張永恩方承志宋貴州李興林

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

手持式電動(dòng)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(dòng)工具(中國(guó)) 有限公司 杭州 310052 2.杭州軸承試驗(yàn)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(dòng)工具安全標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)章節(jié)，討論并分析手持式電動(dòng)工具用滾動(dòng)軸承的主要性能和要求，可供設(shè)計(jì)選用和質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)參考。

關(guān)鍵詞軸承 性能 要求 安全標(biāo)準(zhǔn)

0　引言

滾動(dòng)軸承（下稱“軸承”）作為功能零部件，廣泛應(yīng)用于手持式電動(dòng)工具（下稱“電動(dòng)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(duì)惡劣的特點(diǎn)。有研究表明，絕緣系統(tǒng)和軸承是導(dǎo)致電動(dòng)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(jìn)。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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)比重而顯得越發(fā)突出，如圖1嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)章節(jié)，介紹電動(dòng)工具用軸承幾項(xiàng)重要的、影響整機(jī)質(zhì)量水平的工作性能及要求。

1　密封性能

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，電動(dòng)工具常采用兩面帶有密封圈或防塵蓋的密封球軸承，此時(shí)，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(dòng)軸承 密封深溝球軸承防塵、漏脂、溫升性能試驗(yàn)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱“JB/T 8571-2008”）規(guī)定了其檢測(cè)方法和限值。密封圈或防塵蓋的結(jié)構(gòu)和材料對(duì)密封性能影響很大，對(duì)軸承是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。帶密封圈深溝球軸承判定標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(huì)充斥電動(dòng)工具機(jī)殼內(nèi)各個(gè)部位。極端惡劣工作場(chǎng)合時(shí)，環(huán)境中細(xì)微的粉塵、鋸末、水汽或鐵屑等也都會(huì)進(jìn)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(jìn)入軸承內(nèi)部，污染潤(rùn)滑脂，從而影響潤(rùn)滑性能和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)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(gè)/cm3，非接觸式密封軸承灰塵侵入量≤80 000個(gè)/cm3。

1.2漏脂性能

漏脂性能是指在密封球軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，防止軸承腔內(nèi)潤(rùn)滑脂泄漏到軸承外部的性能。潤(rùn)滑脂被稱為軸承的第五大元件。軸承的可靠運(yùn)行，必須依賴充分潤(rùn)滑以防止?jié)L動(dòng)體、滾道和保持架之間的金屬直接接觸。若漏脂嚴(yán)重，則會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑不良而直接影響軸承的溫升、振動(dòng)、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(jìn)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(gè)主義的侵害。而且，因?yàn)檫@個(gè)主義是她悲劇結(jié)局的根源。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3883.1-2008《手持式電動(dòng)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(rèn)為是不可拆卸零件，一旦裝配就不可再補(bǔ)充潤(rùn)滑，明顯漏脂會(huì)影響軸承性能和工具的電氣安全，是不允許的。當(dāng)然，過度潤(rùn)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(yùn)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(yàn)規(guī)定了電動(dòng)工具各部位的溫升限值，考慮對(duì)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(duì)于密封軸承，其壽命還取決于潤(rùn)滑脂壽命等因素，而溫升對(duì)潤(rùn)滑脂壽命有相當(dāng)大的影響。另外，溫度上升意味著潤(rùn)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(shí)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(huì)導(dǎo)致絕緣損壞而影響工具的安全，筆者認(rèn)為有必要檢測(cè)密封軸承外圈的溫升情況。

2　振動(dòng)與噪聲性能

軸承振動(dòng)是指軸承在運(yùn)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(yùn)動(dòng)以外其他一切偏離理想位置的運(yùn)動(dòng)。由振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械波向空間輻射，振動(dòng)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(dòng)與噪聲對(duì)整機(jī)的工作性能有著重要影響。噪聲測(cè)量一般需在消音室或半消音室內(nèi)進(jìn)行，但其建造成本高且不能用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，而振動(dòng)測(cè)試則相對(duì)易于實(shí)現(xiàn)。多數(shù)國(guó)家一般通過控制振動(dòng)來間接控制噪聲，而不直接涉及噪聲問題?？己肆靠煞譃檎駝?dòng)速度和振動(dòng)加速度，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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(dòng)速度有效值≤130 μm/s、96 μm/s和80 μm/s；振動(dòng)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(dòng)加速度級(jí)≤39 dB(A)。VP和ZP則是在滿足相應(yīng)V組的限值基礎(chǔ)上對(duì)峰值的要求，常用于更高水平的約定驗(yàn)收。

表1　深溝球軸承振動(dòng)（速度）限值和振動(dòng)（速度）峰值限值 單位：μm/s

表2　深溝球軸承振動(dòng)加速度級(jí)限值和振動(dòng)加速度級(jí)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(shí)間。廣義上也明確了限值的磨損、振動(dòng)、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(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。軸承行業(yè)已制訂實(shí)施相關(guān)的評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)軸承的壽命及可靠性密不可分。

作為一個(gè)串聯(lián)的機(jī)電系統(tǒng)，電動(dòng)工具壽命及其可靠性受制于某個(gè)最薄弱的零部件。當(dāng)軸承失效時(shí)，會(huì)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(jī)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電動(dòng)工具的安全和性能。在實(shí)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(jì)，以達(dá)到技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的良好結(jié)合。但實(shí)際上，整機(jī)或軸承的壽命都具有相當(dāng)大離散性，只能以統(tǒng)計(jì)學(xué)的方式預(yù)計(jì)。進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)于球軸承，L10t/L10≥1.4為合格，其中L10t指基本額定壽命的試驗(yàn)值，L10指基本額定壽命。

4　選用與設(shè)計(jì)

為保證軸承與整機(jī)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(jī)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(huì)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(huì)導(dǎo)致外圈與軸承腔的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，除軸承溫升急劇升高外，還會(huì)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(jìn)而導(dǎo)致整機(jī)失效，工程實(shí)踐中俗稱“走外圓”。這兩種極端情況，在工程實(shí)踐中大量存在。因此，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)軸承內(nèi)/外圈的配合形式及尺寸精度加以正確設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)工具在空轉(zhuǎn)時(shí)，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(hào)CTL決議規(guī)定：即使是有接地的I類工具，易觸及的電機(jī)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(qiáng)絕緣隔離（II類結(jié)構(gòu)）。如此規(guī)定是因?yàn)橥ㄟ^軸承與接地外殼的連接被認(rèn)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(rèn)為軸承是可靠的導(dǎo)體。

5　結(jié)語

軸承作為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)工具功能設(shè)計(jì)的重要零部件，除了旋轉(zhuǎn)精度、尺寸精度和游隙等指標(biāo)需滿足要求外，在正確選用和成本關(guān)注的基礎(chǔ)上，電動(dòng)工具制造企業(yè)應(yīng)重視軸承的密封、振動(dòng)與噪音、壽命及可靠性等綜合性能，以確保整機(jī)的質(zhì)量。對(duì)于軸承用戶而言，有利的是軸承的相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已較系統(tǒng)和成熟，但由于檢測(cè)設(shè)備和能力的限制，軸承質(zhì)量與性能的評(píng)價(jià)工作可以委托給有能力的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行。

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中圖分類號(hào)TM08 文獻(xiàn)標(biāo)示碼A

文章編號(hào)1674-17969（2014）01-0012-04

[收稿日期]2013-11-20

[作者簡(jiǎn)介]張永恩（1981-），男，工程碩士，工程師，主要從事電動(dòng)工具安全和性能檢測(cè)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