第7章 滚动轴承的选择与应用
7-3 滚动轴承的润滑与密封
一 滚动轴承的润滑
润滑的目的是隔离两个相对运动的接触表面，减少摩擦和磨损。润滑在滚动轴承使用中的重要作用和地位，已被业内专业人士誉为滚动轴承除内、外圈、滚动体、保持架以外的第五个“零件”。
凡是能够减少摩擦阻力的介质都可以作为润滑材料，这些润滑材料被称为润滑剂。滚动轴承的润滑剂有液体润滑剂、半固体润滑剂和固体润滑剂三种基本类型。液体润滑剂中使用最广泛的是润滑油，包括矿物油、动植物油、合成油等。半固体润滑剂主要是指各种润滑脂，它是润滑油和稠化剂的稳定混合物。在特殊情况下也采用固体润滑剂。
滚动轴承润滑包括润滑方法的选择、润滑剂的选择、润滑剂的用量及更换周期等内容。
1 轴承润滑剂的作用和性能
1)轴承润滑剂的主要作用
(1)减少相对运动金属表面之间的摩擦和磨损，在摩擦表面形成油膜，增大零件接触承载面积，减小接触应力，延长轴承的接触疲劳寿命；
(2)润滑剂具有防锈、防腐蚀、防尘和密封性能；
(3)油润滑具有散热作用，可带走轴承运转中产生的磨损颗粒或侵入的污染物；
(4)具有一定的减振作用。
2)润滑油的性能质量指标
(1)黏度
润滑油的黏度可以定性的定义为其内部层与层之间相互移动或流动的阻力，它是润滑油最重要的一项性能指标，决定着轴承润滑油膜的承载能力。润滑油的牌号一般就是按黏度来划分，牌号是某个润滑油在标准温度下的平均运动黏度，现行标准温度为40℃(原标准为50℃或100℃)。在新旧标准过渡期间，润滑油牌号前加N表示新代号，如原20号普通液压油新代号为N32普通液压油。
黏度又分为动力黏度、运动黏度和条件黏度等，在轴承润滑中常用的是运动黏度。运动黏度是动力黏度与流体密度之比，常用的单位是厘斯，1cst=1mm2/s。
(2)黏度指数
黏度指数表示温度改变对润滑油黏度的影响程度。油品的黏度指数越大，粘温特性越好，黏温特性是指黏度随温度变化的性能，其值越大说明黏度受温度变化的影响越小。
(3)闪点与燃点
在一定条件下将油品加热，当油蒸气与空气混合后的气体同火焰接触时，发生闪火现象的最低温度称为闪点。闪火后持续燃烧5秒以上的最低温度称为燃点。闪点是润滑油一项安全性能指标，润滑油的工作温度必须低于闪点20℃~30℃才能安全工作。闪点高低反映油品蒸发量的大小。
(4)酸值
中和1克油中的酸所需要的氢氧化钾的毫克数称为酸值。润滑油在使用过程中会逐渐氧化，酸值就会逐渐增加。酸值增加是润滑油性能老化的标志。
(5)水分
水分是润滑油中水分的比例。水分过多会使润滑油乳化变质，丧失润滑性能。一般润滑油中水分应控制在3%以下。
(6)凝点
油品在一定条件下冷却到失去流动性的最高温度称为凝点。轴承在严寒低温条件下工作时应考虑该项性能指标。
(7)炭分
在规定条件下将试验样本油燃烧到无炭时所留下的物质与试验油样本重量的百分比称为炭分。炭分过多将会造成摩擦表面油膜不均匀，从而降低润滑性能。
3)润滑脂的性能质量指标
(1)针入度
润滑脂在外力作用下抵抗变形的能力称为稠度。稠度采用针入度或锥入度来度量。针入度越小说明润滑脂的稠度越大、脂的硬度越高、流动性越差。润滑脂的牌号就是采用针入度的等级来表示。润滑脂工作针入度(或牌号)分为九级。见表7-13。
(2)滴点
润滑脂按规定的加热条件加热，其在滴点计的脂杯中滴落下第一滴油时的温度。润滑脂的滴点确定了脂的工作温度(或耐热性)，一般润滑脂的工作温度应低于滴点20℃以上。
(3)极压性能
极压性能是润滑脂承受重载荷作用时在金属表面上维持完整油膜的能力。
(4)机械稳定性
润滑脂在承受机械作用时抵抗稠度改变的能力称为机械稳定性。润滑脂在机械力长期作用下，稠度将会下降，严重时会变成液体而丧失润滑脂特有的性能。
(5)氧化安定性
润滑脂在贮存和使用过程中抵抗氧化的能力称为氧化安定性。润滑脂氧化后将使基础油的黏度变大、稠度变小、滴点下降,而丧失润滑作用。轴承工作温度升高会加快润滑脂的氧化。
(6)胶体安定性
胶体安定性是润滑脂在贮存和使用过程中抵抗分油的能力。润滑脂在长期贮存时，表面会有少量的油析出(即分油)。贮存中的分油会影响润滑脂的润滑性能，而使用中的适量分油则对润滑有利，但大量分油会造成油的流失，从而又影响润滑脂的性能。
(7)抗水性
润滑脂遇水后容易乳化变质,失去润滑性能。润滑脂的抗水性能取决于稠化剂和基础油的种类。钙基、钡基和铝基润滑脂有较好的抗水性，而钠基润滑脂抗水性较差。
4)添加剂
一般基础油很难满足摩擦副润滑的综合性能要求，因此，为了提高油品的使用性能，必须在基础油中加入一定量对润滑剂性能改善起重要作用的物质即添加剂，以适应各种特殊工作条件的需要。添加剂的作用主要有：
(1)提高基础油的油性和极压性，增加润滑油或脂的工作能力；
(2)延缓润滑油或脂受环境影响老化变质，提高使用寿命；
(3)改善润滑油或脂的物理性能，如降低凝点、消除泡沫、提高黏度等；
(4)保护零件表面不受燃油腐蚀或其燃烧产物的污染。
添加剂按其功能可分为三类，即保护金属表面的添加剂、改善性能的添加剂和保护润滑油或脂自身的添加剂。
保护金属表面的添加剂主要有：油性剂、极压添加剂、防锈剂、防腐剂等。
改善润滑油性能的添加剂有破乳剂、降凝剂、黏附剂、黏度指数改进剂等。
保护润滑油自身的添加剂主要有抗氧剂、抗泡剂等。
5)稠化剂
稠化剂的作用主要是为了保持润滑脂呈半固体状态，而润滑脂的一些性能也是由稠化剂来决定，如润滑脂的使用温度、机械稳定性、耐热性、耐水性等性能主要取决于稠化剂的性能。
使用不同的稠化剂，润滑脂的性能也不同。稠化剂有金属皂基和非皂基之分，金属皂基如锂、钠、钙、钡、铝等，非皂基如硅胶、膨胀润土、尿素等。
6)润滑剂性能比较
用于轴承的润滑剂有许多种，但性能各异，使用的工作条件也不同。因此，在选择润滑剂时，应了解润滑剂的主要性能指标及它们在性能上的差异，从中选出符合使用要求的润滑剂。润滑剂的主要性能比较见表7-14。
2 润滑方式的选择
润滑方式是根据轴承的工作条件来确定的。不同种类的润滑剂其润滑方式也不同。常用的润滑方式包括：
1)油润滑
(1)油杯滴油润滑
通过油杯中的节油口向轴承滴油进行润滑的一种润滑方式。优点是结构简单，使用方便，省油，而且供油量可以由节油口进行调节。缺点是对润滑油的黏度有一定要求，不能使用黏度大的润滑油。适用于低速轻载且工作温度较低的场合。
(2)油浴(浸油)润滑
把轴承部分浸入润滑油中，通过轴承运转后将油带入其他部分的一种润滑方式，见图7-14。考虑到油浴(浸油)时的搅拌损耗及温升，对于水平轴，轴承部分侵入润滑油中的高度应有一定限制，一般将油面控制在轴承最下面滚动体的中心附近。油浴(浸油)润滑,润滑充分，但供油量不易控制，若油箱中没有过滤装置容易把杂质带入轴承内部而损伤轴承，油浴(浸油)一般适用于低速或中速场合。
(3)飞溅润滑
通过其他运转零件将油飞溅后带入轴承的一种润滑方式，见图7-15。飞溅润滑供油量不易控制，润滑油面也不能太高，否则容易产生搅拌损耗及温升，还容易将油箱中的杂质带入轴承内部损伤轴承。
(4)循环油润滑
润滑油通过油泵从油箱吸油后输送到轴承部位，然后从回油口返回油箱，经过滤后重新使用的一种润滑方式，见图7-16。循环油润滑润滑充分、供油量容易控制、散热和除杂质能力强。其中的压力喷油润滑方式润滑效果更佳。循环油润滑适用于以散热或除杂质为目的的场合，以及高温高速、重载的场合，使用可靠性高。循环油润滑是一种比较理想的润滑方式。但需要独立的供油系统，制造成本相对较高。
(5)油雾润滑
将润滑油在油雾发生器中变成油雾，然后输送到轴承部位的一种润滑方式，见图7-17。
油雾润滑搅拌损耗及温升小，省油，油中的杂质少，而且油雾喷射时产生的气流具有一定的降温效果。但润滑装置成本较高，对油的黏度有一定要求，一般不应高于/s，否则将达不到雾化效果。另外，工作过程中部分油雾可能会散逸到空气中污染环境，必要时应使用油气分离器来收集油雾。油雾润滑适用于高速场合。
2)脂润滑
(1)填脂法
直接向轴承工作表面填入适量润滑脂的方法称为填脂法。填脂工具一般采用油脂枪。填脂法是实际工作中最常用的脂润滑方式。
(2)油杯法
油杯法是在外壳上设置旋盖式油杯或压油油杯，定期旋转旋盖向下压油或用油枪将脂注入。油杯法润滑也是一种常用的脂润滑方式。
(3)集中压力供脂法
集中压力供脂法是采用润滑脂泵同时向多个润滑部位供油的一种润滑方式。但对润滑脂的稠度有一定要求。
3 润滑剂的选择
滚动轴承失效中有很大一部分是由于润滑不当造成的，与润滑剂的选择有很大关系。滚动轴承是标准化的通用零件，应用十分广泛，使用条件差别也很大，所以，润滑剂选择的模式也不可能只有一个。从理论上讲，选择润滑油或润滑脂作为滚动轴承的润滑剂都可以满足轴承的润滑需要。滚动轴承在运转中实际需要的润滑剂量很少，只要保证在运动接触表面上有足以形成油膜的润滑剂就可以了。在实际选用润滑剂时，可以根据机械的结构、轴承的使用条件、与轴承相邻部件的结构、润滑方式、维护保养等因素来综合考虑。选择油润滑或脂润滑应考虑的因素可参见表7-14。
就运转条件而言，转速和载荷是选择润滑剂的两个主要参数。转速越高需要选择的润滑剂的黏(稠)度越低，载荷越大需要选择的润滑剂的黏(稠)度越高，选择润滑剂的类型随转速由高到低依次为润滑油、润滑脂、固体润滑，而从载荷增加的角度考虑则反之。
1)润滑油的选择
选择轴承使用的润滑油首先要考虑黏度，合适的黏度应根据轴承的运转温度和在零件接触表面容易形成油膜的程度而定。黏度过低，接触表面不容易形成油膜，而黏度过大，由于黏性阻力引起的摩擦发热大，造成轴承温度升高。轴承运转中润滑油的最低黏度推荐值见表7-15。在实际工作中可根据需要选取高于表中数值。对于润滑油其他性能的选择也应根据轴承的工作条件合理选择。
润滑油选择时应考虑的因素包括：
(1)工作温度
工作温度影响着润滑油的黏度变化和润滑效果。黏度随工作温度的上升而下降。在选用润滑油时，当工作温度较低可选用黏度较低的润滑油，以减少摩擦阻力和温升。当工作温度较高则应选用高黏度润滑油或含有添加剂的润滑油。对于工作温度变化较大或频繁变化的场合，应选用黏温特性好的润滑油。
(2)转速
轴承转速较高时油膜容易形成，因此，可以选择黏度低的润滑油，以减小运动阻力降低热量。反之，轴承运转速度较低时油膜不易形成，应选择黏度高的润滑油，这有利于承受载荷。
(3)运动性质
当轴承所支承的零件中具有冲击、振动,经常处于变速、变载,频繁启动、停车、转向，以及往复或间歇运动等工作状况时，应选择黏度较高的润滑油，因为这些工作状况对油膜的形成极为不利。如果此时使用润滑油达不到要求，可考虑采用脂润滑或固体润滑。
(4)工作载荷
轴承承受的载荷越大，越容易将润滑油从零件接触部位挤出，因此需要选用具有油性较好、耐压性能高和黏度相对比较高的润滑油。
(5)轴承结构及精度
轴承内部有效空间或游隙越小，选用的润滑油黏度应越低，这样可以减少不必要的能量损耗提高油的流动性。工作表面粗糙时应提高润滑油的黏度值，此时由于接触表面是局部接触，接触部位的压力较大，不易形成油膜。
(6)环境条件
当轴承在潮湿、有腐蚀性气体、低温、尘埃、强辐射条件下工作时，润滑油容易被污染变质，此时,应选用抗水、抗磨、抗蚀、耐低温、抗辐射性较强的润滑油。在水分和灰尘较多的场合，不易采用润滑油，而应选用润滑脂。
滚动轴承常用的润滑油见表7-16。
2)润滑脂的选择
从整个润滑系统来考虑，由于脂润滑不需要特殊的装置，密封也相对简单，使用方便，所以在很多场合都采用脂润滑。有资料表明，在润滑中有80%左右的滚动轴承选用了润滑脂润滑。润滑脂是由基础油、稠化剂、添加剂组成的半固体状润滑剂。润滑脂的选择要求与润滑油基本相同，主要考虑速度、载荷、温度、环境和润滑方式等因素。但选择润滑脂时还应注意以下几点：
(1)所选用润滑脂的滴点必须高于工作温度20℃~30℃，以保证润滑效果。
(2)由于润滑脂的流动性较差，摩擦阻力大，导热系数也较低，因此，不宜作循环润滑剂。
如果用于集中供脂的场合，应选用针入度较大的润滑脂。
(3)润滑脂对温度的影响不十分敏感，对载荷性质、运动速度的变化等有较大的适应性。
所以，适用于温度、转速变化较大或反转、间歇运动的机械。
(4)由于润滑脂不易流失，又不需要经常更换，需要的密封装置相对简单，加之润滑脂自身也具有一定的密封作用，因此，特别适用于不易加油、不许润滑剂污染，以及灰尘较多的场合。
(5)不同牌号的润滑脂不能混合使用，即使同类(基础油和稠化剂相同)润滑剂采用不同的添加剂也不能混合使用，否则容易引起润滑脂性能的变化，如稠度下降、使用温度降低等。
(6)在高温部位润滑时，要考虑选用抗氧化性好、热蒸发损失小、滴点高的润滑脂。
(7)对于一次性润滑的密封轴承，润滑脂的寿命应大于轴承的疲劳寿命。如果小于轴承的疲劳寿命，那么，润滑脂的寿命就决定了轴承的实际使用寿命。在一般应用时，润滑脂的寿命应与机械设备的中修或大修期相当。
滚动轴承常用的润滑脂见表7-17，常用润滑脂的性能对比见表7-18，部分机器设备推荐选用的滚动轴承润滑剂见表7-19。
4 润滑剂的用量及更换周期
润滑剂的用量应选择合适，如果用量过多，将会产生大量的搅拌热，导致轴承的温升、润滑剂的劣化和系统的能量消耗。润滑油会将油箱中的沉淀物带入轴承内部影响轴承的正常运转。润滑脂会造成泄露污染相邻的零件。
当润滑剂使用一定时间后，由于各种因素的影响致使润滑剂老化变质，失去了润滑作用，需要及时进行更换，以免影响轴承使用性能。
1)润滑油的用量和更换周期
润滑油的用量可以根据润滑方式来确定。
(1)油浴润滑
油浴润滑的油位高度一般为轴承最下部滚动体的中心附近，轴承转速较高(0.4倍的极限转速以上)时可在滚动体中心以下，转速较低(0.4倍的极限转速以下)时可在滚动体中心以上。
(2)飞溅润滑
飞溅润滑是利用旋转零件(如齿轮)将润滑油溅起后进行润滑。不论采用何种旋转零件或甩油装置，飞溅润滑时的油位高度均以齿轮浸入油的深度为参考，对于直(斜)齿一般取0.5~3倍的齿高，锥齿轮浸油深度在全齿宽，蜗轮蜗杆的浸油深度，如果蜗杆在下最高取到蜗杆的中心，最低取到蜗杆的齿高，如果蜗杆在上最高取到蜗轮直径的1/6，最低取到蜗轮的齿高。
(3)循环油润滑
由于轴承工作条件的多样化，除了润滑方式，还应当考虑其他因素。因此，可以将上述提供的润滑油用量作为一个基础值，在实际润滑油油量选用时作为参考进行调整，以达到轴承运转温度最低、稳定的时间最长为目标。
润滑油的更换周期是根据轴承的工作条件、环境条件、油量及润滑油的种类等决定的。但适时更换润滑油的时间并不容易掌握，换油过早、太过频繁会造成浪费。当采用循环润滑、油浴润滑或飞溅润滑时，油箱的储油在250L以下的小型润滑系统，润滑油的更换周期可参考表7-20进行。对大于250L以上的润滑系统可定时检测润滑油的理化性能或机械杂质含量变化来确定更换周期，润滑油的理化性能或机械杂质含量的允许范围见表7-21。
2)润滑脂的用量和更换周期
润滑脂在轴承中的运动状况大致可分为跑合期和平衡期两个阶段。
在轴承跑合期，多余的润滑脂聚集在保持架或轴承的空腔内，并在滚动体的外围形成堆积，如果润滑脂过量，将造成轴承的温度升高，甚至烧伤(毁)轴承。由于轴承的结构、润滑脂的质量和填脂量等因素跑合期可能持续几十分钟或几个小时。
当轴承中多余的润滑脂被挤出后，在滚动体、滚道和保持架上余留下来的少量润滑脂将形成油膜，进入正常运转，此时如果填脂量合适，轴承的温度将逐步下降，并达到基本稳定，此时进入平衡期。
因此，在选择润滑脂的用量时应考虑上述因素，并不是脂越多，润滑性能越有保证。过量填充润滑脂会造成摩擦阻力增大、温度上升并导致润滑脂泄漏、变质、性能丧失或失效。还容易污染周围环境，尤其对造纸机械、食品机械等应用场合是绝对不允许的。
(1)润滑脂的用量
润滑脂的填充量由两部分组成，一部分填充到轴承内部，另一部分则需要填充到外壳内。
一般用途时，轴承内部的填充量为其空间的30%~40%，外壳为其空间30%~60%(密封轴承除外)，重载和高温时应取小值。
一般润滑脂的填充量可以根据轴承采用脂润滑时所允许的极限转速与轴承实际工作转速的比值(转速比)来确定。其值见表7-22。
(2)润滑脂的更换周期
润滑脂的更换周期不仅取决于润滑脂本身的性能和品质，还与润滑脂使用的工作环境条件、温度、运转速度和承受的载荷有关。当温度升高，润滑脂的基础油会产生蒸发、氧化变质，脂的网状结构被破坏和硬化，其润滑性能降低，当基础油损失到50%~60%时，润滑脂将丧失润滑能力。特别是高温条件下，润滑脂的润滑性能下降得更快，温度越高润滑脂的使用寿命越短。大部分润滑脂的使用寿命与温度的关系是轴承使用温度每升高10℃~15℃，润滑脂的寿命就下降1/2。因此，需要在润滑脂丧失润滑性能之前更换新的润滑脂。润滑脂失效的判定指标见表7-23。
(3)再润滑量
当润滑脂的更换周期与机械的检修期一致时，可将轴承取出清洗后重新填入与新轴承等量的润滑脂。
当机械未达到检修期，而润滑脂达到了更换周期，并且在机械中的轴承又不便拆卸，此时应考虑采取定期向轴承内补充润滑脂的方法进行再润滑，待达到机械的检修期后再将轴承取出清洗后重新润滑。再润滑时，新填入脂的量应进行限制，一般再润滑周期越短，每次新补充的量越少，再润滑量可由经验公式进行估算：
当外壳的自由空间大、轴承的转速低或在不良的环境条件下，需要利用润滑脂防止灰尘、水分等侵入时，可适当加大再润滑量。
5 固体润滑
当使用油润滑和脂润滑达不到或无法满足某些特定工作条件时，如工作温度超过270℃的陶瓷焙烧炉轴承、真空度要求较高的卫星装置(防蒸发和污染环境)、核辐射中的装置(润滑油等容易变质)以及不允许污染的食品、纺织、医疗等机械，可以采用固体润滑剂。使用固体润滑剂可以避免油或脂润滑时产生的污染和泄漏现象，固体润滑剂不需要供油设施，制造成本和维修费用较低。但是，固体润滑剂的缺点是摩擦系数较高、无冷却作用且使用寿命短。
固体润滑剂是利用固体润滑剂粉末、涂层或用低摩擦系数的抗磨材料来替代润滑油和润滑脂，隔离相互接触的零件表面达到减磨的目的。滚动轴承采用的固体润滑剂有铅、银、石墨、二硫化钼、氧化铅、聚四氟乙烯、尼龙等。
固体润滑剂的使用有三种方法：
(1)将固体润滑剂粉末加入到润滑脂中，如二硫化钼润滑脂。或者将固体润滑剂粉末与挥发性溶剂混合后涂抹于轴承中，形成一层光滑的薄膜。
(2)用电镀或离子喷涂等方法将铅、银等软金属吸附在摩擦表面形成固体润滑膜涂层。
或者用树脂等黏结剂把固体润滑剂粉末黏结在轴承中的某个零件的摩擦表面上，形成固体润滑膜层。
另外，可以使用自润滑复合材料涂层。自润滑复合材料涂层润滑是根据固体润滑剂的物理和化学吸附特性，在轴承工作表面上涂上一层固体润滑剂。最普遍使用的是以聚四氟乙烯为基体的塑性自润滑复合材料涂层。
(3)将固体润滑剂粉末与工程塑料混合,制成自润滑性能良好的复合材料,用于制造保持架。也可以将固体润滑剂粉末加入粉末冶金中制造保持架。
二 轴承密封
滚动轴承密封的作用是防止润滑剂泄漏或外部杂质、水分等有害物质侵入，润滑剂泄漏会导致润滑不良、摩擦磨损加剧、发热、污染周围环境等。外部杂质侵入会引起轴承工作表面的磨粒磨损、压痕等损伤，从而影响轴承的运转精度，杂质中的硬质颗粒物还是影响轴承疲劳寿命的重要因素之一。水分和有害物质侵入则是造成轴承零件腐蚀(锈蚀)、润滑剂变质的主要因素。
滚动轴承的密封装置可以设置在轴承上也可以设置在外壳上；密封的方法和结构也很多，但按密封方式可以分为接触式和非接触式两类。采用密封轴承可以简化机械上的密封装置，具有降低机械密封装置的制造成本、润滑量容易控制、方便检修等优点。
1 接触式密封
接触式密封是密封装置与所需密封之间存在着一定贴合压力的直接接触。接触式密封工作时，密封接触部位存在摩擦发热，所以，接触式密封主要适用于中等速度以下的场合以及油润滑状态。接触式密封的接触方式有径向接触、轴向接触和径向轴向同时接触等。
滚动轴承接触式密封形式有油封密封、填料密封等，见图7-18。
2 非接触式密封
非接触式密封是密封装置与所需密封之间有一定间隙。但采用非接触式密封时，如果密封处间隙选取不当，容易受到外部污染物或水分的侵扰，内部的润滑剂也容易产生泄漏。非接触式密封适用于速度较高和对温度有要求的场合。
滚动轴承非接触式密封形式有迷宫式密封、曲路密封、垫密封、间隙密封等。见图7-19。
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