第三节 电机轴承油路及润滑设计

一、油路设计

电机轴承的油路设计可以算作电机轴承结构布置的一部分，也可以算作润滑设计的一部分。电机轴承油路设计是指电机内部为轴承添加润滑以及补充润滑的通路。

对于中小型电机，有时候采用封闭轴承（带密封件或者防尘盖的轴承），通常这种封闭轴承都是终身润滑轴承，也就是说油脂的寿命应该比轴承寿命长，也就是说在轴承生命周期中不需要进行补充润滑。所以对于这样的轴承，不需要安排特定的润滑油路。

对于开式轴承（目前只有中小型深沟球轴承和部分调心滚子轴承有封闭式结构），轴承安装完毕就需要施加润滑。并且在轴承运行一段时间之后需要根据油脂的再润滑时间间隔进行补充润滑。所以对这类轴承的结构布置就需要设计润滑油路。

一般的油路设计包含进油、油路通道、排油三个环节。下面用一个例子来说明：

图4-8是一个典型的双深沟球轴承结构示意图，定位端置于主轴伸端，浮动端置于非主轴伸端。在主轴伸端外侧有一个迷宫密封，内侧是橡胶密封。浮动端双侧使用橡胶密封。

对于定位端轴承，从图4-8中可见，进油孔安排在轴承室的上端，对于轴承是从右侧进油，排油孔布置在轴承室的下端，从轴承左侧出油。

对于浮动端，进油孔布置在轴承室的上端，从轴承左侧进油；排油孔安排在轴承室的下端，从轴承右侧排油。

从上面的布置可以看到，电机轴承油路设计有两个非常重要的原则：

第一，进油孔和出油孔必须位于轴承两侧。

第二，进油孔最好在轴承上端，排油孔最好在轴承下端。

确定这两个原则的理由不难理解，就是要求补充润滑时，①补充进去的油脂必须能够流入轴承；②油脂从加入到排出必须流经轴承。

这两个原则不仅仅适用于两个深沟球轴承结构，同时也可以适用于所有的电机中轴承结构布置。

在一些高速电机的应用中，由于轴承转速很高，因此轴承内部所需的油脂量较小，因而需要频繁地补充润滑。这样一来，就不能依赖轴承自然排油来实现这种条件。通常，电机生产厂使用“甩油盘”来进行排油。具体结构如图4-9所示。

当电机运行时，速度越高，附着在甩油盘上的油脂就会越多地被甩出来，从而减少轴承腔内的油脂，以避免过多的油脂搅拌发热；同时，在补充润滑时，多余的油脂也会在运转时被甩油盘甩出。由于甩油盘甩油的量和电机转速正相关，所以就形成了一个动态的排油系统，从而保证了轴承内部的油脂量平衡。

甩油盘的结构层尺寸推荐值见表4-9（参见图4-10）。

二、轴承的初次润滑

（一）电机轴承初次润滑分析

电机油脂选择完成之后，就要考虑轴承以及轴承室内部油脂的添加量。轴承室内部添加的油脂过多或者过少都会对轴承运行产生不利影响，而轴承润滑问题带来的电机轴承失效表征通常以温度的形式表现出来。

图4-11展示的是某台电机油脂添加过多、过少和适量3种情况下轴承温度和运行时间的记录曲线。

油脂添加过多时，轴承搅拌过多的油脂发热，电机持续出现轴承温度过高。

油脂添加过少时，初始电机轴承温度较低，但是油脂不足导致润滑不良，后续电机轴承将出现因润滑不良而引起的急剧温升，甚至轴承烧毁。

油脂添加适量时，起初电机内温度较低，油脂黏度相对较大，油脂在轴承内进行“匀脂”的过程中将产生较多的热量，使轴承温度很快升高。但当匀脂过程结束后，电机温度达到稳定温度时，油脂黏度也将降低到正常值，电机轴承温度将会回落到正常的稳定值。这个时间的长短与电机的结构、运行转速、轴承结构和所用油脂的类型等有关，一般需要几个小时。

电机设计人员可以根据图4-11中电机轴承温度的趋势对油脂填充量进行大致判断。

（二）初始注脂量的经验值

初始注入轴承内（含轴承室内）的油脂量多少的原则是：在能保证轴承充分润滑的前提下越少越好。

通过实践经验总结，下述原则是比较合适的。

对开式轴承，比较合适的油脂注入量应视轴承室空腔容积（将两个轴承盖与轴承安装完毕后，其所包容的内部空间中空气占有的部分，见图4-12中除轴承滚珠以外的空白部分）大小和所用轴承转速（对于交流电动机，也可用极数代替转速）来粗略地计算注脂量，见表4-10。

对于具有如图4-10所示的甩油盘（又称为挡油盘）轴承室结构的，应适当增加第一次的注脂量，并且在轴承外盖空腔内不要注油脂（这里是接受被甩出“废油脂”的“垃圾箱”，其中的油脂不会进入轴承中用于润滑，所以新注入的油脂将被浪费）。此种结构，因轴承室中的油脂将会越甩越少，如不按要求定期加注油脂，则将会因油脂过少而降低润滑效果，最终油脂因过热干涸，使整个轴承损坏。

（三）初始注脂量的计算方法

图4-13给出的是各类、各系列轴承润滑脂填充量与轴承内径的关系，曲线的编号代表轴承系列，例如6为深沟球轴承，可参考使用。

轴承内部空间全部填满油脂，对于操作人员来说有时候很难把握。经常出现的情况是轴承涂满油脂，但实际上轴承内部还有气泡或者剩余空间。因此操作人员需要一个对具体的量的指导。

电机设计人员可以假设轴承是一个实心铁环，由此可以计算出铁环重量。另一方面，轴承本身的重量可以在轴承生产厂家提供的型录里查得。这两个重量的差值除以铁的密度，即可得到轴承内部空间体积。此数值再乘以油脂密度，即可得到需要在轴承内部添加油脂的重量。

电机轴承室剩余空间油脂填充量为

由此，一套轴承初次添置油脂重量为

有了油脂的重量，操作人员就有一个比较好的度量来确保轴承室内的油脂填充量。

生产线中，为确保工人可以保证电机轴承初次润滑添脂量，可以采用以下方法：①使用带有油脂计量装置的润滑脂填装设备。比如油脂计量泵等；②可以使用固定量器工装。对不同电机不同轴承按照事先计算好的油脂填充量制作定量容器，生产线上工人只需要根据工装量器的容量，将容器内的润滑脂填入轴承即可。

（四）初次润滑方法：

滚动轴承的注油工具有手动注脂和压力注脂两种形式，俗称为油枪，较大的生产、使用和修理单位则可能使用带有计量装置的专用注脂机（罐或桶），如图4-14所示。应禁止使用带棱角的钢制工具，以及易掉屑的工具或手套。

注润滑脂时，场地要干净清洁，所用工具应用汽油清洗干净。油脂注完后，应尽快装配好其他部件，要防止进入轴承中的油脂夹带灰尘杂物，特别是砂粒和铁屑等。

利用注脂工具，通过注油装置给轴承加注润滑脂的操作如图4-15a所示。对没有注脂装置的电机，则应拆开轴承盖直接往轴承室中注油，如图4-15b所示。应注意使用与原用油脂相同牌号的油脂，以避免不同组分的润滑脂发生有害反应而减小甚至失去润滑作用，造成轴承过热损坏。

若原有润滑脂已变质，则应将其用汽油等溶剂彻底清除，然后重新加注新油脂。

三、轴承的运行中补充润滑的时间间隔

电机运行一段时间后，轴承中初次添加的油脂会随着运行时间的延长而逐渐减弱其润滑作用，并且其量也会减少。此时需要添加润滑脂（对有注油装置的电机）或更换新的润滑脂（对没有注油装置的电机），这项工作称为轴承的补充润滑，或称为再润滑。

（一）油脂寿命的基本概念

油脂本身也有寿命期限。通常，油脂的寿命会受到外界氧化等化学影响，因此即使是储存而并未使用的油脂也有一定的寿命。不同油脂的储存寿命需要咨询油脂生产厂家或查阅相关资料。

当油脂在轴承内运行时会承受负荷。增稠剂（皂基）的纤维会在负荷下不停地被剪切。当纤维长度被剪切到一定程度时，基础油在增稠剂里的析出和回析就会出现问题。宏观表现就是油脂的黏度降低。此时，油脂的润滑性能就不能满足工况需求。在润滑领域通常通过油脂剪切实验来测量油脂的稳定性。

由上面描述可知，油脂在运行一段时间之后其物理和化学性能都可能发生改变，而无法满足润滑要求，此时油脂就达到了它的寿命。

对于电机而言，维护保养人员会在油脂达到寿命之前进行再润滑。所以，我们会选择油脂的再润滑时间间隔。而油脂的再润滑时间间隔是L₀₁寿命，也就是可靠性为99%油脂寿命。可靠性99%的意思是，在这个时间内至多允许1%的失效。而轴承疲劳寿命通常为L₁₀寿命，也就是可靠性为90%的轴承疲劳寿命。两者之间是2.7倍的关系。显然，再润滑时间间隔从寿命角度留下了十分大的可靠性空间。这也是每次再润滑不需要将老油脂全部更换的原因（油脂替换情况除外）。

（二）补充润滑时间间隔的计算

润滑脂的预计寿命是受多种因素影响的。例如润滑脂的种类、轴承的转速和温度、工作环境中粉尘和腐蚀性气体的多少、密封装置的设计和实际作用发挥的情况等。

对于密封式或较小的轴承，轴承本身和其中的润滑脂两者之一都决定了一套轴承的寿命。无须也不可能在中途添加或更换润滑脂。

开式轴承再润滑的时间间隔计算有如下两种方法，可参考采用。

1.方法1

根据经验，温度对补充油脂时间间隔的影响是：当温度（在轴承外环测得的温度）达到70℃以上时，每增加15℃，补充油脂时间间隔将缩短一半。

对于开式轴承，补充润滑脂的时间间隔可参考图4-16。

图4-16给出的是以含氧化剂的锂基脂为准，普通工作条件下的固定机械中水平轴的轴承内，润滑脂的补充时间间隔（其中纵坐标轴为补充时间间隔t_f，单位为h；横坐标轴为运行转速n，单位为r/min；d为轴承内径，单位为mm）。其中a坐标为径向轴承；b坐标为圆柱滚子和滚针轴承；c坐标为球面滚子、圆锥滚子和止推滚珠轴承。若为满滚子圆柱滚子轴承，则间隔为b坐标对应值的1/5；若为圆柱滚子止推轴承、滚针止推轴承、球面滚子止推轴承，则间隔为c坐标对应值的1/2。

现举例如下：

某深沟球轴承，其内径d=100mm、运行转速n=1000r/min、工作温度范围为60～70℃。请确定补充润滑脂的时间间隔为多长。

在图4-16的横轴上，在n=1000r/min处做一条平行于纵轴的直线，与内径d=100mm的曲线的交点所对应的纵轴a坐标（适用于径向轴承——深沟球轴承）的数值约为1.2×10⁴。则本例补充润滑脂的时间间隔为12000h。

2.方法2

图4-17是确定轴承运行温度为70℃时补充润滑的时间间隔与轴承转速因数A和轴承系数b_f的乘积的关系图。

图中横坐标是轴承转速因数A（即ndm值）与轴承系数b_f的乘积。b_f的数值与轴承的类型有关，可从表4-11中查取。

查询方法：首先计算A（ndm）值，在表4-9中查到轴承系数b_f，两者相乘找到图4-17中的横坐标点，然后计算轴承的C/P值，在图线参考的3条线之间取出计算的C/P值，然后查纵坐标得到再润滑时间间隔小时数。

（三）再润滑时间间隔计算注意事项

上述再润滑时间间隔计算有一定的限制，在这些限制之内，还要根据实际工况进行调整，方可得到正确的计算结果。

补充润滑时间是一个估算值，上述计算方法是基于优质锂基增稠剂、矿物油的情况进行的。再润滑时间间隔还会随着油脂的不同有所调整。

上述计算方法（见图4-17）是基于70℃下油脂的情况进行估算的。在实际工况中每升高15℃，油脂的再润滑时间间隔减半；实际工况温度每降低15℃，再润滑时间间隔加倍。

再润滑时间间隔是在油脂可工作范围内有效，若超出油脂工作温度范围，不可以用这个方法进行估算。

对于立式电机和在振动较大的工况中使用的电机，用图4-17查询的再润滑时间间隔应该减半。

对于外圈旋转的轴承，用图4-17查询的再润滑时间间隔减半（另一个方法是计算ndm时用轴承外径D代替轴承中径dm）。

对于污染严重的场合，应该根据实际情况缩短再润滑时间间隔。

对于圆柱滚子轴承，图4-17给出的值只适用于滚动体引导的尼龙保持架或者黄铜保持架的产品。对于滚动体引导的钢保持架（后缀为J）以及内圈或者外圈引导的铜保持架圆柱滚子轴承，再润滑时间间隔减半。

上述再润滑时间间隔计算是针对需要进行再润滑的开式轴承而言。对于封闭轴承（带密封盖或者防尘盖的轴承）而言，如果需要了解润滑寿命的话，只需要根据图4-18中的方法查询再润滑时间间隔，乘以2.7即可。这是因为，再润滑时间间隔是L₀₁的寿命，如果折算成和轴承寿命相同的可靠性，就应该转换成L₁₀。这是一个概率换算的过程：L₁₀=2.7L₀₁。

四、再润滑时油脂的添加量以及添加方法

（一）再润滑基本原则

对于再润滑时间间隔超过6个月的轴承，一般建议在维护时依照前面述及的方法进行油脂的全部更换。

对于再润滑时间间隔不足6个月的轴承，一般建议根据再润滑时间间隔定期对轴承进行补充润滑。

有些系统中（诸如高污染等需要频繁补充润滑的场合），一般会设计自动注脂器，这样就由自动注脂器进行连续补充润滑。

（二）再润滑油脂添加量

进行再润滑时需要控制油脂的添加量。油脂添加过少，无法起到补充润滑的作用；油脂补充过多，会导致轴承室内油脂过量从而带来轴承发热等问题。对于普通不具有注油孔的轴承，正确的润滑量可以由下式计算：

式中 G_p——再润滑填脂量（g）；

D——轴承外径（mm）；

B——轴承厚度（mm）。

有些调心滚子轴承在两列滚子之间有补充润滑孔的设计，这一类轴承的再润滑填脂量为

（三）再润滑注脂的基本方法

进行润滑油路设计时，对于使用开式轴承的电机（特别是功率较大的电机），电机设计人员都会设计注油孔和注油装置（俗称注油嘴）。因此在做再润滑时，通常使用注油枪等工具通过注油装置进行补充油脂。

平时应尽量保持注油嘴清洁。在进行再注油之前，需要对注油嘴进行清洁。

在补充润滑时，要打开排油孔。观察排油情况，待排油停止，关闭排油孔。排油孔在不用时也要注意保持清洁。

（四）再润滑填脂注意事项

1.使新添加油脂和旧油脂温度接近

通常情况下，进行补充润滑的设备都是处于运行状态，电机处于工作温度。而再润滑时，新的油脂处于非工作状态，也就是冷态温度。此时，虽然新旧油脂牌号相同，但由于温度不同，油脂黏度和基础油黏度都是不同的。这样的新脂注入，会对轴承润滑不利。在我国南方地区，这种情况还不突出；在北方地区，如果在冬天进行再润滑工作，从仓库里提出的油脂温度很低，这时将其加入到热态的旧油脂中，两者黏度相差很大，如果冷态油脂在变热之前搅入滚动接触面，将对轴承不利。其解决方法就是，在补充润滑之前，新脂温度尽量接近运行中的旧脂温度。

2.注意填脂时机

如果可以的话，最好的补充润滑时机是在设备低速运行时进行。在这种状态下，新填入的油脂和旧脂一起，相对而言，会经历一个很好的匀脂过程，对轴承润滑是最有利的时机。

还有一种状态就是停机维护，此时电机停转，加入适量油脂，待加脂完毕，设备维护完成电机起动时，多余油脂会从排油孔排出。这种时机虽然不如低速运行好，但是比常速运行填脂的情况要理想很多。

五、用经验曲线获得更换油脂的时间间隔

对没有轴承注油装置的电机，应视其运行状态、使用环境条件等因素，决定是否全部更换轴承中原有的润滑脂。

图4-18为电机轴承更换油脂周期的经验曲线，可供使用时参考。图4-18中的K_f为轴承结构类型系数，见表4-12；n为轴承转速，单位为r/s；D_m为轴承平均直径，单位为mm；t_f为补充润滑脂时间间隔，单位为h。