博世电动工具（中国）有限公司　张永恩　方承志

全国滚动轴承标准化技术委员会秘书处　李兴林
浙江大学　余忠华

　　摘　要：滚动轴承作为旋转机械不可或缺的基础零件，被广泛地应用于包括电动工具行业在内的国民经济的各个领域。本文讨论了手持式电动工具用滚动轴承的主要性能要求，并分析了它们与GB3883.1-2008《手持式电动工具的安全 第1部分：通用要求》的联系与影响，相关内容可供电动工具企业，特别是其质量部门参考。

　　关键词：手持式电动工具；轴承；性能；安规

　　1　前言

　　手持式电动工具（以下简称“电动工具”）是由电动机或电磁铁驱动的、用来做机械功的装置，它被设计成由电动机与机械部分组装成一体，便于携带到工作场所并能用手握持或悬挂操作的工具，其安全和质量保证的重要环节须通过国家强制性标准的认证。比较常见的电动工具有：角磨机、圆锯、电钻、曲线锯、电锤和大理石切割机等，在机械、建筑、结构和林木等行业应用广泛。为了达到其功能设计要求，滚动轴承（以下简称“轴承”）的应用必不可少。
　　有研究表明，绝缘系统和轴承是导致电动工具故障失效比例较高的零部件。绝缘属于电气安全问题，很早便引起了人们的关注，随着绝缘技术的发展和电网质量的逐步稳定，其性能已得到大幅改进。而根据某企业市场部的调研，轴承失效已占产品问题反馈的相当比重。本文将以深沟球轴承为代表，在不考虑工具装配等因素的前提下，结合功能要求及安规的相关要求，介绍电动工具用轴承的较重要的工作性能。

　　2　密封性能

　　根据设计的要求，电动工具常采用两面带有密封圈或防尘盖的密封球轴承，此时须考虑其密封性能。密封性能主要包括轴承的防尘、漏脂和温升性能，GB3883.1-2008《手持式电动工具的安全 第1部分：通用要求》规定了其检测方法和限值。

　　（1）防尘性能

　　防尘性能是指在密封球轴承运转的过程中防止外界灰尘侵入轴承内腔的能力。

　　由于碳刷的磨损而形成的碳粉随着风扇的作用，会充斥到电动工具机壳里的各个部位，由此引起的电气安全方面的问题由安规中的耐久性试验来考核。另外，还应考虑到电动工具有可能应用在更恶劣工作场合，环境中细微的粉尘、锯末、水汽或铁屑等都会进入工具中，再加上工具内的碳粉，若轴承的防尘性能不好，则这些微小的粉尘颗粒很容易进入轴承内部，造成润滑脂被污染，从而影响到轴承润滑脂的润滑性能和寿命，严重时则导致轴承的早期失效。

　　（2）漏脂性能

　　漏脂性能是指在密封球轴承运转过程中防止轴承腔内润滑脂泄露到轴承外部的性能。润滑脂被称为轴承的第五大元件，轴承要可靠地运行，必须充分润滑以防止滚动体、滚道和保持架之间的金属直接接触。轴承的漏脂性能的好坏直接影响到轴承的润滑性能和其他工作性能，如温升、振动与噪声、摩擦力矩和寿命等。轴承漏脂见图1。

图1 轴承漏脂

　　GB3883.1认为油脂一般是不绝缘的，第21.14节规定“工具的结构不应使内部导线、绕组和换向器等带电零件与油脂或类似物质相接触”，此处一般理解为齿轮箱部分的润滑脂泄露。事实上，密封轴承的漏脂性能也与此密切相关。电动工具安规关注电气安全或由机械故障引起的电气安全，而本条恰恰表明轴承的漏脂性能不仅与工具的机械性能相关，而且还影响着工具的电气安全。另外笔者建议，在进行完GB3883.1的第17章耐久性试验之后，检查轴承的漏脂性能。如图1出现明显漏脂现象时，除了对漏脂性能进行评估外，还应检查结构是否可以符合GB3883.1第21.14节的要求。

　　（3）温升性能

　　温升性能是指轴承在运转过程中，其外圈表面Z高温度高出环境温度的程度。GB3883.1第12章规定了电动工具各主要部位的温升限值，进行第18章的过载试验时，工具内各部件的温度会随着载荷的增加而不断升高。考虑到轴承的失效会导致绝缘损坏而影响工具的安全，笔者认为有必要检测密封轴承外圈的温升情况。

　　根据轴承类型的不同，其本身有建议的Z高工作温度。对于密封轴承，其寿命还取决于润滑脂寿命等因素，而温升对润滑脂寿命有相当大的影响。另外温度上升意味着润滑脂粘度降低，使得油膜形成困难，从而导致更大的摩擦，使温度更高。若此时轴承的工作游隙因内外圈温度差增加而减小，Z终后果可能是轴承卡死。

　　3　振动与噪音性能

　　振动和噪声对人体的健康影响很大。日本政府已将其连同CO₂、废气等列入需测量、控制的有害污染。欧盟对此也极为重视，由其发布的机械指令有详细、明确的针对性条款。欧盟电动工具的安全规范（EN60745-1∶2009《手持式电动工具的安全 第1部分：一般要求；合并勘误表2009年12月》）在制定之初已率先对振动和噪音的测试方法进行了规定，并不断完善。尽管目前国内电动工具GB3883.1还没有这方面的强制性的要求，但随着对环保和用户关注的增强，相信在未来几年内会有所涉及。

　　轴承在运转过程中，除零件的一些固有的、由功能所要求的运动外的其他偏离理想位置的运动均称为轴承振动。当振动传播到辐射表面，能量便转换成压力波，经空气介质再传播出去即为声辐射。其中20Hz~20kHz部分为人耳可接收到的声辐射，即为轴承噪声。轴承的振动与噪音性能对电动工具整体的质量和性能有着很大的影响。轴承噪声的测量需在消音室内进行，但其建造成本高且不能在现场测试，一般只对振动性能做定量分析和评价。相关文献对轴承的振动和噪音性能进行了详细的研究。另有针对某角向磨光机的异常噪声所展开的测试分析表明：断续异常噪声主要来源于齿轮的啮合噪声，轴承噪声次之。

　　4　寿命及可靠性

　　广义的轴承寿命包括：明确了限制值的磨损、振动、噪音和密封等性能寿命和疲劳寿命。在实践中，疲劳是Z常见的失效形式，如图2所示。轴承的疲劳寿命（以下简称“寿命”）是指一套轴承在套圈或滚动体上出现疲劳扩展迹象前，能够运行的转数或一定速度下工作的小时数。产品的可靠性是指产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。

图2 轴承的保持架失效

　　电动工具作为工业消费品，其安全性能一直是人们关注的焦点，但在产品安全性基本相同的前提下，高的寿命及可靠性就成为其竞争优势之一。针对出现用户为新产品自行更换质量和性能较好的轴承的事例，由此应引起行业的反思和行动。

　　目前电动工具行业还没有制定寿命及可靠性的有关标准。实践中考核电动工具寿命及可靠性的试验可分为三种：空载耐久（GB3883.1第17章）、模拟加载和实际工作。电动工具是一个串联的机电系统，其寿命及可靠性受制于某个Z薄弱的零部件，而当轴承出现失效时，会出现摩擦力矩增大、堵转等现象，并导致绝缘损坏甚至烧机，严重影响电动工具的安全和性能。所以说，进行上述试验的同时，也是在考核轴承本身的寿命及可靠性。对电动工具来说，理想的情况是轴承可以与其他部件做到同寿设计而达到技术性和经济性的良好结合。而实际上，整机或轴承的寿命具有相当大的离散性，只能以统计学的方式予以预计。

　　笔者建议制定相应的规范以进一步提高电动工具产品的寿命及可靠性，并在深入研究失效机理的基础上进行加速试验的测试与评估。

　　5　其他

　　尺寸精度的一致性，可保证轴承性能的稳定，不至于使整机的质量离散性过大。特别是内径、游隙和装配高等的一致性，将对轴承振动、噪声、寿命和可靠性的稳定产生很大影响。

　　GB3883.1第11章要求“电动工具的额定输入功率或电流应至少为空载输入功率或电流的110%”。这意味着在电动工具空转时，包括轴承在内的各部件的摩擦力矩不能过大。一般情况下，此条都能满足。

　　涉及GB3883.1标准的IECEE-263号CTL（检测实验室委员令）决议规定了即使是有接地的I类工具，易触及的电机轴与电枢绕组和换向器也要由基本绝缘隔离变为双重绝缘或加强绝缘隔离（Ⅱ类结构），从而使电机转子的绝缘及制造工艺变得复杂了许多，也增加了生产厂家的制造成本。但为何要做如此规定呢？因为通过轴承与接地外壳的连接被认为不是永久和可靠的连接，即考虑到油膜或游隙的存在，不认为轴承是可靠的导体。可以想像，如果易触及的电机轴带电，则电流却不会沿着“电机轴→轴承→金属外壳→地”的路线被导走，从而有使操作者触电的可能性。

　　6　结束语

　　影响手持式电动工具质量的因素较多，本文探讨了与其安全标准相关的轴承性能，主要包括密封性能、振动与噪声和寿命及可靠性等。轴承作为实现电动工具功能设计的重要零部件，除了正确选用轴承和关注其成本外，电动工具厂家应重视轴承本身的性能和质量，以确保整机的质量。由于检测设备和能力的限制，评价轴承质量与性能的工作可以委托给有检测能力的第三方检测机构进行。

来源：《机械工业标准化与质量》2014年第7期