高速主軸軸承的油-氣集中潤滑系統
前言
近幾年來，隨著刀具材料和自動化技術的發展，在許多工程領域，以滾動軸承為支承的主軸和軸的旋轉速度不斷提高，甚至超過了滾動軸承樣本給定的極限值。目前，中型數控機床和加工中心的主軸最高轉速已達到10000r/min左右，而FIDIA仿形加工系統的主軸轉速已達到100000r/min。內圓磨床為達到足夠的磨削速度，磨削小孔的砂輪已高達240000r/min。不僅對軸承的設計和制造提出了更高的要求，并且對潤滑系統的研制提出了特殊要求。
圖1 雙列圓柱滾子軸承的摩擦力矩、溫升與供油量之間的關系
滾動軸承潤滑目的是減少軸承內部摩擦及磨損，防止燒粘，延長疲勞壽命，排出摩擦熱，冷卻。傳統的滾動軸承潤滑方法，如：油浴潤滑法、油杯潤滑法、飛濺潤滑法、循環潤滑法和油霧潤滑法等均已不能滿足高速主軸軸承對潤滑的要求。這是因為高速主軸軸承不僅對油的粘度有嚴格要求，而且對供油量也有著嚴格要求。FAG公司通過大量實驗數據建立了雙列圓柱滾子軸承的摩擦力矩、溫升與供油量之間的關系曲線。該曲線很好地表達了最小摩擦力矩、最低溫升與最少供油量之間的關系，即為了取得最佳潤滑效果，供油量過多或過少都是有害的。而前5種潤滑方法均無法準確地控制供油量多少，僅適用于中、低速滾動軸承潤滑，而油霧潤滑系統也很難可靠地向各個軸承供應油量幾乎恒定不變的潤滑油，使各個摩擦點的油量多少始終處于一種波動狀態，時多時少，不利于主軸軸承轉速的提高和壽命的提高。而新近發展起來的油-氣集中潤滑系統則可以精確地控制各個摩擦點的潤滑油量，可靠性極高，因而可在高速主軸軸承領域應用。
2 油-氣集中潤滑系統的工作原理
圖2 油-氣集中潤滑系統原理圖
1.浮動開關 2.油箱 3.變量柱塞泵+分配器 4.混合閥 5.噴嘴
6.壓力開關(空氣) 7.壓力控制閥 8.壓縮空氣入口 9.方向閥
油-氣集中潤滑系統是最近發展起來的一種所需油量最少的新技術，被稱為理性潤滑方法，確保潤滑的高效性及降低磨損，尤其適用于高速旋轉的滾動軸承，可應用于機床制造業、紡織機械制造業等行業。油-氣集中潤滑系統工作原理如圖2所示，每隔一定時間(1～60min)由定量柱塞泵分配器定量輸出的微量潤滑油(0.01～0.06mL)與壓縮空氣管道中的壓縮空氣(壓力為0.3～0.5MPa，流量為20～50L/min)混和后，經內徑2～4mm的尼龍管以及安裝在軸承近處的噴嘴進入軸承內，停留在摩擦點處。
3 油-氣集中潤滑系統的技術要求
油-氣集中潤滑系統是將具有一定壓力的壓縮空氣和潤滑油混合后，形成條紋狀油液微滴，進入軸承內部摩擦點處，因而對潤滑油和壓縮空氣均有一定技術要求。
3.1 潤滑油的技術要求
選擇潤滑油時，要確保油膜不能太厚。其原因在于：當油膜很薄時，油的粘度增大未必會相應地增大摩擦力矩。所以，在相同使用條件下，要選擇比樣本提供的參考粘度值大5～10倍的潤滑油，以確保有良好的粘度和潤滑性能。ISOVG32～ISOVG100導軌油是很適合的；在重載條件下還可選用耐高壓含有添加劑的油。應避免使用粘度在ISOVG22以下的潤滑油。
禁止使用含有二硫化鉬添加劑的潤滑油，因為這種潤滑油中的二硫化鉬會停留在噴嘴內孔處，從而阻塞噴嘴；此外，二硫化鉬的噴鍍作用也會增大軸承粗糙度，加劇磨損。
3.2 壓縮空氣的技術要求
實驗條件：軸承類型NNU4926；轉速n=2000r/min；
力F=2000N；潤滑油粘度v=32mm/s(t=40℃)
壓縮空氣必須干燥，且過濾精度不大于3µm，如果條件許可的話，可以配置一個具有自動排水功能的常規水分干燥器將水分分離出來。
為了準確無誤地傳送潤滑油，內徑為f2～4mm的管子里空氣總流量大致為20～50L/min。空氣壓力必須與流量、管路長度、管路內徑、軸承的內壓力損失相匹配。
對于技術參數一定的油-氣集中潤滑系統而言，改變潤滑周期和空氣是允許的。為了克服軸承內部的背壓，進入軸承內部的壓縮空氣必須具備一定壓力(0.3～0.5MPa)。一般而言，軸承入口處壓力不應低于0.15～0.2MPa。
實驗條件：軸承類型NNU4926；轉速n=2000r/min；
力F=2000N；潤滑油粘度v=32mm/s(t=40℃)
4 軸承潤滑油量計算及供油方式設計
4.1 軸承潤滑油量計算
滾動軸承潤滑所需的油量在很大程度上取決于軸承類型、供油系統設計、潤滑油類型等因素。很難給出一個適合任何情況，具有廣泛適用性的簡單明了的公式。具有油液自動傳輸功能的軸承(如角接觸球軸承)所需油量大于不具有油液自動傳輸功能的軸承(如雙列圓柱滾子軸承)所需油量。尤其當速度性系數(n.dm)值較大時，其差異更明顯(圖3)。通過大量實驗，供油量Q的粗略計算公式如下:
Q=WdB
式中 Q——供油量，mm3/h
W——系數，0.01mm/h
d——軸承內徑，mm
B——軸承寬度，mm
然而，實際供油量還要在此數值基礎上擴大4～20倍。為了獲得最佳潤滑效果，還需通過實驗來修正供油量多少。
圖4 供油方式
4.2 供油方式設計
對于高速旋轉的軸承，為了可靠地將潤滑油送入軸承內部，應十分重視供油方式(如噴嘴形式、安裝位置等)的設計。軸承潤滑方式完全取決于軸承類型和配置方式。對單列軸承而言，最佳潤滑方式為從一邊進入軸承內部。噴嘴孔應與內環齊平，不能指向保持架。尤其當軸承自身吸排油方向不易確定時(如角接觸球軸承)，潤滑油必須按上述方向進入軸承內部。若條件許可，潤滑油最好經過一個特制噴管后再進入軸承內部。噴管長度取決于軸承大小，直徑為0.5～1.0mm。也允許把潤滑油送到軸承外圈處。在這種情況下，要注意察看潤滑油是否進入了鋼球與外圈之間形成的壓力區域。對雙列軸承而言，潤滑油必須從與外圈滾道邊齊平的地方噴入軸承內部，以對軸承充分潤滑。
當軸承外徑介于150～280mm時，需要再增加一個噴嘴。
此外，為了防止在軸承底部形成油渣沉淀，需要安裝一個泄油管，其長度大于5mm。
為了滿足現代機床高速主軸對潤滑系統的要求，對油-氣集中潤滑系統的各個參數還要作進一步詳細而精確的研究。這是因為：潤滑油類型、潤滑方法、潤滑量以及軸承類型、軸承配置等因素均對軸承轉速提高有著決定作用。