电主轴轴承温度分析及油气润滑要点

李松联

（北京培峰技术有限责任公司，北京 100098）

0 引言

在加工领域机床高速加工越来越占据重要的位置，当前主要应用于高速雕铣机和高速磨床，电主轴高速可靠运行的润滑方式及产品的选择尤其关键。电主轴实物如图1。

油气润滑的低消耗，低运行成本，高可靠性的特点已成为电主轴设计过程中普遍采用的润滑方式。而电主轴的热态特性成为影响轴承稳定运行的重要因素，并会直接影响到电主轴转速的进一步提高。因此，分析电主轴温升状态尤其重要。轴承温度上升和温度的分布情况对轴承的工作游隙、润滑剂的性能等都有直接的影响，最终导致轴承的性能下降。电主轴油气润滑如图2所示。

1 电主轴发热分析

在电主轴中滚动轴承使用较为普遍，具有刚度高、高速性能好、结构紧凑、标准化程度高等优点。电主轴主要采用内置式电机，结构紧凑，所以自然散热效果差，对多数电主轴来说都需要设计通道用于冷却，其发热量的来源主要是2个方面，内置式电机的发热和轴承高速旋转的摩擦发热。

图1 电主轴

图2 电主轴油气润滑示意

2 油气润滑系统参数对轴承温度的影响

（1）润滑油黏度对温度的影响。当在相同转速下润滑油黏度的增大会使轴承的温度上升随之增大。但是不同黏度的润滑油对轴承温升表现出来的温度梯度的变化也不尽相同。低黏度段的温升梯度大于高黏度段，并随着主轴转速的提高，趋势越来越明显。由此得出，随着黏度的不断增加，轴承温度的变化率越来越小。

（2）润滑油量对温度的影响。在全油润滑状态时，大量的润滑油由于油分子在主轴高速运转时内部产生激烈摩擦而发热，就会使油液本身的温度上升，对轴承冷却的效果降低。但在使用油气润滑系统之后，给油量降低至每（3～7）min给油0.04 mL，轴承在转动时所需要的油量其实很少，只需要在轴承滚珠和内外圈之间形成较薄的油膜即可。

（2）压缩空气的压力和流量对温度的影响。当主轴运行时，随着气压的不断增大，温度上升的趋势会逐渐减小，而随着转速的不断提高，压力升高降温的效果会越来越小。而增大流量对继续上升的温度有明显的降温效果。

3 电主轴油气润滑的要求

3.1 油气润滑运行基本要求

（1）润滑油清洁度等级。13/10（ISO 4406—1999清洁度标准）。

（2）空气清洁度。空气过滤精度0.01 μm。

（3）空气干燥度。露点为+2℃。

（4）轴承喷嘴前的入口表压力。（0.2～0.3 ）MPa。

（5）油气输送管。内径（2～2.5）mm，以弯曲半径小而不易折弯的透明管路为宜。

（6）油气管路的长度。长度在（1～4）m最为理想，在距离终端润滑点有螺旋管利于存油，当轴承停机再次运转时有利于油气快速到位，缩短响应时间。

3.2 油气润滑影响主轴轴承温度上升的因素

（1）油气润滑系统工作不正常，不能保证稳定持续供油。

（2）使用油品不对、黏度不对或油料质量低劣。

（3）电主轴供油过多，造成轴承发热。

（4）主轴排气通道不畅。

（5）油气管路出现折弯或油气通道堵塞。

3.3 油气润滑设备性能要求

（1）精确定量给油。可任意调节输送至轴承端每个润滑的油量，范围（5～40）mm3。

（2）数显时间设定。能够实现对给油周期时间的任意设定。

（3）压力检测。能够监控油气输送压力或气源压力，优先监控油气压力。

（4）给油状态检测。由于电主轴给油单位时间内给油量少，给油间隔时间（3～7）min甚至更长，所以各个润滑点每次给油的稳定性检测属于重要指标。

（5）轴承腔压力。即油气压力能够设定并调节。

（6）显示及故障反馈。产品运行状态及出现的故障具备就地显示及远程反馈功能（图3）。

图3 油气润滑设备及功能显示

4 结论

（1）油气润滑系统中，影响轴承温度上升的因素有油品黏度、供油油量、空气压力及流量。

（2）润滑油黏度。轴承滚珠和滚道摩擦发热影响轴承温度上升的，随黏度的增大温度逐渐上升，而且在高速阶段时的上升趋势更显著。

（3）润滑油量。过大的油量会使轴承温度上升，而减小润滑油量就能使轴承温度随之降低。

（4）压缩空气。是通过对流换热而影响轴承温度上升的。因此气压对于轴承温度上升的影响较小，只有在增大流量时，才能使轴承温度上升减慢。轴承速度越高，降温效果越显著。