手持式電動工具用軸承性能淺析

張永恩方承志宋貴州李興林

（1.博世電動工具(中國) 有限公司 杭州 310052 2.杭州軸承試驗研究中心 博士后工作站 杭州 310022）

手持式電動工具用軸承性能淺析

張永恩1方承志1宋貴州1李興林2

（1.博世電動工具(中國) 有限公司 杭州 310052 2.杭州軸承試驗研究中心 博士后工作站 杭州 310022）

摘要以深溝球軸承為代表，在不考慮工具裝配等因素的前提下，結(jié)合電動工具安全標準的相關(guān)章節(jié)，討論并分析手持式電動工具用滾動軸承的主要性能和要求，可供設(shè)計選用和質(zhì)量評價時參考。

關(guān)鍵詞軸承 性能 要求 安全標準

0　引言

滾動軸承（下稱“軸承”）作為功能零部件，廣泛應(yīng)用于手持式電動工具（下稱“電動工具”）行業(yè)，其中又以深溝球軸承使用量最大，并呈現(xiàn)出高轉(zhuǎn)速、使用環(huán)境相對惡劣的特點。有研究表明，絕緣系統(tǒng)和軸承是導(dǎo)致電動工具故障比例較高的零部件。絕緣屬電氣安全問題，很早便引起了人們的關(guān)注，隨著絕緣技術(shù)的發(fā)展，其性能得到大幅改進。而根據(jù)調(diào)研，在軸承產(chǎn)品的尺寸偏差與旋轉(zhuǎn)精度均符合標準的情況下，源于軸承的問題已占據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量反饋的相當比重而顯得越發(fā)突出，如圖1嚴重漏脂和圖2疲勞失效現(xiàn)象。

圖1　軸承漏脂

圖2　軸承保持架疲勞失效

本文以深溝球軸承為代表，在不考慮工具裝配等因素的前提下，結(jié)合安全標準的相關(guān)章節(jié)，介紹電動工具用軸承幾項重要的、影響整機質(zhì)量水平的工作性能及要求。

1　密封性能

根據(jù)設(shè)計需求，電動工具常采用兩面帶有密封圈或防塵蓋的密封球軸承，此時，須考慮其密封性能。密封性能主要包括軸承的防塵、漏脂和溫升性能，JB/T 8571-2008《滾動軸承 密封深溝球軸承防塵、漏脂、溫升性能試驗規(guī)程》（以下簡稱“JB/T 8571-2008”）規(guī)定了其檢測方法和限值。密封圈或防塵蓋的結(jié)構(gòu)和材料對密封性能影響很大，對軸承是否能正常運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。帶密封圈深溝球軸承判定標準因接觸形式不同而有差別， 接觸式密封深溝球軸承防塵及防漏脂性能俱佳，但溫升較高；非接觸式密封深溝球軸承防塵及防漏脂性能欠佳，但溫升較低。

1.1防塵性能

防塵性能是指在密封球軸承運轉(zhuǎn)的過程中防止外界灰塵侵入軸承內(nèi)腔的能力。

碳刷磨損而形成的碳粉隨著風(fēng)扇的作用，可能會充斥電動工具機殼內(nèi)各個部位。極端惡劣工作場合時，環(huán)境中細微的粉塵、鋸末、水汽或鐵屑等也都會進入工具中。若軸承的防塵性能不好，這些微小的粉塵顆粒較易進入軸承內(nèi)部，污染潤滑脂，從而影響潤滑性能和使用壽命，嚴重時則導(dǎo)致軸承的早期失效。

JB/T 8571-2008規(guī)定接觸式密封軸承灰塵侵入量≤16 000個/cm3，非接觸式密封軸承灰塵侵入量≤80 000個/cm3。

1.2漏脂性能

漏脂性能是指在密封球軸承運轉(zhuǎn)過程中，防止軸承腔內(nèi)潤滑脂泄漏到軸承外部的性能。潤滑脂被稱為軸承的第五大元件。軸承的可靠運行，必須依賴充分潤滑以防止?jié)L動體、滾道和保持架之間的金屬直接接觸。若漏脂嚴重，則會導(dǎo)致潤滑不良而直接影響軸承的溫升、振動、噪聲、摩擦力矩和使用壽命等工作性能。

自從明治文明開化以來，西方的各種思想也進入了日本，西方的利己主義和本位主義也隨之來到日本。從藤尾的行為來看，她遭到了這個主義的侵害。而且，因為這個主義是她悲劇結(jié)局的根源。

國家標準GB 3883.1-2008《手持式電動工具的安全 第一部分 通用要求》21.14規(guī)定“工具的結(jié)構(gòu)通常不應(yīng)使內(nèi)部布線、繞組、換向器、滑環(huán)等類似零件以及一般絕緣與油脂或其他類似物質(zhì)相接觸”，除齒輪箱外，軸承的漏脂性能也與此密切相關(guān)。

軸承被認為是不可拆卸零件，一旦裝配就不可再補充潤滑，明顯漏脂會影響軸承性能和工具的電氣安全，是不允許的。當然，過度潤滑也是不利的。

JB/T 8571-2008規(guī)定接觸式密封軸承漏脂率≤5%，非接觸式密封軸承漏脂率≤10%。

1.3溫升性能

溫升性能是指軸承在運轉(zhuǎn)過程中其外圈表面最高溫度高出環(huán)境溫度的程度。GB 3883.1-2008第12章溫升試驗規(guī)定了電動工具各部位的溫升限值，考慮對絕緣的影響和熱傷害。JB/T 8571-2008規(guī)定接觸式密封軸承溫升≤55℃；非接觸式密封軸承溫升≤45℃。對于密封軸承，其壽命還取決于潤滑脂壽命等因素，而溫升對潤滑脂壽命有相當大的影響。另外，溫度上升意味著潤滑脂粘度降低，使得油膜形成困難，從而導(dǎo)致更大的摩擦，溫度更高。與此同時軸承的工作游隙因內(nèi)外圈溫度差增加而減小，最終可能導(dǎo)致軸承卡死?？紤]到軸承的失效會導(dǎo)致絕緣損壞而影響工具的安全，筆者認為有必要檢測密封軸承外圈的溫升情況。

2　振動與噪聲性能

軸承振動是指軸承在運轉(zhuǎn)過程中，除軸承零件間的一些固有的、由功能所要求的運動以外其他一切偏離理想位置的運動。由振動產(chǎn)生的機械波向空間輻射，振動能量轉(zhuǎn)換成壓力波，經(jīng)空氣介質(zhì)再傳播出去即為聲輻射。其中，20 Hz～20 000 Hz部分為人耳可接收到的，即為軸承噪聲。軸承的振動與噪聲對整機的工作性能有著重要影響。噪聲測量一般需在消音室或半消音室內(nèi)進行，但其建造成本高且不能用于現(xiàn)場測試，而振動測試則相對易于實現(xiàn)。多數(shù)國家一般通過控制振動來間接控制噪聲，而不直接涉及噪聲問題?？己肆靠煞譃檎駝铀俣群驼駝蛹铀俣?，優(yōu)先選用前者，它們的有效值和峰值的限值均有相應(yīng)標準規(guī)定，超出即為不合格。

以內(nèi)徑為8 mm的深溝球軸承為例：振動速度的要求見表1，V組為最低要求，低頻帶(50 Hz～300 Hz)、中頻帶(300 Hz～1 800 Hz)和高頻帶(1 800 Hz～10 000 Hz)振動速度有效值≤130 μm/s、96 μm/s和80 μm/s；振動加速度要求見表2，Z組為最低要求，通頻帶(50 Hz～10 000 Hz)振動加速度級≤39 dB(A)。VP和ZP則是在滿足相應(yīng)V組的限值基礎(chǔ)上對峰值的要求，常用于更高水平的約定驗收。

表1　深溝球軸承振動（速度）限值和振動（速度）峰值限值 單位：μm/s

表2　深溝球軸承振動加速度級限值和振動加速度級峰值限值 單位：d B(A)

3　壽命及其可靠性

軸承的壽命是軸承質(zhì)量的綜合反映，通常指疲勞壽命，即主要部件出現(xiàn)疲勞之前的轉(zhuǎn)數(shù)或時間。廣義上也明確了限值的磨損、振動、噪音等性能壽命。產(chǎn)品的可靠性則是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。軸承行業(yè)已制訂實施相關(guān)的評測標準并取得了顯著成效。壽命是基于一定的可靠性前提而言的，所以，滾動軸承的壽命及可靠性密不可分。

作為一個串聯(lián)的機電系統(tǒng)，電動工具壽命及其可靠性受制于某個最薄弱的零部件。當軸承失效時，會出現(xiàn)摩擦力矩增大、堵轉(zhuǎn)等現(xiàn)象并導(dǎo)致絕緣損壞甚至燒機現(xiàn)象，嚴重影響電動工具的安全和性能。在實踐中，軸承各部件疲勞失效是最常見的形式。理想情況下軸承應(yīng)與其他部件做到同壽設(shè)計，以達到技術(shù)性和經(jīng)濟性的良好結(jié)合。但實際上，整機或軸承的壽命都具有相當大離散性，只能以統(tǒng)計學(xué)的方式預(yù)計。進行試驗評價時，對于球軸承，L10t/L10≥1.4為合格，其中L10t指基本額定壽命的試驗值，L10指基本額定壽命。

4　選用與設(shè)計

為保證軸承與整機有相同的（盡可能）使用壽命，除正確選用合適的軸承外，應(yīng)特別注意軸承內(nèi)/外圈與之相接觸的機軸/軸承腔配合形式的選擇與尺寸精度的控制。如配合選擇過緊，會引起軸承游隙的變化，額外增加各種附加力矩，導(dǎo)致早期失效。若外圈與軸承腔配合過松，會導(dǎo)致外圈與軸承腔的相對運動，除軸承溫升急劇升高外，還會引起軸承腔（多為鋁合金/鋁鎂合金/塑料等材料）的早期磨損失圓，進而導(dǎo)致整機失效，工程實踐中俗稱“走外圓”。這兩種極端情況，在工程實踐中大量存在。因此，設(shè)計人員必須對軸承內(nèi)/外圈的配合形式及尺寸精度加以正確設(shè)計和控制，確保軸承在其全生命周期內(nèi)不過早失效。

GB 3883.1-2008第11章要求“電動工具的額定輸入功率或電流應(yīng)至少為空載輸入功率或電流的110%”。即電動工具在空轉(zhuǎn)時，包括軸承在內(nèi)的各部件的摩擦力矩不能過大。一般情況下，此條易于滿足。

IECEE的263號CTL決議規(guī)定：即使是有接地的I類工具，易觸及的電機軸與電樞繞組和換向器也要由基本絕緣隔離變?yōu)殡p重絕緣或加強絕緣隔離（II類結(jié)構(gòu)）。如此規(guī)定是因為通過軸承與接地外殼的連接被認為不是永久和可靠的連接，即考慮到油膜或游隙的存在，不認為軸承是可靠的導(dǎo)體。

5　結(jié)語

軸承作為實現(xiàn)電動工具功能設(shè)計的重要零部件，除了旋轉(zhuǎn)精度、尺寸精度和游隙等指標需滿足要求外，在正確選用和成本關(guān)注的基礎(chǔ)上，電動工具制造企業(yè)應(yīng)重視軸承的密封、振動與噪音、壽命及可靠性等綜合性能，以確保整機的質(zhì)量。對于軸承用戶而言，有利的是軸承的相關(guān)評價標準已較系統(tǒng)和成熟，但由于檢測設(shè)備和能力的限制，軸承質(zhì)量與性能的評價工作可以委托給有能力的第三方檢測機構(gòu)進行。

參考文獻：

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[7]李興林，張永恩，等.滾動軸承疲勞壽命強化試驗評估方法研究[J].軸承，2003(4).

中圖分類號TM08 文獻標示碼A

文章編號1674-17969（2014）01-0012-04

[收稿日期]2013-11-20

[作者簡介]張永恩（1981-），男，工程碩士，工程師，主要從事電動工具安全和性能檢測等工作。

Brief Performance Analysis on the Bearings Applied to Hand-held Motor-operated Electric Tools

Zhang Yongen1, Fang Chengzhi1, Song Guizhou1, Li Xinglin2
(1. Bosch power tools (China) co. Ltd. Hangzhou 310052; 2. Postdoctoral workstation of Hangzhou bearing test and research center Hangzhou 310022)

Abstract:Deep groove ball bearings, represented in the tool assembly without considering other factors, combined with the relevant sections of the power tool safety standards, the content mainly discusses several performance requirements of the bearings applied to hand-held motoroperated electric tools and their relationship and effects with safety standard. This content can also be referenced while make technical design and quality appraisal.

Keywords:bearingperformancerequirementsafety standard