某高速高载异步减速电机润滑性能分析及试验研究

王宪忠，赵 军，褚维恒

(西安微电机研究所，西安 710077)

0 引 言

近年来，随着电子电力技术和电机技术的飞速发展，高转速越来越被人们重视，对此类产品的需求也越来越大。电机转速的高低与体积和质量密切相关，所以希望提高转速以减小体积重量，增加功率密度，但高转速电机往往会受到发热及冷却等方面的限制。

从电机发热角度看，由于转速很高，通常频率会很高，而电机基本铁耗是由主磁场在铁心内发生变化时所产生的磁滞损耗和涡流损耗[1]，磁滞损耗与频率成正比，涡流损耗与频率的平方成正比，因此铁耗增大会非常突出，发热量大幅增加；从机械发热角度看，高转速下系统转矩越大，电机功率就越高，而功率越高，机械效率一定的情况下，功率损失就越大，发热就越严重；从散热角度看，电机转速越高，体积重量越紧凑，散热条件越差。各方面的因素使温升成为一个非常棘手的问题。

本电机系统(以下简称"电机"，包括电机主体和减速器)由于用户空间结构需求的限制，比起常规电机，电机直径进一步缩小，而直径的平方与长度成反比关系，致使长度大幅增加。这种大长细比高速轴系结构更为紧凑，散热面积更小，散热问题更为突出。电机如图1所示，其中电机主体为三相异步电动机，减速器为三级定轴传动结构。

图1 电机系统

电机输出功率3.5 kW，输出扭矩20 Nm，在空间结构限制下，电机内部减速器高功率密度输出，属于高速高载工况。查阅相关资料，减速器用轴瓦推荐的许用速度为1.5～6.0 m/s，许用压强为0.5～4.0 MPa，许用pv值为3～20 MPa·m/s。本电机内减速器轴系零件的最大线速度6.13 m/s，轴颈最大压强7.16 MPa，最大pv值16.21 MPa·m/s，均高于或接近许用范围上限。

本文将电机通过两组试验，分别从润滑的充分性、润滑循环的流通性对润滑性能进行比较分析。每组试验分别在不同润滑条件下进行作为对比，负载与电机输出端刚性连接。

1 润滑充分性试验

1.1 试验情况

(1)试验A：各齿轮、轴瓦及轴表面滴入少量美孚SHC527润滑油，负载缓慢加载至10 Nm时发生“抱死”现象，电机停止运行，总运行时间不超过20 s。

对电机进行拆解，发现电动机部分完好，减速器高速轴上有从轴瓦剥落的黄色碎屑，并且转矩越高的轴，黄色屑痕越明显，如图2、图3所示。

图2 高速轴(转矩较小)

图3 较高速轴(转矩较大)

(2)试验B：高速轴磨损部位修复后，将润滑油替换为赛博18号润滑脂，各齿轮、轴瓦及轴表面均涂抹适量润滑脂。负载缓慢加载至20 Nm运转正常，电机总运行时间60 s运转正常。

对电机进行拆解，电动机及减速器各零部件均未发现异常。

1.2 试验结果分析

由于试验A加入了少量润滑油，形成的润滑油膜初期可以将摩擦表面隔开，但在齿轮及轴瓦摩擦表面留存时间极短，短时摩擦表面温度就会急剧上升，润滑油粘度下降，油膜厚度变薄，附着力下降，轴瓦部位及齿面上的润滑油很快流失完，且没有新的润滑油作为补充。另一方面，高温导致轴和轴瓦发生热膨胀，轴瓦间隙消失使金属接触，润滑油润滑完全失效，造成"烧死"的现象，轴瓦部位严重磨损。并且轴转矩越高，功率损失就越大，发热量越大，黄色屑痕越明显。而试验B润滑脂具有高于润滑油的吸附力及粘度，比润滑油在齿轮及轴瓦摩擦表面留存时间长，短时可以形成一定的承载油膜，并保持一定厚度，起到一定的润滑作用。

可以看出，润滑对高速高载减速电机的运行起决定性作用。如无润滑或润滑量不足，电机短时都将无法正常运行。

2 润滑循环流通性试验

2.1 试验C情况

试验C：电机浸泡在美孚SHC527润滑油中，负载缓慢加载至20 Nm，持续运行一段时间后，电机发生冒烟现象。

对电机进行拆解，发现电机转子表面及定子内腔局部变黑，如图4所示。减速器高速轴上也有少量黄色屑痕。

图4 定子内腔及转子表面

2.2 试验C结果分析

电机高速高载高温的持续运行，电机铁耗及转子在定子内转动引起的润滑油剪切摩擦损失等，在电机转子表面及定子内腔产生大量的热能，热量不能及时排出，留存于封闭腔体内的润滑油温度过高，远远超出润滑油的闪点，导致润滑油燃烧，将电机转子表面及定子内腔局部熏黑。

减速器高速轴上还有少量黄色屑痕，可以看出轴瓦部位发热还是比较大。滑动轴承发热，主要是轴承的散热速度低于轴承产生热量的速度，打破了轴承的热平衡而使轴承升温[2]，再加上高速高载的持续运行，由齿轮摩擦造成的齿轮啮合损失，高速轴在轴瓦内转动引起的润滑油膜的剪切摩擦损失等，都转换为大量的热能，热量不能及时排出，润滑油很难持续形成理想的承载油膜，导致润滑状态不良。

因此有必要对电机进行优化，增加润滑油循环回路，以带走产生的大量热量，达到冷却的效果。

2.3 电机优化

对电机的优化主要从以下几个方向进行：

(1) 轴瓦孔内加工螺旋油槽，以提高润滑的充分性；轴瓦孔侧加工引油的通油槽和与壳体外部连通的通油孔，以提高润滑油循环流通性，如图5所示。

图5 通油槽及通油孔

(2) 电动机加工与减速器连通的通油孔，促进电动机内润滑油的循环流通性。

(3) 适度放大轴和轴瓦配合间隙。根据轴转速及体积的不同，轴和轴瓦之间的合理配合间隙也不同。转速越大，要求间隙越大，但间隙太大容易引起振动；转速越小，要求间隙也越小，但间隙太小容易造成润滑不良。分析该故障主要是由润滑不良引起的，故对轴与轴瓦间的配合间隙进行了检测并适度放大，以保证轴瓦与轴之间的合理间隙和良好接触。

(4) 在满足润滑油膜的承载力和强度的前提下，选用粘度更低的美孚SHC526润滑油。低粘度润滑油在高速机器设备润滑效果良好。根据油楔形成的理论，高速时主轴与轴瓦之间的润滑处于液体润滑的范围，必须采用低粘度的油以降低内摩擦；低速时处于边界润滑的范围，必须采用高粘度的油[3]。本电机轴系整体转速很高，宜采用低粘度润滑油。低粘度润滑油优点是内摩擦系数小，所以克服摩擦力的能量消耗少，油流动性好，易进入各润滑点的摩擦表面，具有良好的冷却作用，并可将粘附在摩擦表面上的杂质和由于研磨而产生的金属微粒带走[4]。

2.4 试验D情况

试验D：对电机结构进行优化，增加润滑油循环油路，电机浸泡在美孚SHC526润滑油中，负载缓慢加载至20 Nm，电机持续运转两小时正常。此时，电机高速高载运行，由转子、定子、齿轮副、轴系、轴瓦及壳体等组成了一个热平衡系统，形成处于平衡状态的不均匀温度场。

2.5 试验D结果分析

可以看出，改善后的润滑条件可保证充分的润滑点，摩擦副及时得到润滑，同时循环流动的润滑油将摩擦副产生的磨擦热带走，电机及时得到冷却，达到润滑良好、冷却有效、减轻摩擦、降低磨损、减少功率消耗、延长使用寿命的目的。

3 结 语

在不同润滑条件下对高速高载减速电机进行试验，探讨分析了造成的故障及其原因，并通过优化结构改善了润滑条件。结果表明，电机高速高载高温持续运行下，保证稀油润滑的充分性，提高润滑油循环的流通性，可对电机有效润滑和有效冷却，实现电机的稳定运行。对其他减速电机的设计提供了一定的参考价值。