第四章 电机轴承润滑选择和应用

第一节 电机轴承润滑脂知识简介

一、电机轴承润滑设计概述

对于机械结构而言，控制系统是大脑，传感器是神经，机械装置是骨骼肌肉，轴承是心脏，而润滑是血液。执行机构执行各种动作，轴承从物理角度减少摩擦，那么润滑剂就是从化学角度减少摩擦。

（一）电机润滑设计的基本步骤

电机会经历设计、生产制造、运输、储存、使用维护、维修等阶段，这些阶段构成了电机产品的生命周期。电机中的润滑在电机的生命周期主要包含两大阶段，共6个步骤。

1）电机生产设计制造阶段：电机设计人员需要根据电机工况选择合适的润滑，同时还需要对电机轴承润滑的寿命进行计算；电机设计人员需要计算初次润滑的注入量，电机生产人员需要按照规定的量采用正确的方法将油脂注入轴承。

2）电机的使用维护阶段：电机使用和维护人员需要正确地选择补充油脂，他们需要了解补充润滑应该需要的剂量，同时还需要采用正确的方法将润滑剂补充到轴承内部。

总结起来，两个阶段的润滑工作都会面临“用什么？”“怎么用？”“用多少？”等几个问题，如图4-1所示。

在讨论这几个具体步骤之前，先简单地介绍一些润滑的基本知识，包括：①润滑剂及润滑基本原理；②润滑剂（润滑脂、润滑油）的性能指标。

电机中通常使用的润滑介质主要是润滑油和润滑脂。当然，个别领域也有使用固体润滑的，由于实际使用不多，本书不予介绍。

（二）润滑油和润滑脂简介

润滑油是复杂碳氢化合物的混合物，通常的润滑油由基础油和添加剂两个部分组成。其中起润滑作用的主要是基础油。

润滑脂（也被称作油脂）是半固体状润滑介质，通常由基础油、增稠剂和添加剂组成。基础油主要承担润滑作用，增稠剂除了保持基础油以外也起到一定的润滑作用。

润滑油和润滑脂中的添加剂（抗氧化润滑剂和极压添加剂等）会使两种润滑介质具有更好的性能。

关于润滑脂和润滑油的特性的对比如下：

1）润滑脂：具有良好的附着性能、油路设计简单、便于安装维护；附着在轴承上，防止轴承受到污染；立式安装电机使用方便；由于黏度原因有一定的发热，因此在某些高速领域无法胜任。

2）润滑油：具有很好的流动性，需要专门的油路设计，以及相应的附属设备；由于黏度较低，在高速场合可以适用；可以适用于油气润滑，以达到超高转速的润滑；使用循环润滑可以起到冷却作用；发热少。

一般电机中最经常使用的是润滑脂。润滑油只有在中大型电机的一些场合下才会使用。如果使用润滑油，那么相应的润滑油路、密封、过滤、油站等设计就不可或缺。

本章内容着重介绍润滑脂的润滑。

二、润滑脂的主要性能指标和检测方法

（一）主要性能指标

了解润滑脂的一些主要性能指标及其含义，有助于后续对润滑脂的选择。

润滑脂的性能指标包含色别（外观）、黏度（或称为稠度、用锥入度计量，锥入度曾用名为“针入度”）、耐热性能（滴点、蒸发量、高温锥入度、钢网分油、漏失量）、耐水性能、机械安定性、耐压性能、氧化安定性、机械杂质、防蚀防锈性、分油、寿命、硬化、水分等多项，其中主要质量指标有滴点、锥入度、机械杂质、机械安定性、氧化安定性、防蚀防锈性等。下面着重介绍其中的黏度和滴点。

1.黏度

黏度是一种测量流体不同层之间摩擦力大小的度量。

润滑脂中所含有的基础油的黏度就是指基础油不同层之间的摩擦力大小。这是一个润滑选择重要的指标。通常用厘沲（cSt）表示，单位为m²/s。基础油的黏度是一个随温度变化而变化的值。一般地，随着温度的升高，基础油的黏度将变小。在计量时，一般都用40℃作为一个温度基准。因此一般润滑油和润滑脂都会提供40℃时的基础油黏度值。

2.黏度指数

润滑剂的黏度随着温度变化而变化的快慢程度，用黏度指数表示。有的润滑剂厂商给出黏度指数的指标，有的则给出两个温度值（40℃和100℃）时的基础油黏度，用以标识基础油黏度随温度的变化。

3.锥入度

对于润滑脂而言，其黏度通常用锥入度试验进行计量。润滑脂的黏度在很大程度上取决于使用增稠剂的种类和浓度。锥入度的单位是mm/10。

4.NLGI黏度代码

根据润滑脂不同的锥入度，将润滑脂的黏度进行编码，称为NLGI黏度代码，具体内容如表4-1所示。

我们经常提及的电机中最常用的2号脂和3号脂，指的就是所用润滑脂的NLGI黏度代码为2或3。从表格4-1中可以看到，2号脂的锥入度大于3号脂，也就是说2号脂润滑比3号润滑脂“软”，或者叫“稀”。

5.滴点

滴点是在规定条件下达到一定流动性的最低温度，通常用摄氏度（℃）表示。对润滑脂而言，就是对润滑脂进行加热，润滑脂将随着温度上升而变得越来越软，待润滑脂在容器中滴第一滴或者柱状触及试管底部时的温度，就是润滑脂由半固态变为液态的温度称为该润滑脂的滴点。它标志着润滑脂保持半固态的能力。滴点温度并不是润滑脂可以工作的最高温度。润滑脂工作的最高温度最终还要看基础油黏度等其他指标。把滴点作为润滑脂最高温度的衡量方法实不可取。

也有经验之谈，认为润滑脂滴点温度降低30～50℃即可认为是润滑脂的最高工作温度。这个经验之谈的结论有一定依据，但是依然要校核此温度下的基础油黏度方可定论。

（二）润滑脂的滴点、锥入度和机械杂质含量简单定义和检测方法

1.简单定义、说明和正规的检测方法

润滑脂的滴点、锥入度、机械杂质含量3个主要指标的简单定义、说明和正规的检测方法见表4-2。

2.简易鉴别方法

（1）皂基的鉴别 把润滑脂涂抹在铜片上，然后放入热水中，如果润滑脂和水不发生反应，水不变色，说明是钙基脂、锂基脂或钡基脂；若润滑脂很快溶于水，变成牛奶状半透明的乳白色溶液，则是钠基脂；润滑脂虽然能溶于水，但溶解速度很缓慢，说明是钙钠基脂。

（2）纤维网络结构破坏性的鉴别 把涂有润滑脂的铜片放入装有水的试管中并不断转动，若没有油质分离出来，表明润滑脂的组织结构正常，如果有油珠浮上水面，说明该润滑脂的纤维网络结构已破坏，失去了附着性，不能继续使用。究其原因主要是保管不善、经受振动、存放过久等。

（3）机械杂质的检查 用手指取少量润滑脂进行捻压，通过感觉判断有无杂质，或者把润滑脂涂在透明的玻璃板上，涂层厚度约为0.5mm，在光亮处观察有无机械杂质。

三、润滑的基本原理

（一）润滑的基本状态与油膜的形成机理

轴承的润滑剂分布在滚动体和滚道之间，将两者分隔开来，避免金属之间的直接接触，同时减少摩擦。通常而言，润滑大致有边界润滑、混合边界油膜润滑和流体动力润滑3种基本状态，如图4-2所示。

1）在边界润滑状态，油膜厚度约为分子级大小，因此，此时的润滑几乎是金属之间的直接接触。

2）在混合油膜润滑状态，运动表面分离，油膜达到厚膜状态，但存在部分金属直接接触。

3）在流体动力润滑状态，较厚的油膜受载呈现弹性流体特性，金属被油膜分隔。

使用润滑剂的目的就是避免金属和金属之间的直接接触而减小摩擦，因此在实际润滑过程中是期望达到不出现边界润滑的状态。

1902年，德国人斯特里贝克（Stribeck）通过研究，揭示了润滑剂黏度、速度、负荷与摩擦系数之间的关系，这些内容成为了奠定润滑研究的最重要的理论。这就是如图4-3所示的著名的斯特里贝克曲线（Stribeck Curve）。

这个曲线清楚地揭示了黏度、速度、负荷和摩擦系数的关系。这里所说的摩擦副（面）是指广泛意义的摩擦表面，关于具体理论分析可以参阅相关资料，在此不做过多介绍。

对于轴承这种特殊的摩擦副，我们不妨用一个很简单的例子来说明其润滑的基本原理以及相关因素（普通摩擦副中润滑剂的挤压性极其重要，而轴承中除了这个因素以外，楔形空间的存在也十分关键。仅作为后续理解的参考）。

图4-4展示的是滑水运动的场景，在这个场景中，我们对滑水运动员的运动状态进行分析（滑水运动员的受力状态参见图4-5）。

滑水运动员受到重力G、绳子拉力P和浮力F，同时滑水板和水平面有夹角α。

其中水平面对滑板浮力向上的分量为F₁=Fcosα。

当F₁=G时，人就可以在水面上浮起来。从式F₁=Fcosα可以看出，要使浮力向上的分量达到人体重力时，必须要有倾斜角α以及足够大的浮力F。

这个例子可以直接类比为润滑状态。人浮在水面上，可以类比成轴承滚动体浮在油膜上。因此，要形成润滑就必须有一个仰角α。这就是通常所说的润滑形成的一个必要条件——就是要有一个楔形空间。

对于一套轴承，给定了滚动体和滚道的形状，当滚动体和滚道接触时，其接触面楔形空间的楔形角就已经固定。

当轴承在某给定工况运行时，其负载已定，也就相当于滑水运动员的重力已确定。

由此可见，确定“浮力”的三个因素：重力（轴承的负荷）、楔形角（滚道和滚动体尺寸）和浮力，其中前两个因素已经确定。因此，我们想“浮起”滚动体，只能在“浮力”上想办法。

下面，让我们来看看影响“浮力”的几个因素。

（二）温度、黏度和油膜形成的关系

试想两个场景：①人在水面上被相同速度的快艇拉着滑行；②人在一池蜂蜜上被相同速度的快艇拉着滑行。显然处在蜂蜜上的人，更容易浮出水面。但是相应的，拉着在蜂蜜上滑行的人要比拉着在水面上滑行的人需要花更大的力气。两个场景最大的区别就在于蜂蜜和水的黏度不同。

相同的类比到轴承润滑场景。形成油膜相当于把滚动体浮起来，黏度越大的润滑剂，就越容易实现这个目标。而相应的，在相同的速度下，黏度越大的润滑剂形成润滑所产生的阻力就越大。这些阻力在润滑里以发热的方式表现出来。

我们都知道，润滑剂的基础油黏度随着温度上升而降低。因此温度越高，基础油黏度就越低，反之亦然。

由此可以得到结论：温度越高，越不容易形成油膜。因此，在温度高的情况下必须选择基础油黏度大的润滑剂，以保证在较高温度时有足够的黏度。

相应的，温度越低，越容易形成油膜，同时也引起较多的发热。因此，温度越低时必须选择基础油黏度较小的润滑剂，以避免过多的发热。

（三）转速和油膜形成的关系

小孩子经常会好奇，为什么滑水的人可以站在水面上，而我们平时无法站在水面上。如果仔细观察滑水运动员也会发现，在最开始时，运动员并不是站在水面上的，随着快艇速度的提高，运动员开始浮出水面。也就是说，即便滑水板的楔形空间已定，若需要产生浮力，还是需要一定的相对速度。只有当速度足够高，人才能浮出水面，速度越快，滑水板受到向上的浮力就越大。当速度达到一定值时，滑水运动员甚至可以飞离水面直至减速后落回水平。

类比到轴承润滑，在相同黏度、相同负荷时，转速高的容易形成油膜，反之亦然。

另一方面，转速越高，润滑发热就越多。因此在高转速的情况下，会选择基础油黏度低的润滑，以减少发热。

对于低转速的工况，形成油膜的因素不利，因此选择基础油黏度高的油脂进行补偿，以形成油膜。

对于极低转速，即使使用很高基础油黏度的油脂，依然不能形成油膜，因此需要考虑在油脂内部添加极压添加剂的方式来达成润滑效果。

二硫化钼是电机生产厂经常使用的一种极压添加剂，在极低转速时，二硫化钼通过分子间的特殊结构为滚动体和滚道之间形成一道润滑屏障。但是二硫化钼也有其应用限制。首先在温度高于80℃的场合，不适用二硫化钼添加剂；其次，在转速比较高的场合下，二硫化钼不仅无法发挥作用，反倒充当了磨料的作用，对滚动体和滚道造成表面损伤（表面疲劳）。

由上述论述可知，如果电机转速因素或者油脂的基础油黏度因素足够形成油膜，那么使用极压添加剂不但不会发挥其应有的作用，还会造成材料的浪费，并有可能造成类似于二硫化钼磨损轴承的损害。

（四）负荷和油膜形成的关系

还是用滑水运动员的例子来看，假设水池不变、快艇速度不变、滑水板倾角一样。一个体重大的人和一个体重小的人在滑行，很显然，体重小的更容易浮出水面。

类比于轴承润滑，在给定轴承转速和所用基础油黏度时，负荷轻的情况相较于负荷重的情况更容易形成油膜。

由此可知，在重载的情况下，需要提高油脂的基础油黏度，以补偿重载不利于形成油膜的因素来建立油膜。

在轻载的情况下，可以采用基础油黏度低的油脂，这样既可以保证油膜的形成，也可避免由于基础油黏度过高而产生的发热问题。

四、电机轴承润滑与温度、转速、负荷的关系

前面我们提及的轴承温度、转速、负荷的高中低的定义如下。

（一）温度

对于轴承温度高低的定义见表4-3。

（二）转速

通常考量轴承转速用的指标是ndm值，即轴承内外直径的平均值[（d+D）/2]与轴承运行转速n的乘积，即

式中 n——轴承转速（r/min）；

d——轴承内径（mm）；

D——轴承外径（mm）。

对轴承转速高低的定义见表4-4。

（三）负荷

衡量负荷轻重通常用负荷比C/P值（其中，C代表额定动负荷，单位用KN；P代表当量负荷，单位用kN）来区分。轻重的划分规定见表4-5。

用上面的划分可以对工程实际中的工况做大致分类。在前面的分析中可以看出，温度、转速、负荷是轴承润滑建立的最关键因素。对于电机而言，轴承、负荷、转速、温度等诸多因素都是已经给定的，因此电机设计人员只能在选择油脂基础油黏度上动脑筋，以平衡各方面关系，在达成良好润滑的同时不至于过热。

综合诸多因素，我们可以归纳电机轴承润滑选择的基本原则见表4-6。

在这个基础原则之上，我们需要平衡温度、转速、负荷三者之间的关系。所有的润滑选择都是一个平衡，甚至有时需要一些妥协。

这种妥协在齿轮箱行业尤为突出，设计工程师既要照顾高速轴的高速轻载，又需要估计低速轴的低速重载。两者之间本身就是相互矛盾的，而在齿轮箱中又都是使用同一个齿轮油进行润滑。这就要考验设计人员的平衡能力。

五、不同成分润滑脂的兼容性

原则上讲，不同成分的润滑脂是不能混用的。这一点在对轴承第一次注脂时是很容易做到的。但在机械运行过程中，补充或更换油脂时，则往往会因为一时找不到原用品种或其他客观和主观原因而使用另一品种的润滑脂，造成不同成分混用的结果。

不同成分混用后，有时没有出现异常，有时则会出现油脂稀释或板结、变色等现象，造成润滑作用降低，最终损坏轴承的严重后果。之所以出现上述不同的结果，涉及不同成分的润滑脂之间的兼容性问题。混用后作用正常的，说明两者是兼容的，否则是不兼容的。

表4-7和表4-8分别给出了常用润滑脂基础油和增稠剂是否兼容的情况，供使用时参考。表中：“+”为兼容；“×”为不兼容；“？”为需要测试后根据反映情况决定。对表中所列不兼容的品种应格外加以注意。