高速电主轴轴承在油-空气润滑下摩擦接触行为的研究

让高速设备平稳运转

从牙科钻头到为飞机和智能手机切削金属的高速机床，许多现代设备都依赖能以惊人速度旋转的小型滚珠轴承。如果这些轴承摩擦过大或过热，会迅速磨损、产生振动并破坏精度。本研究提出了一个简洁但关键的问题：怎样向这些高速运动部件供给润滑剂，才能让它们寿命更长、运行更凉爽？

给旋转轴承供油的三种方式

研究者把注意力集中在钢球与钢平盘的接触上，这一简化模型代表真实轴承内部表面。他们比较了三种常见的润滑方式：润滑脂、纯油以及一种称为油-空气润滑的油雾混合物。润滑脂易于施加但往往留在原位，液体油可滴入但可能不留在需要的位置，而油-空气则用气流携带细小油滴进入接触区。通过精确控制转速、压在球与盘之间的载荷、供油量和气压，团队观察每种方式对摩擦、温度和磨损的影响。

测量热量、阻力与磨损

在历时数小时、转速达数千转每分钟的测试中，团队测量了球与盘之间的摩擦力，并用红外相机跟踪接触区的温度变化。每次测试后，他们在显微镜下检查磨痕（称为磨损斑），观察其宽度和深度，并计算材料损失量。把实时测量与细致的术后成像结合起来，使他们能够直接将工况与表面损伤速度联系起来。

为何油与空气的组合更优秀

结果清楚地支持油-空气润滑。与润滑脂和纯油相比，油-空气混合物产生最低的摩擦并保持接触区温度更低——大致接近室温，而不是上升到40摄氏度以上。微观图像显示油-空气还留下最窄最浅的磨痕，磨损体积减少了超过80%。关键在于，气流不断将新鲜的微小油滴带入接触区，形成将金属表面分隔开的光滑油膜，同时流动的空气带走热量。相比之下，润滑脂可能在接触处被挤出，导致金属表面直接接触；纯油则会随着盘的旋转逐渐流失或被甩开。

寻找最佳工况

即便采用油-空气润滑，运行方式也很重要。较高的转速通过增强油膜略微降低了摩擦，但也增加了温度和磨损，因为表面相对滑动更频繁且油停留时间更短。增加载荷起初会提高摩擦和磨损，但当压力足够高以稳定油膜时摩擦会再次降低；同时，较高载荷仍倾向于提升温度。增加气压有如增强的冷却风扇，稳步降低温度而对摩擦影响不大。将油量增加到适度以上并不会显著改变摩擦，但过多的油会形成更厚的层，反而困住热量使冷却变差，尽管磨损斑尺寸有所减小。

对实际机器的意义

通俗地说，这项研究表明：用压缩空气携带少量、稳定的油雾供给，是保护高速旋转轴承的优越方法。它减少浪费能量的阻力，保持温度在安全范围内，并显著减缓金属表面的磨损。通过调节转速、载荷、气压和供油流量，使移动部件之间形成一层薄而稳定的油膜，设计师可以延长用于先进制造的高速主轴的寿命和精度，同时使用较少的润滑剂并避免过热问题。

引用: Jia, W., Guan, J., Gao, F. et al. Research on the frictional contact behaviors of high-speed motorized spindle bearing with oil-air lubrication. Sci Rep 16, 14352 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39860-2

关键词: 轴承润滑, 油-空气润滑, 摩擦与磨损, 高速主轴, 机床可靠性