呂學(xué)基 李寧

(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,遼寧沈陽 110043)

滾動軸承技術(shù)發(fā)展綜述

呂學(xué)基 李寧

(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,遼寧沈陽 110043)

滾動軸承是發(fā)動機(jī)關(guān)鍵組件,其摩擦力矩低,受力變化敏感性小,能同時(shí)承受軸向和徑向聯(lián)合載荷,且能適應(yīng)較大范圍的載荷和速度,因此國內(nèi)外對其預(yù)研和發(fā)展十分重視。本文介紹了滾動軸承的種類、原材料、壽命、質(zhì)量控制措施,展示了滾動軸承技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀以及未來前景。

滾動軸承 軸承鋼

1 滾動軸承的基本概念

滾動軸承泛指利用球或滾子的滾動實(shí)現(xiàn)最小摩擦,并限制一個(gè)物體相對另一個(gè)物體運(yùn)動的各種類型軸承。大多數(shù)滾動軸承用來使軸相對于某固定結(jié)構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,而有些滾動軸承則用來作平移運(yùn)動,即在靜止軸上作往復(fù)直線運(yùn)動,只有很少的軸承能同時(shí)使部件作相對直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。通常滾動軸承總具有一組鋼球或滾子,用來支承軸并固定在軸承座中,作用是保持軸在徑向空間的正確位置。一般來說軸承包括內(nèi)圈和外圈,每個(gè)套圈都有一個(gè)淬硬的滾道,淬硬的鋼球或滾子沿滾道滾動。球和滾子通常稱為滾動體,一般由保持架使它們保持一定的周向間隔。

2 滾動軸承的種類

滾動軸承基本分為十大類：向心球軸承、雙列向心球軸承、向心圓柱滾子軸承、向心球面滾子軸承、滾針軸承、螺旋滾子軸承、向心推力球軸承、圓錐滾子軸承、推力球軸承、推力滾子軸承。

滾動軸承依其是否增加防塵蓋、密封圈,套圈是否剖分,保持架種類的不同,是否有裝球缺口,軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同等等又可派生出不同的軸承種類。有關(guān)資料表明,滾動軸承的種類已達(dá)數(shù)萬種。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,許多特殊類型軸承已經(jīng)開始得到應(yīng)用,例如空氣軸承、箔片軸承、磁力軸承、流體靜壓軸承和流體動壓軸承、薄壁軸承、單元軸承、空心滾動體軸承、陶瓷軸承、橢圓套圈軸承,智能軸承、自潤滑軸承、非金屬材軸承、高真空軸承、靜音軸承、低溫軸承、高精度軸承、高轉(zhuǎn)速軸承等等。

3 滾動軸承的材料

滾動軸承的滾動體和套圈通常是用淬火硬度很高,至少是表面淬火硬度很高的鋼材制造的。迄今為止世界軸承工業(yè)中使用的材料主要是高碳鉻鋼、碳素鋼、滲碳鋼、不銹鋼、高溫鋼,也有塑料和陶瓷以及其它一些新型鋼種。據(jù)統(tǒng)計(jì),軸承行業(yè)用于制造軸承零件的鋼號在100種左右。但不論采用什么材料,至少要求軸承零件工作表面有很高的硬度。

其中高碳鉻軸承鋼都是以GCr15鋼號為基礎(chǔ),發(fā)展起來的一系列高淬透性鋼,如美國的52100系列,德國的1000CrMo系列,日本的SUJ系列等,這種軸承鋼既有滲碳鋼滲碳淬火的優(yōu)越性能,又節(jié)約了合金滲碳鋼的鋼材成本,目前應(yīng)用最為廣泛。

碳素軸承鋼具有很好的純潔性,如美國的1070鋼,日本的S53C鋼等。

滲碳軸承鋼含碳量較低,斷裂韌度好,如美國的CBS100和M315,英國的MSR6027等。

不銹軸承鋼具有較好的耐腐蝕性,如美德聯(lián)合研制的Cronidur30,法國研制的XD15N等。

高溫軸承鋼主要用于具有高溫環(huán)境的航空航天發(fā)動機(jī)心臟部位,如美國的440C、M10,英國的MSRR6015,俄羅斯的P18、ЭИ347等。

當(dāng)代軸承的材料已不僅僅局限于金屬,非金屬材料也已經(jīng)開始大量應(yīng)用,最近成功研制出的氮化硅陶瓷材料,就可用于代替軸承鋼制造適用于高速、高溫場合下的滾動體。這種材料具有質(zhì)量輕、抗壓強(qiáng)度高、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),而且可以采用固體潤滑劑潤滑,即便短時(shí)間沒有潤滑也不會產(chǎn)生危險(xiǎn)的膠合現(xiàn)象,可在真空環(huán)境下使用。雖然耐沖擊性還較差,造價(jià)也偏高,但隨著科技的進(jìn)步,其在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用前景十分可觀。

4 滾動軸承的壽命

滾動軸承雖有很多優(yōu)點(diǎn),但也有較大的缺點(diǎn),即使軸承潤滑良好、安裝正確、防塵防水合理、運(yùn)轉(zhuǎn)正常,也會因滾動表面的疲勞而損壞。通常認(rèn)為滾動軸承具有與燈泡和人類一樣的統(tǒng)計(jì)壽命分布,即威布爾分布。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織給出了滾動軸承的壽命方程。

Ls＝α1α2α3(C／P)ε。

其中C：基本額定動負(fù)荷,表示軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的承載能力;P：當(dāng)量動負(fù)荷;Ls：與使用概率S(即可靠性)對應(yīng)的疲勞壽命：ε：球軸承時(shí)ε=3,滾子軸承時(shí)ε＝10／3;α1,：可靠性系數(shù);α2：材料系數(shù);α3：使用條件系數(shù)。從以上壽命方程可見,軸承的疲勞壽命不僅與軸承的承載能力有關(guān),而且與軸承的使用工況和軸承的材料有關(guān)。如普通冶煉的軸承鋼α2=1,而真空重熔的軸承鋼α2＝5,軸承疲勞壽命提高了5倍。具有了很高的幾何精度、極其平滑的滾動接觸表面。

現(xiàn)代煉鋼技術(shù)的發(fā)展提供了極其均勻的高純度軸承鋼;現(xiàn)代密封技術(shù)和潤滑劑過濾技術(shù)有助于降低有害雜質(zhì)進(jìn)入軸承接觸表面的可能性,所有這些技術(shù)都可以顯著降低滾動軸承發(fā)生接觸疲勞破壞的可能性。許多輕載應(yīng)用場合,疲勞壽命已不是設(shè)計(jì)必須考慮的主要問題,如滾動體的最大接觸應(yīng)力計(jì)算值在2000MPa以下的,可不考慮軸承的疲勞壽命,即軸承壽命為無限壽命。

5 滾動軸承的質(zhì)量控制措施

滾動軸承從原材料投產(chǎn)到最后的成品裝配,須經(jīng)過種種質(zhì)量控制工序。在硬件方面,可靠性要求比較高的軸承,在原材料階段,進(jìn)廠要復(fù)驗(yàn),要進(jìn)行化學(xué)、低倍、夾雜物、退火組織試樣的檢查,合格后整批材料還要進(jìn)行超聲波無損探傷檢查和外觀目視檢查。在熱處理階段,每一爐要進(jìn)行取樣檢查淬回火組織、硬度、酸洗檢查。在磨加工階段,要進(jìn)行兩次酸洗檢查和一次磁粉探傷,可靠性要求較高的還要進(jìn)行熒火磁粉探傷和x射線探傷檢查。在軟件方面,軸承制造廠通過強(qiáng)化質(zhì)量管理措施,施行特殊的控制程序,嚴(yán)格管理軸承原材料的采購、軸承批次、冷熱加工、工、模、夾具、生產(chǎn)環(huán)境、加工設(shè)備、檢驗(yàn)、測量、試驗(yàn)設(shè)備、檢驗(yàn)和試驗(yàn)狀態(tài)。以此來連續(xù)穩(wěn)定地提供質(zhì)量可靠的產(chǎn)品。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷提升,對滾動軸承的要求也越來越高。一些新的無損檢測技術(shù)正投入使用：檢測軸承工作表面殘余應(yīng)力的巴克豪森噪音分析法、檢查表面以下裂紋、疲勞損傷和夾雜物的磁波法等。

6 結(jié)語

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和新材料、新工藝、新裝備、新技術(shù)的廣泛應(yīng)用,對滾動軸承產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了革新性甚至革命性的重大影響。滾動軸承產(chǎn)品作為一種載體,無論在類型、品種和規(guī)格上,還是在質(zhì)量、性能和壽命上,均將充分體現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步所帶來的巨大變化,相信未來還會有許多更加先進(jìn)的產(chǎn)品涌現(xiàn)。

[1]頓涌泉,吳鑫,王統(tǒng)建,王世鋒,王世保.滾動軸承制造裝備.機(jī)械工業(yè)出版社,2006年.

[2]哈里斯,科茲拉斯.滾動軸承分析：第2卷軸承技術(shù)的高等概念.機(jī)械工業(yè)出版社,2010年.