航空滚动轴承脂润滑技术及寿命预测分析

航空滚动轴承脂润滑技术及寿命预测分析

摘要：本文以脂润滑航空滚动轴承为研究对象，系统的分析了滚动轴承润滑脂类型、润滑脂性能、脂润滑供给系统、润滑脂老化过程及寿命预测。基于SKF的轴承寿命经验模式，提出了润滑脂稳态温度对轴承寿命的影响，为不同轴承在不同工况下的润滑脂寿命计算及预测提供了基础。

关键词：航空滚动轴承；润滑脂；轴承寿命

航空滚动轴承在使用中需要加入润滑剂进行润滑。滚动轴承润滑的主要目的是通过在相对运动的表面间产生润滑膜，减少轴承元件在运转时产生的摩擦和磨损，从而延长轴承的使用寿命。航空滚动轴承常用的润滑剂主要为润滑脂和润滑油。当选用润滑脂润滑时，因润滑脂的流动性较差，故其在轴承滚动体-滚道等部位本身就有一定的密封作用，可以防止外部的尘埃或异物侵入轴承内部，进而达到防止轴承磨损，减小振动和噪音效果等。

润滑脂在不同类型的轴承和不同工况条件下使用，其所具有的寿命是不一样的，较为准确的预测润滑脂寿命，合理使用润滑脂，既能保证轴承的良好润滑状况，又能控制成本、节约资源。

1 脂润滑的功能及特点

润滑脂主要有两种成分，即基础油和能通过毛细作用保持油相的稠化剂。当轴承运转零件与脂接触时，一小部分稠化油析出并粘附在轴承工作表面。润滑油不断氧化分解，或因蒸发、离心力等而损失，最终轴承中润滑脂内的润滑油将消耗殆尽。

与其他润滑方式相比，脂润滑有以下优点：

（1）由于不需要维持油面高度，减少了维护，润滑脂无需频繁更换；

（2）轴承座内能保留适量的润滑脂，因此可以简化密封结构的设计；

（3）由于润滑脂流动性差，不易泄露，因此避免了对飞机机构的污染；

（4）轴承的摩擦力矩和发热率一般比较适中。

2 润滑脂的成分分析

2.1 润滑脂的分类

润滑脂稠化剂的成分对润滑脂的性能（如温度特性、抗水性、析油性等）有重要影响，稠化剂分为两大类：皂基类和非皂基类。皂基指脂肪酸与金属化合物。皂基用的普通金属成分包括铝、钡、钙、锂、钠。绝大多数轴承供应商使用的润滑脂都是皂基类的，其中锂基脂使用的最为广泛。

2.2 锂基脂

锂基分为两类，即12-羟基硬脂酸锂和复合锂基脂。复合锂基脂来自有机酸组分，高温性能好。锂基脂的工作温度上限约为110℃，最低极限温度为-30℃，而复合锂基脂的工作温度上限增加到140℃，最低温度极限为-20℃。这两种高质量锂基脂性能良好，已广泛应用于密封的全寿命润滑轴承，除极端温度和载荷的情况外，均可满足使用要求。

2.3 钙基脂

目前钙基稠化剂润滑脂应用最广泛的种类是复合钙基脂，这种脂是在皂基中加入醋酸纤维素得到的。其工作温度上下限分别为130℃和-20℃，有较好的高温性能和极压性能。但钙基脂在滚动轴承中应用时，存在一些稠化过度的问题，最终导致轴承的润滑失效。

2.4 钠基脂

钠基脂是在改善早期钙基脂温度性能的基础上发展起来的，其稠化剂的一个固有问题在于它的耐水性较差，然而加少量水进行乳化后，有助于提高钠基脂的防锈性能。这种脂的工作温度上限为80℃，下限为-30℃。钠基脂中防水性能好的产品通常用于电机和轮毂轴承等场合。

2.5 铝基脂

铝基脂分为两类，即硬脂酸铝润滑脂和复合铝基脂。硬脂酸铝润滑脂很少用于滚动轴承，但近年来复合铝基脂逐渐得到较多的应用。复合皂基脂在防水试验中表现良好；然而其工作温度上限比其他优质脂差，约为110℃，温度下限约为-30℃。

2.6 非皂基润滑脂

有机物稠化剂的高温性能比金属皂基稠化剂好，其氧化稳定性相比金属皂基也得到改进，因此不会对基油的氧化产生催化作用。滴点一般在260℃以上，低温性能也很好。通常使用的稠化剂是聚脲，广泛用于电机高温球轴承的润滑，工作温度上限为140℃，下限为-30℃。

2.7 非有机稠化剂

非有机稠化剂没有熔点，所以脂的工作温度取决于基油的耐氧化和抗热性能。这种脂用于高温时（高于170℃），仅适用于短时使用的场合，当需要连续工作时这种脂的推荐温度上限仅为130℃，下限为-30℃。

2.8 脂的相容性

把稠化剂和基油不同的脂混合在一起会造成脂的不相容和轴承润滑失效，最终导致轴承失效。把各种不同的稠化剂，即皂基和非皂基或不同类型的皂基混合在一起，会造成稠度发生较大变化，导致润滑脂或则太稠不宜于作润滑剂，或则太稀而不能保持在轴承内部。把不同基油的脂（如石油和硅油）混合在一起就会造成两相流体而影响连续润滑，从而造成过早失效。因此实际应用中要避免混合不同种类的润滑剂，要把轴承内原有的润滑剂完全清除，再填入新的润滑剂。

3 脂润滑供给系统

在大多数航空滚动轴承应用场合都可以使用脂润滑，润滑脂本身即可看作一个润滑剂供给系统。由于散热能力比油差，脂润滑通常仅用于速度较低的使用工况。因此在轴承标准中，脂润滑轴承的极限转速比油润滑的低。同时，轴承内部填脂量也十分重要，填脂太多，轴承温升高，可能会造成轴承卡死。轴承填脂量一般为轴承内部空间的1/3～2/3。速度很低时，为尽可能防止锈蚀，也可以填满整个空间。

如果润滑脂寿命比轴承短，则在润滑脂失效前要更换。换脂周期取决于轴承类型、尺寸、转速、工作温度、脂的类型及其他与应用有关的环境条件。当轴承工作条件非常恶劣时，特别是摩擦发热量大、工作温度高时，需要较频繁的更换润滑脂。一些轴承生产厂家在样本中给出了换脂周期，这类数据和厂家的轴承内部设计条件有关，并且是基于高质量的锂皂基脂，工作温度不高于70℃的条件。因此，即使外形尺寸一样，每个制造商给定的换脂周期也有所不同。但对于部分小型带密封圈的滚动轴承，换脂周期可达到长于轴承的疲劳寿命，即可做到轴承全寿命周期无需润滑。

4 润滑脂老化过程及寿命分析

航空滚动轴承中的润滑脂发生老化的主要影响因素包括：载荷、温度、转速、轴承的几何结构和尺寸、工作时间等，这些因素的综合作用反映在滚动体与滚道间的润滑脂受到的剪切作用的强度和剪切时间，当润滑脂发生老化后的直接结果是润滑性能下降，而润滑性能下降的外在表现是滚动轴承的平衡温度升高。

当温度高于70℃时，每升高15℃换脂周期必须减半；温度低于70℃时，换脂周期可以适当延长，然而也不能低于润滑脂的工作温度下限。垂直安装轴承的换脂周期应为水平安装轴承的一半。如果换脂周期大于六个月，则轴承内部所剩润滑脂应该全部清除并换以新脂；如果换脂周期小于六个月，则可参考轴承生产厂家的推荐值，加入一定量的润滑脂。如果轴承应用于潮湿的场合或内部明显有被污染的风险，则所推荐的换脂周期应当缩短。

当滚动轴承的平衡温度增加到一定数值后，轴承将无法正常工作，这时的润滑脂即可认为老化到报废的程度，应该停机进行润滑脂更换。对于特定型号的轴承使用的润滑脂的寿命预测，需要在特定工况下开展长期的试验研究，拟合出轴承外圈温度增量与润滑脂平均剪切强度的关系曲线，进而预测出润滑脂的寿命。

结束语：

关于航空滚动轴承如何在工作中建立和维护轴承内部的良好环境，一直是关系到轴承性能和寿命的最为重要的问题之一。本文基于航空滚动轴承各类型润滑脂的实际使用情况，提供了润滑脂的选择方案以及以轴承发热率为基础的寿命预测分析，为进一步建立轴承寿命计算模型提供了基础。

参考文献：

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