食品機械用四點接觸球轉盤軸承潤滑脂優選

金瑩 崔慧娟 張娟榮

摘? ? ? 要： 為了研究食品機械用四點接觸球轉盤軸承潤滑脂設計與合成運用等方面問題，通過對某廠使用的大型灌裝機運行實例展開相關研究，系統探討潤滑脂所涉基礎油、稠化劑和添加劑相關內容。研究得出未來的軸承潤滑研究方向主要在如下方面突破：①新潤滑材料伴隨新合成加工辦法的實施，進一步完善了潤滑脂添加劑體系;②特殊處理工藝及表面材料優化的軸承“無潤滑或微潤滑”式的設計制造業發展;③食品級潤滑脂的安全無毒性研發，部分可降解或延時可降解方式的使用。

關? 鍵? 詞：食品機械;轉盤軸承;潤滑脂;化工機械

中圖分類號：TH133.33? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? 文章編號： 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

隨著社會的發展與經濟增長，以工業4.0為代表的新興制造業正在被推廣和普及。而日益增高的人工成本給自動化智能化的大規模機械化生產帶來了可能，在傳統的勞動密集型食品加工行業就逐步開始推廣機械化生產[1]。當前的食品機械品種繁多，通用性差異大，所以該行業正在進行產業結構調整。以國家相關管理機構和龍頭企業為代表的相關食品機械行業規范的制定有利于食品加工機械設備的標準化、通用化發展。隨著中國制造業的擴大和技術力量的不斷成熟，在食品包裝產業這個分支上發展勢頭強勁，相關分支可以補齊短板，進行國際化視野的開拓以取得“中國機會”的發展機遇[2]。

食品機械的發展可以細分為加工機械和包裝機械兩種類別。為了滿足現場龐大的加工量、食品行業嚴格的衛生要求和低粉塵、安全等條件的需要，相關機械設備的結構設計應充分考慮設計合規性、功能完善性和機構的緊湊性，以保障設備耐久程度和維護便捷性等基礎要求[3]。龐大的加工量和不同種類產品的高負荷生產需要的食品機械動力裝置（電動機）與支承組件、傳動組件匹配均衡，而軸承這一廣泛使用的零部件更需要進行不同使用環節的系統優化[4]。在食品機械設計制造環節因為不同部位涉及的軸承工況條件不同，往往進行多種類型的運用。例如在大型灌裝機所用的關鍵性四點接觸球轉盤軸承就是其重要的旋轉、支承部件[5]。根據力學分析，相關零部件需要在軸向載荷和傾覆力矩上設計合規，能承受現場極端工況下的要求?；诖?，不同食品加工環節下的極端溫度、濕度和生產線定期清洗等帶來的脈沖式力學變化工況都應納入設計范圍。當前相關研究中，其四點接觸球轉盤軸承的理論化模擬類研究已經成熟，但是關鍵性的材料制造、易損件升級與現場維修安裝等細則性實際問題卻因為企業技術保密而公布較少[6]。本文基于某廠某型號具體成品化四點接觸球轉盤軸承使用情況，在理論結合實際的前提下，通過對潤滑脂的選用分析進行深入研究，在原機械設備設計不做改變的前提下提高轉盤軸承使用壽命，通過運用有限成本的潤滑脂優化全面提高機械設備工作效率，降低企業綜合成本。

1? 機械設備概況

某廠使用的大型灌裝機如圖1所示，其使用年限已達3年，使用工況良好。其中相關設備的轉盤軸承直徑達到了2 m以上。與相關設備類似，設備運轉時外圍的灌裝安裝部件開始旋轉使得轉盤軸開始承受離心力與設備自身重力帶來的軸向載荷影響。而在不同環境溫度和灌裝倉容量載荷前提下該種軸向載荷不同[7]?，F場工作實際為該種設備的最大轉速可達278 r·min-1。使用過程中需要考慮安裝徑向力的調節與校準，以確保離心力均衡前提下的轉盤軸承獲取的徑向載荷均勻，規避因為不同原因帶來的轉盤軸承傾覆力矩載荷作用不均一帶來的設備損壞和生產中斷。

真實運行過程中，其現實存在的轉盤軸承溫度變化、環境腐蝕前提下的零部件損耗是不可避免的。為了提高機械設備使用壽命，便于年度大修和復雜工況下的零部件及時更換，選用不同批號的脂潤滑進行保護，并及時補充。根據現場設備維修維護規范，在確保轉盤軸承轉動靈活且沒有卡滯的前提下，需要保證機械設備滿負荷前提下的穩定運行，其中需要掌控其空載啟動摩擦力矩不大于350 mN·m （轉速為1 r·min-1）。該種設備（灌裝機）用轉盤軸承參數計算結果如表1。

需要注意的是因為灌裝機為典型的食品機械，其衛生要求和環境要求極高，相關的減摩軸承除了為活動部件降溫、降噪并充分提高設備壽命、優化運行可靠性之外，最主要的是確保潤滑劑的密封性與耐久性[8]，所以通常需要在同種批號的潤滑劑滿足機械設備使用的同時達到食品級別并且保證泄漏量達標?，F場使用過程中灌裝機所涉及的四點接觸球轉盤軸承需要在高轉速下不斷工作，并且要在潮濕環境進行定期清洗，其力學特征和環境影響程度較大，以下針對四點接觸球轉盤軸承潤滑脂做簡要介紹。

2? 潤滑脂組成

潤滑脂是一種常見的化工合成品，廣泛用于機械制造、航空航天和軍工國防等重工業領域。當前食品級潤滑脂在國內并不普遍，其產能和市場占有率較小，且相對價格較高。國內常見的相關產品有：植物油、石蠟、凡士林等礦物油（圖2）。

但是因為這些礦物油分子鏈結構的不穩定性，所以在異常工況和長時間使用情況下存在一些安全隱患。在一些特種高標準生產線上，或者現場生產存在較高極壓抗磨性、機械安定性和使用壽命等特殊要求的滾動軸承運用前提下，企業通常還是選用進口級別的相關產品。而隨著技術的累計，相關企業必須要進行合適的食品級潤滑脂選用，以在運用國產相關產品的同時降低企業運行成本。

2.1? 基礎油

基礎油為潤滑脂制造過程中的關鍵，其介質穩定性、耐高低溫性、互溶性、減摩性能和多重極端環境下的抗氧化性是選取與制造的關鍵。通過多重物性與化學穩定性的篩選，使用礦物油、合成油和生物（植物）油進行單一或者互溶前提下的基礎油配比能極大優化軸承的壽命。具體的礦物油類型居多，而大多為超精制礦物油，比如選用穩定性較好的食品級白油，其中所研工廠設備就使用有鏈狀飽和碳氫化合物占99%以上不含芳香烴類基礎油，其成本低廉，穩定性適中。還有就是以PAO系列產品為代表的合成硅油，但鑒于該種產品適應性局限等諸多問題雖然其各項性能優異，但是推廣使用仍然受限。最后就是降解性優異且無毒無害的生物油，該種油取材廣，但可用價值有限，特別是其氧化安定性、低溫流動性、水解穩定等關鍵參數反饋試驗結果較差，需要進行大量添加劑改良而完善其功能性，使用后續制造和合成成本較大，相關產品發展受阻。

2.2? 稠化劑

稠化劑為潤滑脂中關鍵性添加劑之一，通常稠化劑的主要功能為增加黏度，同時也起到降低濾失和減少摩阻的作用。交聯反應方面，稠化劑與交聯劑進行相互作用，使得高分子網架結構凍膠按時間和強度有序形成，最終達到能懸浮一定密度金屬摩擦支撐劑并良好潤滑的使用效果。在使用環節，相關的稠化劑必須選用無毒害性的產品，國內合成工藝中通常運用復合鋁皂、聚丙烯、鋰皂（12-羥基硬脂酸）等相關原料。而當前最新的復合鈦皂在具有傳統化學特征的同時，還具有較為優越的生物降解性，同時選用復合磺酸鈣基潤滑脂也能在產品有限的前提下運用復雜合成工藝進行稠化反應。

2.3? 添加劑

添加劑為潤滑脂制造過程中的輔劑，其中運用特定的定量抗磨劑能強化最終產品的耐磨性。在加入一定量的抗氧化劑能增強高溫環境下潤滑脂的穩定性。如果根據設備設計匹配性的需要還有極壓添加劑、防銹劑等其他輔劑。其次因為添加劑為深度合成化工品，通常有毒，所以在食品添加劑行業需要進行微量添加或者后續合成過程中的無毒化處理，確保不存在安全隱患，當前常見的添加劑有聚烷基乙二醇等低毒物質。

3? 潤滑脂選用影響因素

所研機械轉盤軸承用食品級脂潤滑，潤滑工藝為集中供脂式潤滑，真實運用過程中潤滑機構簡便，免維護周期長，易損件方便拆解。其中零部件軸承內圈內徑面以不同距離均勻設置有6個注脂孔，確保供油通暢。且通道與內、外兩條滾道相連，注油裝置為密封循環式處理，油品潤滑后會自動進行油路循環，確保堵塞密封正常。

3.1? 潤滑脂選用

基于成本考量和安全框架下的潤滑脂選用對食品機械的正常運轉乃至整條生產線的穩定運行關系巨大。通常在機械設備維護中潤滑脂單項占比達3%～6%，但如若偷工減料或者潤滑脂質量出現問題則會引起整體流程工業生產事故，通常在食品級潤滑脂的選用與維護領域需要系統考量所涉機械軸承轉速、生產工作溫度上下限、軸承載荷變化范圍以及多重安裝狀態下帶來的潤滑方式變化。在統一工作環境中需要嚴格根據工作溫度和載荷條件兩個關鍵性可測物理量進行選擇。在潤滑脂測試抽樣環節，需要注意滴點、氧化安定性和低溫性能等指標。如若根據軸承工作載荷進行優選，需要根據不同壓力對油膜強度和極壓性能進行綜合考量。在需要特殊工作環境下時，如潮濕環境下的潤滑脂，可以選擇不易溶于水的鈣基潤滑脂，如果遇到低溫干燥環境，可以選擇易溶于水的鈉基潤滑脂。在此基于相關工作經驗，總結出市面上不同特點的代表性食品級潤滑脂參照性能，見表2。

3.2? 速度

平均內徑和轉速值相乘定義為標準軸承速度dm·n值，該物理量表示軸承的高低速性能，設計和應用過程中需要查表進行滾動軸承用潤滑脂極限速度的優選。通用選用原則為：工作要求轉速越高，則需要選擇大稠度潤滑脂進行高速離心力作用下的分油、潤滑和降溫。據核算相關部件dm·n值? ? ? ?應≤3×105 mm·r·min-1。而具體運用在灌裝機用四點接觸球轉盤軸承最高工作轉速的潤滑脂應根據稠度對照表選用2號或3號脂。如若現場工作條件要求機械設備長時間不停運行需要考慮耐老化性能，可以適當添加合成型基礎油或者抗氧化劑。

3.3? 溫度

軸承的高速運行不可避免會產生摩擦生熱。而這種溫度一段不能快速消散或者超過使用范圍則會導致機械部件不可逆燒毀。必須根據潤滑劑溫度界限進行不同軸承使用精度下的優選，通常工作錐入度較小、滴點較高、耐高溫的潤滑脂更為優越。潤滑脂黏溫特性和溫度變化快慢以及參數息息相關，低溫條件下的潤滑脂流動性能下降，潤滑性受限。而高溫環境下會導致潤滑脂快速氧化。所以必須選用能適應于200 ℃左右食品加工高溫烘烤爐旋轉前提下的潤滑脂。

3.4? 載荷

不同的食品加工量和種類所需要選擇的設備與工作載荷是不同的，同一種類的食品機械設備載荷譜在不同工況下會出現不同特征?？偟恼f來可以分為輕載荷、一般載荷、中等載荷、重載荷和脈沖型沖擊載荷等。所以在潤滑脂的選擇上需要考慮不同工況下的不同階段載荷對軸承的影響?，F場實際優選中需要評測稠度、油膜強度、極壓性能、黏度等關鍵性可測物理量。如果重載荷工況占比較高，就要求潤滑脂選用較高黏度的基礎油并且添加合適的高含量稠化劑以優化產品的極壓性和抗磨損性。

3.5? 工作條件和潤滑方式

食品機械大多在高溫、高濕的環境下工作，且需要定期水力清洗，對清潔度和粉塵等要求較高。所以相關的各環節軸承需要密封性滿足要求，而相關的潤滑脂更是需要適應抗水性、耐堿性且在潤滑良好的同時保護設備不生銹。而在特殊的工作條件可能還會遇到化學性腐蝕，例如啤酒生產線。潤滑脂潤滑和集中潤滑不同方式的設立可以給軸承帶來不同的潤滑效果。而選用0-1號食品級潤滑脂也需要基于設備潤滑方式進行修訂。

4? 結束語

隨著潤滑劑新合成工藝和添加劑研發的技術進步，結合軸承設計和食品機械系統工程優化而帶來的優異參數界限，軸承的設計制造會成為成體系的系統科學而得到全面提升。

參考文獻：

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