电机轴承能够运行的温度是一个很宽泛的概念。常用轴承通常由轴承内圈和外圈、滚动体、保持架、润滑、密封等元件构成。如果电机轴承在某个温度下稳定运行,这些元件不仅需要能够承受住这个温度,而且还要在这个温度下承载、运转。通常选择轴承时,就已经选定了轴承的这些元件,因此某个轴承能稳定运行的最高温度就已经被确定了。
这里讨论的轴承温度指的是轴承外圈温度,实际工况中应该采取轴承外圈温度测量值作为轴承温度值,如果无法测量轴承外圈温度,应该尽量贴近轴承外圈来测量轴承温度值。
电机设计人员在测量轴承温度之前需要明确一点——电机轴承的允许运行温度应该是多少。
首先,电机轴承的发热不应该是电机主动热源的主要部分。轴承在电机中的作用主要是支撑,并且减少轴的旋转摩擦。虽然轴承旋转时也会发热,轴承的发热不应该给电机带来过多的额外热量。而轴承本身的温度也应该主要是由电机机座和轴传导而来的热量导致的。
电机在进行设计时要考虑所用绕组绝缘材料的耐热等级温度值,这个温度值是保证电机内部绝缘部件在电机工作温度下依然能够起到有效绝缘作用的限度。但是,电机内部绝缘耐热等级的温度要经过传导才能到达轴承部分,所以轴承部分的温度不可能等于绝缘温度等级。在现实中,经常有电机设计人员用电机内部绝缘等级的温度当作对轴承温度的要求,这是不正确的。
根据很多国家标准,一般中小型电机滚动轴承的工作温度不得高于95℃。一般的,在外界环境温度正常时,中小型电机轴承部分的温度也不会到达这样的限值。在实际工况中,电机轴承温度在60~70℃时比较常见。一旦电机轴承温度达到90℃,就要引起电机设计人员的重视。
本章所说的电机轴承的温度,通常是指电机工况温度范围。例如,电机长期在低温下工作(北方冬季),电机工况温度很高(钢厂等特殊环境)等的情况。外界温度对电机轴承运转提出了要求,因此需要考量轴承每一个部件允许的工作温度范围。
轴承是由轴承钢加工而成,轴承钢经过一定的热处理后可以保持一定的尺寸稳定性。轴承钢的热尺寸稳定性是指轴承钢在受到热作用下外形尺寸不发生永久变化的性能。当然,在受热时,钢材质内部金属组织结构和成分也会发生变化,而对于外观,最重要的变化就是尺寸和硬度。
对于普通轴承钢都有一个热处理稳定温度,在这个温度以下轴承保持尺寸稳定,同时轴承钢材质的硬度等也满足使用要求。一般轴承的热处理稳定温度为150℃。在轴承上通常用SN标记,或者省略标记。除此之外,根据DIN 623[DIN 62为德国标准《滚动轴承代号》的编号,DIN为德国标准化学会(Deutsches Institut für Normung e. V.)的缩写],轴承的热处理稳定温度及其相应后缀为S1、S2、S3和S4,所对应的热处理稳定温度见表2-1。
表2-1 轴承热处理稳定温度
相应地,各个轴承生产厂家对不同类型轴承的热处理稳定温度有不同的要求,因此具体默认的热处理稳定温度需要咨询相应厂家。例如:
FAG轴承:外径<240mm的轴承为150℃;外径≥240mm的轴承为200℃;其他轴承用后缀标出。
SKF轴承:深沟球轴承为120℃;圆柱滚子轴承为150℃;球面滚子轴承为200℃;NTN轴承为120℃;其他轴承用后缀标出。
轴承不同材质的保持架能够承受的温度范围不同。通常钢或者黄铜保持架能够承受的温度范围比较大,和轴承钢相近。但对于尼龙保持架则不同,通常普通尼龙保持架能够承受的温度范围是-40~120℃。
一般不建议使用者超出这个温度范围使用。但对于某些短时超出此温度范围(尤其是高温)的,依然有可能使用。因为尼龙保持架随温度上升,其硬度变软是一个连续过程,即不是突然到120℃马上就崩溃,因此在略微超过120℃时依然有使用的可能性,具体适用性需要请轴承专业技术人员给出建议。有些品牌的轴承会给出查询表格,比如斯凯孚的建议图表如图2-1所示。
图2-1 斯凯孚轴承尼龙保持架温度-老化时间关系曲线
对于封闭轴承,在某工作温度下选择合适的轴承就需要考虑密封件可以承受的温度范围。常用封闭轴承的防护方式多为金属材料防尘盖或橡胶材料密封件。
对于金属材料防尘盖,温度范围不需要特殊考虑。
对于橡胶材料密封件,需要根据密封件所采用橡胶材料的不同,来获知密封件能承受的最高温度。常用的密封轴承密封件材料是丁腈橡胶(NBR)和氟橡胶(FKM)。对于丁腈橡胶,工作温度范围是-40~100℃,可稳定地工作于100℃以内,可短时工作于120℃;对于氟橡胶,其工作温度范围是-30~200℃,可稳定地工作于200℃以内,可短时工作于230℃。
其他密封轴承密封件的允许工作温度,需向轴承生产厂家咨询。
温度是影响润滑的一个最重要的关键因素。随着温度的升高,润滑脂基础油黏度降低。在高温或者低温下运行,就需要具有特殊性能的润滑脂。并且,基于70℃计算的润滑脂寿命,其运行温度每升高15℃,寿命将降低一半。因此,轴承能否运行于高温环境,轴承本身的材质并不是最大的障碍,而润滑脂的选择成为了瓶颈。
关于温度和轴承润滑之间的关系,具体内容请参考润滑部分的内容。
电机用滚动轴承允许的工作温度应该是轴承各个零部件能够允许的工作温度的最窄范围(下限中的最高值以及上限中的最低值)。只有在这个温度范围内才能保证所用轴承每一个零部件的安全。作为一个多零部件组合的主体,任何一个组成零部件,如果因超出工作温度范围而引起失效,最终都会以轴承整体失效的形式表现出来。
在根据工作温度选择电机轴承时,还应注意的是,通常是根据电机额定工作温度(或者假定额定工作温度)进行的选择。电机在实际工作中要经历停机冷态、稳定热态和短暂过载的情况,这些情况都会带来温度的波动,从而影响所选轴承的运行表现。
作者曾遇到的两个具体案例。
案例一:我国北方某电机厂,每到冬季就会出现电机噪声不达标比例较大的问题。起初,电机厂认为是轴承质量问题。后来经过检查发现,在冬季,该电机厂原材料仓库内实际温度接近0℃,而试验场地的温度也只有10℃左右。电机在这个环境温度情况下,通常起动初期噪声较大,待运行到稳定时噪声明显减小。其实这是一个典型的实际工作温度和额定工作温度不同带来的问题。电机设计人员根据稳定工况,按照70℃的情况选择的轴承和润滑,在接近0℃起动时,油脂稠度过高,带来噪声。当电机进入运行状态时,电机温升趋于稳定,即接近额定温度,电机轴承噪声自然会降低。因此这种情况不是轴承质量问题,也不是工程技术人员设计问题(当然,工程技术人员可以设计0℃工作的轴承,可是这种工况既不是额定工况,也不是常见工况,如果兼顾70℃工况,又兼顾0℃工况,这样将付出很多不必要的成本)。
案例二:作者在国内见到的绝大多数客户选择的油脂都是普通中温油脂,而在印度,据说电机生产厂选择的普通轴承油脂都是我国所说的高温油脂。最初觉得他们是选型不当。后来亲赴印度,才体会到那里平时的环境温度就在30~40℃,电机一旦满载稳定运行,很多电机内部温度将达到90℃以上。因此普通电机选择高温油脂是恰当的。但作者建议印度电机生产厂家,在做出口电机时,若出口到北方,需要对润滑脂进行调整。相应地,作者想到国内的电机生产厂,也需要根据自己电机出口地点,考虑电机实际工作温度的不同,从而进行正确的轴承用润滑脂温度范围选择。