。

至此，确定了离心式微量供油器供油速率和开始供油的时间。

然后利用本筛选装置对供油器供油速率和开始供油时间进行筛选。根据离心式微量供油器工作条件，确定试验条件为：环境温度(23±5)℃，真空度≤10 Pa，转速5 000 r/min。

首先，筛选供油器开始供油的时间。为了确保轴承润滑的可靠，可适当将供油器开始供油时间提前2～4个月。本试验中，在第18个月时对供油器实际称重，确定是否有润滑油渗出及其渗出量，如无润滑油渗出则可淘汰。在筛选出合格的供油时间后，再筛选供油器供油速率。

离心式微量供油器的供油速率计算公式为：供油速率=供油器失重/运转时间。试验数据每20天测试1次，共测试15次。整理数据后，得出离心式微量供油器的供油速率如图5所示。

图5 离心式微量供油器供油速率

从图5可看出，离心式微量供油器平均供油速率为0.5 mg/天。离心式微量供油器初期供油量较大，后期趋于平缓，这是由于离心式微量供油器的储油腔内含有空气，而试验环境为真空，造成储油腔内、外压力差，致使离心式微量供油器初期供油偏多，随着压力差的减小，供油速率随之趋于平稳。据此，根据微量供油器的供油速率和开始供油的时间就可以选择合格的微量供油器。

4 结束语

介绍了一种长寿命轴承用离心式微量供油器的筛选装置，此筛选装置可以较精确地模拟离心式微量供油器的实际工况，解决了理论计算与实际应用之间的差距，为离心式微量供油器的实际应用和优化设计提供了试验依据。通过本筛选装置已筛选多种型号离心式微量供油器，并投入实际使用，效果良好。