​电机、电装、风电轴承用润滑脂长寿命化技术动向.docx

根据日本工业标准JISK2220,润滑脂定义为“在原料基础油中分散增稠剂,使之成为半固体状或固体状,有时也含有赋予特殊性质的其他成分”。与油润滑相比,脂润滑无需供油设备,所以具有可提高维护性能和实现结构紧凑化的特征,被广泛应用于各种机械零件。尤其是滚动轴承,据说80%以上采用脂润滑。根据用途,要求润滑脂具有各种各样的性能,其中之一是使用寿命,即脂润滑的机械零件因润滑不良而达到寿命的时间。关于机械零件的寿命,有疲劳及磨损等各种故障模式,即便作为润滑脂,也可通过供油技术和添加剂技术、低速厚膜化技术等多种技术,对机械零件的长寿命化做出贡献。本文以电动机轴承、电装辅机轴承、风力发电机主轴承为例,说明润滑脂长寿命化相关技术。

1电动机用轴承

1.1电动机用轴承方面的课题

电动机耗电量占世界各种用途总耗电量的40%～50%,为降低耗电量,电动机的节能化尤为重要。为实现电动机的节能化,要求电动机小型化、轻量化,为满足该要求,轴承也必须小型化、轻量化。此外,为了实现小型电动机的高输出功率,要求轴承高速化,这必然会加剧轴承发热。电动机用轴承不得不在高速化、高温化等苛刻条件下运转,要求润滑脂提高轴承的耐热咬粘性。

1.2润滑寿命试验

据小森谷等报道,轴承达到润滑寿命的直接原因是在图1c的保持架兜孔边缘发现的局部热咬粘,这是由于保持架兜孔与球之间的润滑不良引起的现象。在达到润滑寿命的过程中,首先,由于运转初期的润滑脂搅拌作用,润滑脂分配到各部位。轴承端部附着的润滑脂发挥储油器的作用,通过附着于外圈内径面上的润滑脂向沟道面供油;另一方面,对于球与沟道面因蒸发、飞散等而损失的油分,一旦分配在轴承端部的润滑脂的供油不足,则发生热咬粘,进而达到润滑寿命。表1的试验用润滑脂采用同样的基础油、添加剂、稠度,而增稠剂不同,通过图2所示的FAG滚动轴承试验机FE9(DIN51821)评定润滑寿命。采用无密封装置的7206B轴承,在轴向载荷为1500N,外圈温度为120℃,转速为6000r/min的条件下进行寿命试验。结果(图3)表明润滑脂B比A的润滑寿命长。

表1试验脂

图1已失效轴承的各零件外观

图2台架试验的示意图

图3润滑寿命的Weibull曲线

1.3润滑寿命对策

从润滑寿命看,重要的是润滑脂的供油和在接触部位的耗油。市村等研究出能评定图4所示的表示供油速度的等效半径的试验方法。润滑脂的油分渗透距离如图5所示。润滑脂的等效半径如图6所示。渗透距离长的润滑脂B的等效半径大。此外,润滑脂B的供油量大。这些润滑脂的供油趋势与润滑寿命的趋势一致。因而,从供油的角度看,润滑脂的等效半径大,供油量大,另一方面,从耗油的角度看,油分难于蒸发、飞散,则有利于润滑脂的长寿命化。

图4渗油试验装置示意图

图5渗油距离随试验时间的变化

图6润滑脂的等效半径

2电装辅机轴承

2.1电装辅机轴承方面的课题

汽车发动机的电装辅机用滚动轴承方面待解决的问题是图7所示的白色组织内部起源型剥落,其寿命比计算寿命短得多。据报道,白色组织是10nm左右的α结构超微细晶粒。早期生成白色组织的原因之一是氢的影响,据报道,以往曾对添加氢的轴承开展白色组织内部起源型剥落的再现试验等。润滑部位的氢的产生源是水分及润滑剂等的分解。据滝渡等报道,由于通过摩擦生成的新生面,润滑油分解,进而产生氢气。据饭島等报道,由于放电等离子体作用使碳氢化合物油分解而产生氢;还有纳山等也对各种碳氢化合物油及酯、醚等的含氧油进行相关研究,随油种不同,氢的产生量不同。在轴承试验中,随着润滑脂种类不同,白色组织内部起源型剥落寿命并不同,因此,润滑脂的对策不可或缺。

图7滚动接触疲劳中白色组织变化的光学显微照片

2.2白色组织内部起源型剥落的再现

远藤等在氢气环境下采用图8所示的滚动四球试验机进行试验,报道了白色组织内部起源型剥落。采用上球直径为15.88mm,下球直径为15.00mm的SUJ2球轴承用钢球,试验条件是设定上球转速为1500r/min,上、下球体间的最大Hertz应力为5.6GPa,润滑油采用表2中具有不同运动黏度的3种合成碳氢化合物油。如图9所示,所有的试验润滑油在氢气下的寿命比空气下显著缩短。Λ(膜参数)值小于3.0的聚α-烯烃(PAO)100由电子探针微量分析仪(EPMA)分析,沟道面的氧含量与空气下的试验相比少些。这一现象说明沟道面上没有形成氧化膜,早期发生了表面起源型剥落。至于Λ值大于3.5的PAO400,PAO1000,剥落部位的断面有在空气下的试验中未见的白色组织,可认为是在氢的影响下早期发生了白色组织内部起源型剥落。

表2试验用油的特性

图8四球滚动试验装置的主要零件

图9采用四球滚动试验装置的疲劳寿命试验

2.3氢的侵入路线

钢中