不同温度环境下润滑油对电机的影响

2022-09-01 06:11谢仁海曹锴税建春
佛山陶瓷 2022年8期
关键词:润滑脂基础油润滑剂

谢仁海,曹锴,税建春

(中国工程物理研究院动力部,绵阳621000)

1 电机轴承润滑油选型概述

1.1 润滑油的基本组成

润滑油是一种或多种稠化剂在一种或多种液体润滑油中分散而成的固体—半固态制品。普通润滑油的增稠剂在10%-20%左右,基础油70%-90%,添加剂和填充物的5%以内。润滑油的性能取决于它的组成和组成成分的结合。

近年来,随着电子显微镜、X 射线衍射、热分析等技术的不断发展,人们对润滑油的内在结构也有了更深刻的认识。例如,人们发现,皂基润滑剂是由各种尺寸和形状组成的皂纤维组成的网状骨架,而这种基质油被认为是一种具有凝胶结构的分散系统。该体系的分散性介质为液态润滑剂,而分散性为肥皂纤维。通过电子显微镜观察到的各种皂基油脂分散相以绳纤维、针状和片状为主;无皂化油脂的分散相有颗粒状、针状、棒状、片状等。总之,润滑油的组成比较复杂,除了加入增稠剂的种类和含量、基础油性质、极性化合物(例如添加剂)等因素外,还与制造过程有关。

以下是对其组成进行逐个分析:在润滑油中,基础油的比重最大,其含量为70%~95%,其对润滑油的性能有很大的影响。基础油的炼制水平对其外观及高温氧化特性有一定的影响;基础油的粘性和移动粘度对增稠剂的稠化性能、胶体稳定性有很大的影响。比如,润滑油的汽化和与橡胶密封件的兼容性,基本上是取决于基础油,所以,选用适当的基础油很有必要。根据石油的性质,可以分为两类:一类是矿物基础油,另一类是合成基础油。矿物基础油是通过蒸馏、溶剂精制、脱蜡、脱沥青、加氢处理、精制,是目前使用最广泛、最普遍和最经济的基础油。

矿物油的种类主要有:环烷基油、石蜡油、中间基油。在配制润滑油时,应依据润滑状况选用矿物油,一般适用于低温、轻载、高速轴承的低粘度低倾点基础油。对于中速、中负荷、温度不高的润滑油,应选用中低粘度的基础油;高负荷、高温、低速时,应选择高粘度的基础油。合成基础油是指在合成过程中,通过聚合、缩合、酯化等多种化学成分进行化学反应而得到的。

在润滑油中,增稠剂是一种必不可少的固化剂,其含量在10%-20%左右。其在润滑油中构成了一个立体的骨架,使流体的润滑油变得粘稠,变成非流动的固态或半固态,从而形成一种胶状物质,从而确定了润滑油和基础油的各种特性。比如,稠化剂的种类和用量对润滑油的耐水性、耐热性、粘度等起着重要作用。随着增稠剂用量的增加,其增稠性能也随之提高;随着增稠剂的耐热、耐水性能的提高,其耐高温、耐水性能也随之提高。加入添加剂是为了提高润滑油的性能。一般情况下,润滑油也是适合于润滑剂的,然而,由于润滑油中的极性成分多为极性物质,而润滑油又是胶态分散系统,因此,在选用添加剂时,除了要提高润滑油的性质外,还应将添加剂的稳定性因素考虑在内。近年来,随着科技的飞速发展,纳米材料作为一种特殊的添加剂,得到了广泛的重视。

1.2 不同工作温度下的润滑油选择

电动机轴承润滑部位的工作温度对润滑油的选用起着至关重要的作用。通常使用润滑油的零件是滚动轴承,根据轴承温度对润滑油使用寿命的影响,在10~15℃时,润滑油的使用寿命将下降50%左右。

在低温润滑中,选用优良的低温润滑油显得尤为重要。通常情况下,矿物油可以在—30℃以上使用,但是低于—30℃时,就需要用人造石油。由于仪表用微轴承的起动转矩很低,所以要特别注意润滑油的选用。合成润滑油的最低温度为—80℃,内部轴承,如机床、马达、手动工具、仪器和精密机器等,通常在10~50℃之间工作,一般情况下,锂基润滑脂是足够的。在户外使用的机械轴承,其工作温度通常会随着气温的不同而不同,中国大多数地方都是—40~40 摄氏度,因此锂基润滑脂也可以达到这个标准(某些地方的低温除外)。然而,当轴承载荷增大、转速增大、环境温度上升、润滑不良、长时间不间断运转等情况下,轴承的温度会上升,甚至会导致轴承的磨损。此时,应选用具有良好的耐温性的润滑油,例如:复合型锂基润滑脂以及多种人造润滑油。

在高温下,用于钢铁厂的连铸、热轧、纺织工业的烘缸、蒸笼、烘干室、水泥厂的热风炉、汽车烤漆室机、化工行业的各种高温反应器中的轴承,其工作环境温度在200 摄氏度左右。采用常规的矿物油润滑剂无法达到上述目的,应选用具有较高性价比的合成润滑剂,如聚α—烯烃复合锂基脂、苯基硅酰胺盐润滑剂、氟醚聚四氟乙烯润滑剂等。在一些低温环境中,例如医疗设备、制冷设备和北极等地方,一般的矿物油润滑剂也是不够的。

2 轴承润滑油发展现状

润滑油产业从建国之初的零散手工作坊,发展到目前采用接触器、三次搅拌皂化釜、常压皂化罐等高效制脂器、橡胶磨得均匀化和高效的真空脱气机,广泛采用高效节能的热煤炉和润滑油输送泵,以及采用先进的生产设备、工艺技术,如生产设备的自动化控制。经过30年的发展,我国的润滑油产品结构已经由一般的钙基润滑油向具有高科技含量、高质量的锂基润滑油发展。从滴点法的观点来看,一般情况下,润滑油的滴点值愈高,则对工艺的要求愈高。1982 年,国内仅有三大类润滑油:复合铝基润滑油、复合钙基润滑油、膨润土润滑油。2010 年,公司主要产品有:复合锂基润滑油、聚脲润滑油、磺化盐酸钙复合润滑油、铝基复合润滑油、钙复合润滑油、钙复合润滑油、钙复合润滑油、膨润土润滑油等6大系列润滑油。

在十一五期间,中国的润滑油产量继续高速增长,到了2010 年,其产量已达4.676×105 吨,占全球总润滑油产量的42%,比北美、欧洲、日本的总和高出了42%,比北美、欧洲、日本的平均水平高出了5%-6%。但同时,我国的石油消费也是全球最大的,每年生产4.676×105吨的产品,基本上都是在国内销售的。就单位GDP 的能源消耗而言,我国在2010 年的国内生产总值比美国高出40%,而我国在此期间所消耗的润滑油数量是美国的2倍、欧洲的3 倍、日本的6 倍。总之,国内润滑油的质量和规模都比过去有了长足的发展,但是在润滑油生产过程中,由于机械润滑效率低下,造成了大量的浪费,这表明我国润滑油的品质与世界先进水平还有很大的差距。

3 润滑油在电机轴承中的工作原理

在实际使用中,新润滑的轴承在转动时,先将润滑脂从转动部件抛出,并在轴承罩内腔内快速循环冷却,然后从转动的支承架外侧进入转动部件。润滑油随后从转动支承的外侧切进转动部件,在转动部件的表面上,有一小部分润滑剂从纤维网中抽离,从而在转动部件和支承座的表面上形成一层润滑薄膜;剩余的润滑剂保持在纤维网内,作为冷却和密封。根据润滑油在轴承中的工作原理,马达轴承中的润滑油并不依赖于金属表面上的润滑油,而是在轴承罩的空腔中,就像液体一样,在轴承罩中不停地流动,从旋转部件中被抛出,进入轴承罩的凹槽,再从轴承帽的孔洞中返回,如此反复地进行着剪切和冷却。该工艺不但使轴承内的润滑油保持稳定,同时也能使轴承内的温度达到均衡。

4 轴承的工作温度与润滑油的关系分析

4.1 温度对电机润滑油机械安定程度的影响机制

温度的改变对润滑油的力学稳定性有很大的影响。例如,在25℃下进行50,000 次的复合钙基润滑脂的针入程度由165 提高至290(1/10 毫米),增加76%;80℃时,针入量增加116%,由184 增加至397(1/10 毫米),再循环100,000 次,就会形成液体。同样的问题,也适用于锂基润滑脂。因此,需要使用者在低温下进行润滑,否则,在长时间的工作中,会产生很大的损失和漏油,从而降低和缩短润滑油的寿命。

4.2 引起电机轴承温度提升的原因分析

首先,马达的润滑状况会影响马达的工作温度。结果表明,过量添加润滑油会导致轴承的摩擦扭矩增大。例如,在3000 转/分钟的锂基润滑脂中,在装料由18%至56%的情况下,摩擦扭矩增大至140kg/cm,导致温度升高,见图1:

图1 填充与电机轴承温升的关系

图2 不同润滑油用量与轴承温度、运转时间的关系示意图

通常情况下,在超过三分之二的最大容积时,会出现漏油的情况。文献中提到,“大部分润滑意外都是由于润滑过多而非润滑剂不足”。轴承油的加入量应在1/3~2/3 之间,如果润滑油数量太少,轴承内部的流量就会降低,甚至不会流动,只需要少量的润滑油就能保持润滑,就会大大降低使用寿命。通过对电动机的实际使用,发现轴承壳的温度高于室温20 摄氏度(夏天大约55 摄氏度),会使轴承的润滑寿命和使用寿命大大降低。本公司的产品要在一年内按计划进行小检修而停产,而在一定期限内,必须保证电动机轴承的使用年限在安装后一年以上,否则会对生产造成一定的影响。

200 多台电动机的维修工作十分繁重,如何有效地进行润滑以确保电动机的长时间、平稳运转是目前急需解决的问题。本公司通过对电动机轴承的调研发现,许多电动机的轴承温度(尤其是夏天)偏高的原因,除极少数的空压机电动机受到冲击负荷和电动机轴承受到的轴向力负荷增大之外,还与轴承内润滑油的加入量和所用的种类有关。从文献中可以看出,电机的转速对轴承的温度没有显著的影响。本公司在夏天对一些电动机轴承进行了抽验,从其数据和现场调研可以看出,相同设备的电动机温度不同,有些电动机的轴温是正常的,有些电动机则是超温的。经调查,发现电动机的超温原因,主要是因为润滑油的加入,或者是装置的安装和轴承自身的质量问题。以半贫液泵马达轴承为例,将润滑脂加入量控制在1/2 的范围内,使轴温由65℃降低至标准。

尽管电动机的转动也会对注入量产生一定的影响,但是根据经验曲线可以确定注入量的大小。一般情况下,在一段时间之后,气温会升高,随后会降低,并且会保持在一个更低的温度区间。若气温升高过快,且处于高温区间,则应停止检查;若初始温度未升高,仍维持于初始环境温度,则视为润滑脂使用不足。

另外,电动机轴承润滑油的选用对其温度有很大的影响。在实际的马达操作中,6 号高浓度润滑油被用于精益泵,制冰机和罗茨机器。拆开检查后,发现润滑脂含量极低,由于粘度过高,多数油脂会从轴承内挤压出来,滞留在密封空腔内,不能及时补充润滑,导致润滑油使用寿命缩短,从而导致轴承的磨损。当润滑油稍微增多时,轴承的温度会显著上升。试验结果表明:6#高粘度润滑油不适用于电动机轴承,但对压盖运动罩的密封件具有较好的效果。将2#进口绿色油脂(含锂基)润滑脂的两端分别加载于3#半贫液泵马达,并在压盖上加入适量的高温钠基脂,实现动态密封。使用后,温度由约65 摄氏度下降至目前的常温。

5 结论

总之,电动机轴承的使用寿命与转速因子(DN)关系密切,而润滑油的使用温度则是决定其使用寿命的重要因素。电机轴承高温的一个重要因素是润滑油的填充和润滑油浓度的不合理,电动机轴承的冲击负荷和轴向负荷都是造成电动机轴承高温的重要因素。通过对仪器的正确使用、适当的润滑剂和加注量的合理应用,可以显著降低电机轴承的超温现象。

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