食品机械用四点接触球转盘轴承润滑脂优选

金莹 崔慧娟 张娟荣

摘      要：
为了研究食品机械用四点接触球转盘轴承润滑脂设计与合成运用等方面问题，通过对某厂使用的大型灌装机运行实例展开相关研究，系统探讨润滑脂所涉基础油、稠化剂和添加剂相关内容。研究得出未来的轴承润滑研究方向主要在如下方面突破：①新润滑材料伴随新合成加工办法的实施，进一步完善了润滑脂添加剂体系;②特殊处理工艺及表面材料优化的轴承“无润滑或微润滑”式的设计制造业发展;③食品级润滑脂的安全无毒性研发，部分可降解或延时可降解方式的使用。

关  键  词：食品机械;转盘轴承;润滑脂;化工机械

中图分类号：TH133.33       文獻标识码：
A      文章编号：
1671-0460（2020）11-2562-04

Optimal Selectionof Grease for Four-point Contact

Ball Bearing inFood Machinery

JIN Ying， CUI Hui-juan， ZHANG Juan-rong

（Xianyang Vocational Technical College， Xianyang 712000， China）

Abstract：
In order to study the design，synthesisand application of grease for four-point contact ball bearing in food machinery， through the case study of a large-scale filling machine used in a factory， the base oil， thickener and additives of lubricating grease were systematically investigated. It was concluded that the future research direction of bearing lubrication was as follows：①the improvement of grease additive system with new synthetic processing method; ② the development of bearing "unlubricated or micro lubricated" design and manufacturing industry with special treatment process and surface material optimization; ③ the research and development of safety and non toxicity of food grade grease， some of which can be degraded.

Key words：
Food machinery; Turntable bearing; Lubricating grease; Chemical machinery

随着社会的发展与经济增长，以工业4.0为代表的新兴制造业正在被推广和普及。而日益增高的人工成本给自动化智能化的大规模机械化生产带来了可能，在传统的劳动密集型食品加工行业就逐步开始推广机械化生产[1]。当前的食品机械品种繁多，通用性差异大，所以该行业正在进行产业结构调整。以国家相关管理机构和龙头企业为代表的相关食品机械行业规范的制定有利于食品加工机械设备的标准化、通用化发展。随着中国制造业的扩大和技术力量的不断成熟，在食品包装产业这个分支上发展势头强劲，相关分支可以补齐短板，进行国际化视野的开拓以取得“中国机会”的发展机遇[2]。

食品机械的发展可以细分为加工机械和包装机械两种类别。为了满足现场庞大的加工量、食品行业严格的卫生要求和低粉尘、安全等条件的需要，相关机械设备的结构设计应充分考虑设计合规性、功能完善性和机构的紧凑性，以保障设备耐久程度和维护便捷性等基础要求[3]。庞大的加工量和不同种类产品的高负荷生产需要的食品机械动力装置（电动机）与支承组件、传动组件匹配均衡，而轴承这一广泛使用的零部件更需要进行不同使用环节的系统优化[4]。在食品机械设计制造环节因为不同部位涉及的轴承工况条件不同，往往进行多种类型的运用。例如在大型灌装机所用的关键性四点接触球转盘轴承就是其重要的旋转、支承部件[5]。根据力学分析，相关零部件需要在轴向载荷和倾覆力矩上设计合规，能承受现场极端工况下的要求。基于此，不同食品加工环节下的极端温度、湿度和生产线定期清洗等带来的脉冲式力学变化工况都应纳入设计范围。当前相关研究中，其四点接触球转盘轴承的理论化模拟类研究已经成熟，但是关键性的材料制造、易损件升级与现场维修安装等细则性实际问题却因为企业技术保密而公布较少[6]。本文基于某厂某型号具体成品化四点接触球转盘轴承使用情况，在理论结合实际的前提下，通过对润滑脂的选用分析进行深入研究，在原机械设备设计不做改变的前提下提高转盘轴承使用寿命，通过运用有限成本的润滑脂优化全面提高机械设备工作效率，降低企业综合成本。

1  机械设备概况

某厂使用的大型灌装机如图1所示，其使用年限已达3年，使用工况良好。其中相关设备的转盘轴承直径达到了2 m以上。与相关设备类似，设备运转时外围的灌装安装部件开始旋转使得转盘轴开始承受离心力与设备自身重力带来的轴向载荷影响。而在不同环境温度和灌装仓容量载荷前提下该种轴向载荷不同[7]。现场工作实际为该种设备的最大转速可达278 r·min-1。使用过程中需要考虑安装径向力的调节与校准，以确保离心力均衡前提下的转盘轴承获取的径向载荷均匀，规避因为不同原因带来的转盘轴承倾覆力矩载荷作用不均一带来的设备损坏和生产中断。

真实运行过程中，其现实存在的转盘轴承温度变化、环境腐蚀前提下的零部件损耗是不可避免的。为了提高机械设备使用寿命，便于年度大修和复杂工况下的零部件及时更换，选用不同批号的脂润滑进行保护，并及时补充。根据现场设备维修维护规范，在确保转盘轴承转动灵活且没有卡滞的前提下，需要保证机械设备满负荷前提下的稳定运行，其中需要掌控其空载启动摩擦力矩不大于350 mN·m （转速为1 r·min-1）。该种设备（灌装机）用转盘轴承参数计算结果如表1。

需要注意的是因为灌装机为典型的食品机械，其卫生要求和环境要求极高，相关的减摩轴承除了为活动部件降温、降噪并充分提高设备寿命、优化运行可靠性之外，最主要的是确保润滑剂的密封性与耐久性[8]，所以通常需要在同种批号的润滑剂满足机械设备使用的同时达到食品级别并且保证泄漏量达标。现场使用过程中灌装机所涉及的四点接触球转盘轴承需要在高转速下不断工作，并且要在潮湿环境进行定期清洗，其力学特征和环境影响程度较大，以下针对四点接触球转盘轴承润滑脂做简要介绍。

2  润滑脂组成

润滑脂是一种常见的化工合成品，广泛用于机械制造、航空航天和军工国防等重工业领域。当前食品级润滑脂在国内并不普遍，其产能和市场占有率较小，且相对价格较高。国内常见的相关产品有：植物油、石蜡、凡士林等矿物油（图2）。

但是因为这些矿物油分子链结构的不稳定性，所以在异常工况和长时间使用情况下存在一些安全隐患。在一些特种高标准生产线上，或者现场生产存在较高极压抗磨性、机械安定性和使用寿命等特殊要求的滚动轴承运用前提下，企业通常还是选用进口级别的相关产品。而随着技术的累计，相关企业必须要进行合适的食品级润滑脂选用，以在运用国产相关产品的同时降低企业运行成本。

2.1  基础油

基础油为润滑脂制造过程中的关键，其介质稳定性、耐高低温性、互溶性、减摩性能和多重极端环境下的抗氧化性是选取与制造的关键。通过多重物性与化学稳定性的筛选，使用矿物油、合成油和生物（植物）油进行单一或者互溶前提下的基础油配比能极大优化轴承的寿命。具体的矿物油类型居多，而大多为超精制矿物油，比如选用稳定性较好的食品级白油，其中所研工厂设备就使用有链状饱和碳氢化合物占99%以上不含芳香烃类基础油，其成本低廉，稳定性适中。还有就是以PAO系列产品为代表的合成硅油，但鉴于该种产品适应性局限等諸多问题虽然其各项性能优异，但是推广使用仍然受限。最后就是降解性优异且无毒无害的生物油，该种油取材广，但可用价值有限，特别是其氧化安定性、低温流动性、水解稳定等关键参数反馈试验结果较差，需要进行大量添加剂改良而完善其功能性，使用后续制造和合成成本较大，相关产品发展受阻。

2.2  稠化剂

稠化剂为润滑脂中关键性添加剂之一，通常稠化剂的主要功能为增加黏度，同时也起到降低滤失和减少摩阻的作用。交联反应方面，稠化剂与交联剂进行相互作用，使得高分子网架结构冻胶按时间和强度有序形成，最终达到能悬浮一定密度金属摩擦支撑剂并良好润滑的使用效果。在使用环节，相关的稠化剂必须选用无毒害性的产品，国内合成工艺中通常运用复合铝皂、聚丙烯、锂皂（12-羟基硬脂酸）等相关原料。而当前最新的复合钛皂在具有传统化学特征的同时，还具有较为优越的生物降解性，同时选用复合磺酸钙基润滑脂也能在产品有限的前提下运用复杂合成工艺进行稠化反应。

2.3  添加剂

添加剂为润滑脂制造过程中的辅剂，其中运用特定的定量抗磨剂能强化最终产品的耐磨性。在加入一定量的抗氧化剂能增强高温环境下润滑脂的稳定性。如果根据设备设计匹配性的需要还有极压添加剂、防锈剂等其他辅剂。其次因为添加剂为深度合成化工品，通常有毒，所以在食品添加剂行业需要进行微量添加或者后续合成过程中的无毒化处理，确保不存在安全隐患，当前常见的添加剂有聚烷基乙二醇等低毒物质。

3  润滑脂选用影响因素

所研机械转盘轴承用食品级脂润滑，润滑工艺为集中供脂式润滑，真实运用过程中润滑机构简便，免维护周期长，易损件方便拆解。其中零部件轴承内圈内径面以不同距离均匀设置有6个注脂孔，确保供油通畅。且通道与内、外两条滚道相连，注油装置为密封循环式处理，油品润滑后会自动进行油路循环，确保堵塞密封正常。

3.1  润滑脂选用

基于成本考量和安全框架下的润滑脂选用对食品机械的正常运转乃至整条生产线的稳定运行关系巨大。通常在机械设备维护中润滑脂单项占比达3%～6%，但如若偷工减料或者润滑脂质量出现问题则会引起整体流程工业生产事故，通常在食品级润滑脂的选用与维护领域需要系统考量所涉机械轴承转速、生产工作温度上下限、轴承载荷变化范围以及多重安装状态下带来的润滑方式变化。在统一工作环境中需要严格根据工作温度和载荷条件两个关键性可测物理量进行选择。在润滑脂测试抽样环节，需要注意滴点、氧化安定性和低温性能等指标。如若根据轴承工作载荷进行优选，需要根据不同压力对油膜强度和极压性能进行综合考量。在需要特殊工作环境下时，如潮湿环境下的润滑脂，可以选择不易溶于水的钙基润滑脂，如果遇到低温干燥环境，可以选择易溶于水的钠基润滑脂。在此基于相关工作经验，总结出市面上不同特点的代表性食品级润滑脂参照性能，见表2。

3.2  速度

平均内径和转速值相乘定义为标准轴承速度dm·n值，该物理量表示轴承的高低速性能，设计和应用过程中需要查表进行滚动轴承用润滑脂极限速度的优选。通用选用原则为：工作要求转速越高，则需要选择大稠度润滑脂进行高速离心力作用下的分油、润滑和降温。据核算相关部件dm·n值       应≤3×105 mm·r·min-1。而具体运用在灌装机用四点接触球转盘轴承最高工作转速的润滑脂应根据稠度对照表选用2号或3号脂。如若现场工作条件要求机械设备长时间不停运行需要考虑耐老化性能，可以适当添加合成型基础油或者抗氧化剂。

3.3  温度

轴承的高速运行不可避免会产生摩擦生热。而这种温度一段不能快速消散或者超过使用范围则会导致机械部件不可逆烧毁。必须根据润滑剂温度界限进行不同轴承使用精度下的优选，通常工作锥入度较小、滴点较高、耐高温的润滑脂更为优越。润滑脂黏温特性和温度变化快慢以及参数息息相关，低温条件下的润滑脂流动性能下降，润滑性受限。而高温环境下会导致润滑脂快速氧化。所以必须选用能适应于200 ℃左右食品加工高温烘烤炉旋转前提下的润滑脂。

3.4  载荷

不同的食品加工量和种类所需要选择的设备与工作载荷是不同的，同一種类的食品机械设备载荷谱在不同工况下会出现不同特征。总的说来可以分为轻载荷、一般载荷、中等载荷、重载荷和脉冲型冲击载荷等。所以在润滑脂的选择上需要考虑不同工况下的不同阶段载荷对轴承的影响。现场实际优选中需要评测稠度、油膜强度、极压性能、黏度等关键性可测物理量。如果重载荷工况占比较高，就要求润滑脂选用较高黏度的基础油并且添加合适的高含量稠化剂以优化产品的极压性和抗磨损性。

3.5  工作条件和润滑方式

食品机械大多在高温、高湿的环境下工作，且需要定期水力清洗，对清洁度和粉尘等要求较高。所以相关的各环节轴承需要密封性满足要求，而相关的润滑脂更是需要适应抗水性、耐碱性且在润滑良好的同时保护设备不生锈。而在特殊的工作条件可能还会遇到化学性腐蚀，例如啤酒生产线。润滑脂润滑和集中润滑不同方式的设立可以给轴承带来不同的润滑效果。而选用0-1号食品级润滑脂也需要基于设备润滑方式进行修订。

4  结束语

随着润滑剂新合成工艺和添加剂研发的技术进步，结合轴承设计和食品机械系统工程优化而带来的优异参数界限，轴承的设计制造会成为成体系的系统科学而得到全面提升。

参考文献：

[1]闫佳飞，邱明，赵滨海，等.四点接触球转盘轴承许用接触应力试验[J].机械设计与研究，2012，28（2）：40-43.

[2]籍永刚，王燕霜.四点接触球转盘轴承的静刚度计算[J].河南科技大学学报（自然科学版），2013，34（2）：22-25.

[3]牛荣军，徐金超，邵秀华，等.双排非对称四点接触球转盘轴承力学性能分析[J].机械工程学报，2018，54（9）：177-186.

[4]徐国宝，刘新乐，张悦.用于特殊物料灌装的上开阀灌装头设计[J].包装与食品机械，2018，36（4）：40-43.

[5]李栋，张军，刘亚春，等.风力发电机转盘轴承润滑脂的研制[J].合成润滑材料，2018，45（1）：1-5.

[6]王思明，许明恒.风力发电机转盘轴承微动磨损的试验研究[J].中国机械工程，2010，21（20）：2430-2433.

[7]吴正海，徐颖强，邓四二，等.高速脂润滑圆锥滚子轴承保持架动态稳定性分析[J].振动与冲击，2019，38（10）：49-57.

[8]卢现菊.高温轴承润滑脂的研制[J].合成润滑材料，2016，43（2）：1-4.

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