近年來，為了保護(hù)地球環(huán)境，對節(jié)能(減少礦物燃料的使用量以及削減耗電量等)的要求在提高。特別是在堪稱占有日本本土年耗電量55%的工業(yè)用電動機(jī)領(lǐng)域，強(qiáng)烈要求提高能源效率。實(shí)際上，以工廠的水泵及送風(fēng)機(jī)等使用的三相電動機(jī)為對象，于2011年制定了領(lǐng)跑者計(jì)劃，強(qiáng)制要求使用更高效的三相電動機(jī)。因此，這類電動機(jī)所用軸承導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩?fù)p失也必須引起重視。
80%的滾動軸承采用脂潤滑，由于潤滑脂對軸承轉(zhuǎn)矩的影響非常大，以往致力于通過潤滑脂實(shí)現(xiàn)軸承低轉(zhuǎn)矩化。脂潤滑與油潤滑不同，由于作為固態(tài)成分的增稠劑的影響而表現(xiàn)出復(fù)雜的流動特性。不過并未完全了解潤滑脂對軸承轉(zhuǎn)矩的影響因素，期待今后通過提高潤滑脂技術(shù)以進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)矩。本文將對通過潤滑脂來降低轉(zhuǎn)矩的技術(shù)及其評定、分析的相關(guān)最新技術(shù)動向進(jìn)行說明。
一、 脂潤滑球軸承的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生因素
1、 脂潤滑球軸承的阻力
脂潤滑球軸承的阻力產(chǎn)生因素如圖1所示，可大致分為：球撥開溝道上存在的潤滑脂時產(chǎn)生的攪拌阻力；球在溝道上旋轉(zhuǎn)時由潤滑油的黏性而產(chǎn)生的滾動黏滯阻力；由球的自旋及差動滑動等導(dǎo)致滾動接觸區(qū)內(nèi)的微小滑動阻力；球與保持架間的滑動摩擦阻力。在油潤滑情況下，為了降低轉(zhuǎn)矩，降低潤滑油黏度是有效的。這是因?yàn)樵跍p小潤滑油攪拌阻力的同時，能減小滾動黏滯阻力。在脂潤滑情況下，由于剪切及離心力的作用，致使?jié)櫥瑥臏系捞幈慌懦?，通過附著在周邊構(gòu)件上的潤滑脂或分離出的微量基礎(chǔ)油進(jìn)行潤滑。由脂潤滑與油潤滑比較可知，基礎(chǔ)油動態(tài)黏度對軸承轉(zhuǎn)矩的影響小，潤滑脂攪拌阻力的影響最大。
圖1 脂潤滑球軸承的阻力產(chǎn)生因素
2、攪拌阻力的影響因素
攪拌阻力主要由潤滑劑的黏性產(chǎn)生，為了減小攪拌阻力，可考慮降低潤滑脂黏度或減少被攪拌的潤滑脂量。作為降低潤滑脂黏度的方法，有通過減少增稠劑添加量以降低表觀黏度，不過，若表觀黏度過低，則軸承旋轉(zhuǎn)時的離心力會使?jié)櫥瑥妮S承內(nèi)部甩出，污染周邊構(gòu)件并縮短潤滑壽命。另一方面，為了減少被攪拌的潤滑脂量，可減少軸承的潤滑脂填充量。關(guān)于潤滑脂填充量與軸承壽命的關(guān)系，當(dāng)設(shè)定試驗(yàn)軸承的潤滑脂填充量為正常填充量的1/3時，潤滑脂研究協(xié)會研究了對脂潤滑壽命的影響。根據(jù)圖2所示W(wǎng)eibull曲線圖的結(jié)果，設(shè)定潤滑脂填充量為正常填充量的1/3時，潤滑壽命非常短(僅不到1/5)可能是由于早期泄漏引起的潤滑脂量不足及由于在軸承內(nèi)發(fā)生金屬接觸進(jìn)而產(chǎn)生顯著的磨耗粉末。單純減少潤滑脂填充量并不能滿足軸承所要求的性能。
圖2 采用曾田式試驗(yàn)機(jī)顯示的潤滑脂壽命
二、降低轉(zhuǎn)矩技術(shù)
1、控制潤滑脂的流動性
若從脂潤滑球軸承溝道被排出的潤滑脂沒有重返溝道，形成對球與保持架的運(yùn)動不產(chǎn)生影響的成溝狀態(tài)，則可減小球及保持架撥開潤滑脂時產(chǎn)生的攪拌阻力，這樣就會降低轉(zhuǎn)矩。渡部等采用了將12-羥基硬脂酸鋰作為增稠劑的潤滑脂A以及將12-羥基硬脂酸鋰和癸酸鋰作為增稠劑的潤滑脂B～F，測試了屈服應(yīng)力，評估了潤滑脂的成溝特性。屈服應(yīng)力是潤滑脂從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲬B(tài)所需的應(yīng)力，如圖3所示：采用了2種增稠劑的潤滑脂E的屈服應(yīng)力高，軸承轉(zhuǎn)矩低。
圖3 屈服應(yīng)力與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系
關(guān)于潤滑脂的流動性，新田等著眼于黏性轉(zhuǎn)變(過渡)應(yīng)力，研究了潤滑脂的流動性對軸承轉(zhuǎn)矩的影響。對平行兩面間的潤滑脂緩慢地外加應(yīng)變時，將圖4所示的損耗模量G″大于儲能模量G′時的應(yīng)力定義為黏性轉(zhuǎn)變應(yīng)力，采用增稠劑的碳鏈長不同的4種脂肪族雙脲(環(huán)二脲)潤滑脂作為評定用試樣。此外，為了評估軸承轉(zhuǎn)矩的早期穩(wěn)定性以及評估過程中的轉(zhuǎn)矩變動，通過源自增稠劑的攪拌阻力求出作為軸承旋轉(zhuǎn)中損失的能量，即攪拌能耗，研究了黏性轉(zhuǎn)變應(yīng)力的影響。如圖5所示：碳鏈長越短的潤滑脂的黏性轉(zhuǎn)變應(yīng)力越大，則攪拌能耗越低。
圖4 黏性轉(zhuǎn)變應(yīng)力的計(jì)算方法
圖5 黏性轉(zhuǎn)變應(yīng)力與攪拌能耗的關(guān)系
津田等采用潤滑脂的黏性衰減能對攪拌能耗進(jìn)行了評估。在黏性衰減能方面，對外加連續(xù)剪切時增稠劑的三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)受損的容易程度進(jìn)行了評估，能體現(xiàn)實(shí)際軸承內(nèi)部的潤滑脂行為。即便采用了增稠劑的分子結(jié)構(gòu)與脂肪族、脂環(huán)族、芳香族不同的雙脲(環(huán)二脲)潤滑脂，也可得到黏性衰減能與攪拌能耗的密切關(guān)系，如圖6所示。
圖6 黏性衰減能與攪拌能耗的關(guān)系
2、潤滑膜控制
作為產(chǎn)生軸承轉(zhuǎn)矩的主要因素的潤滑脂攪拌阻力以及黏滯阻力，受到形成的潤滑膜的影響，所以需明確這類影響。關(guān)于潤滑脂形成的彎月面距離與軸承轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，園田等對外圈由玻璃制作的6306深溝球軸承進(jìn)行了研究。采用稠度不同的2種鋰皂潤滑脂和基礎(chǔ)油，測量了彎月面距離和軸承轉(zhuǎn)矩，如圖7所示，屈服應(yīng)力大而轉(zhuǎn)矩低的潤滑脂A在短時間內(nèi)彎月面長度快速縮減后繼續(xù)緩慢縮減。成溝性能優(yōu)異的潤滑脂通過從軸承的滾動面排出，彎月面長度縮減，攪拌阻力及滾動黏滯阻力減小。
圖7 彎月面長度隨時間的變化
星等采用顯微紅外光譜分析法對潤滑脂彈性流體動力潤滑(EHL)膜進(jìn)行了現(xiàn)場觀察，給出了滾動接觸區(qū)中油膜厚度及增稠劑濃度的相關(guān)研究結(jié)果。鋰基潤滑脂和脲基潤滑脂的油膜厚度以及增稠劑濃度與速度的關(guān)系如圖8所示，鋰基潤滑脂在Hertz接觸區(qū)引起增稠劑濃度降低，而脲基潤滑脂可見增稠劑濃縮，油膜厚度增加的現(xiàn)象。
圖8 油膜厚度以及增稠劑濃度與速度的關(guān)系
3、 潤滑脂及增稠劑的可視化
為了降低軸承轉(zhuǎn)矩，需了解軸承內(nèi)部潤滑脂的流動狀態(tài)及附著狀態(tài)。近藤等采用X射線計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)觀察潤滑脂從攪拌狀態(tài)過渡到成溝狀態(tài)時的潤滑脂附著狀態(tài)。內(nèi)圈、外圈、球、保持架和密封件采用樹脂制作，X射線可穿透，在潤滑脂中添加5 wt%的鎢作為示蹤物，就能根據(jù)潤滑脂與構(gòu)件間的反差進(jìn)行評定。如圖9所示，由于從力矩大的攪拌狀態(tài)轉(zhuǎn)變到力矩小的成溝狀態(tài)，保持架脂兜處的球與脂兜滑動面間的潤滑脂量大幅減少，因此，要實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)矩化，降低球與脂兜滑動面間的剪切黏度是有效的方法。
圖9 保持架脂兜周邊的潤滑脂行為
對軸承轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響的潤滑脂的流動性和油膜形成性能由增稠劑的形態(tài)以及在基礎(chǔ)油中的分散狀態(tài)決定。作為觀察增稠劑形態(tài)的方法，通常去除潤滑脂中的基礎(chǔ)油，采用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察作為殘?jiān)脑龀韯?，不過有待解決不能掌握潤滑脂中增稠劑的分散狀態(tài)的難題。
外尾等采用原子力顯微鏡對潤滑脂中的增稠劑進(jìn)行了現(xiàn)場觀察。據(jù)報(bào)道，采用原子力顯微鏡的分鏡頭方式觀察的結(jié)果如圖10所示，能使?jié)櫥性龀韯┑姆稚顟B(tài)和分散度指標(biāo)化，分散度越大，作為轉(zhuǎn)矩控制因素的屈服應(yīng)力越大。
圖10 聚α-烯烴合成油(PAO)系潤滑脂的原子力顯微鏡觀察圖像
關(guān)于潤滑脂中增稠劑的三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，吉原等采用激光共聚焦熒光顯微鏡對增稠劑進(jìn)行了直接觀察。在玻璃載片(顯微鏡滑動玻璃片)及防護(hù)玻璃間夾住雙脲潤滑脂，進(jìn)而照射激勵光，形成高能量激勵狀態(tài)的雙脲增稠劑恢復(fù)到原狀態(tài)，通過檢測釋放出的熒光能觀察增稠劑的三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。潤滑脂中存在形成高密度網(wǎng)孔狀的增稠劑，直徑不到1 μm的細(xì)纖維形成線束狀的粗纖維，進(jìn)一步形成網(wǎng)絡(luò)(圖11)，有可能將潤滑脂中增稠劑的分散狀態(tài)定量化。
圖11 試驗(yàn)潤滑脂的3D結(jié)構(gòu)
三、結(jié)束語
論述了對脂潤滑球軸承的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響的潤滑脂的流動性和潤滑膜的影響，以及控制影響因素的潤滑脂以及增稠劑結(jié)構(gòu)的可視化相關(guān)技術(shù)。作為軸承轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的主要因素的攪拌阻力，通過潤滑脂顯示特殊的流動性以及潤滑膜形成性的最佳化，有望進(jìn)一步減小攪拌阻力。
近年來，伴隨評估、分析裝置的高性能化，已能對以往無法進(jìn)行可視化、定量化的軸承內(nèi)部潤滑脂行為以及增稠劑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。今后期待通過這些技術(shù)的發(fā)展，了解一般認(rèn)為難以定量化的潤滑脂物理性質(zhì)的貢獻(xiàn)度，開發(fā)進(jìn)一步降低軸承轉(zhuǎn)矩的技術(shù)
四、聯(lián)系我們
讓云科技-作為湖南地區(qū)知名品牌的工程軸承技術(shù)服務(wù)商及產(chǎn)品生產(chǎn)廠商，現(xiàn)已擁有兩大自主品牌：讓融（RANUR)、讓云（RANUY )系列工程軸承，我們所做的一切只為時刻準(zhǔn)備迎面解決更加嚴(yán)苛的運(yùn)行工況及日益增長的市場需求，并及時掌握及應(yīng)用如何提高產(chǎn)業(yè)可靠性及優(yōu)化資產(chǎn)生命周期。
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