劉世亮，王學(xué)輝，崔明廣

（西北軸承股份有限公司 產(chǎn)品設(shè)計院，銀川 750021）

圓柱滾子軸承廣泛應(yīng)用于各類機械中，鑒于空心圓柱滾子可以更好地適應(yīng)振動沖擊載荷、改善軸承系統(tǒng)的冷卻條件，因而將無預(yù)載空心圓柱滾子應(yīng)用于重載、低速場合。滾子壓碎載荷指空心滾子碎裂時所承受的壓力，是其綜合力學(xué)性能的重要標志。滾子材料的原始組織和熱處理工藝，機械加工方法的表面幾何精度和表面質(zhì)量，測量模具的制造精度和測量方法均會影響空心圓柱滾子的壓碎載荷測定。文獻［1］介紹了實心小尺寸圓柱滾子壓碎載荷的試驗數(shù)據(jù)。目前對于尺寸較大圓柱滾子的研究較少，且專用試驗設(shè)備較少，制約了空心滾子壓碎載荷的測定。為進一步提高滾子軸承的可靠性，嘗試通過圓環(huán)理論計算出壓碎載荷，再進行空心滾子尺寸的選擇。

1 空心滾子壓碎載荷

1.1 空心滾子圓周最大應(yīng)力

在受載情況下，空心滾子在滾動一周時的應(yīng)力變化如圖1所示，滾子內(nèi)孔壁任意一點的彎曲正應(yīng)力都經(jīng)歷了從最大拉應(yīng)力（點2、點6）到最大壓應(yīng)力（點1、點5）的變化，完成一個循環(huán)；滾子外圓柱面上任意一點的彎曲應(yīng)力也經(jīng)歷了從最大拉應(yīng)力（點3、點8）到最大壓應(yīng)力（點4、點7）的變化。內(nèi)孔壁上的點比相應(yīng)外圓柱面上的點的彎曲應(yīng)力高 50% ～60%［2］。

圖1 最大圓周應(yīng)力及應(yīng)力變化趨勢Fig.1 Maximum hoop stress and stress variation trends

由對稱性可知，最大周向應(yīng)力在點1～點4上?？招臐L子多為厚壁，由圓環(huán)理論得滾子的周向應(yīng)力為［3］

式中：P為空心滾子單位長度的載荷，N／m；K為應(yīng)力系數(shù)；Re為空心滾子外表面的半徑，mm；Ri為空心滾子內(nèi)孔壁的半徑，mm。

滾子空心度用Ri／Re表示，應(yīng)力系數(shù)K隨空心度的變化見表1。對于空心度的中間值，K可由線性內(nèi)插法求得。

表1 K值Tab.1 K value

由表1及圖1可知：空心度越大，應(yīng)力系數(shù)越大，滾子內(nèi)孔壁的拉應(yīng)力也增大。空心滾子內(nèi)壁的最大等效應(yīng)力隨空心度的增大而增大，最大等效應(yīng)力位置隨空心度變化而沿壁厚方向有所轉(zhuǎn)移。在空心度較大時，滾子的等效應(yīng)力會超過外壁的等效應(yīng)力［4］。當空心滾子承載過大，使其內(nèi)壁應(yīng)力超過壓縮強度極限時，滾子產(chǎn)生碎裂［2］。

1.2 空心滾子的壓碎載荷

壓碎載荷是靜態(tài)下滾子破碎時所能承受的最大載荷。盡管壓縮強度極限不等同于該載荷；但壓碎載荷越大，則壓縮強度極限越高，滾子所能承受的交變載荷越大。

由（1）式得空心滾子單位長度的載荷為

根據(jù)空心圓柱滾子材料抗拉強度及滾子結(jié)構(gòu)參數(shù)，取（2）式的σ為材料抗拉強度Rm，則空心滾子的壓碎載荷為

式中：lw為滾子長度，mm；rmax為滾子倒角最大值，mm；lwe為滾子有效長度，mm。

2 實例分析

某平移裝置工況：平移裝置的每個滾子承受25 t的力，每年大概移動2～3次，每次平移平均距離為5 m，把圓柱滾子直接作為平移裝置的輪子使用。圓柱滾子尺寸為φ74mm×127mm，倒角為（2±0.7）mm。材料為SUJ2（相當于GCr15），淬、回火后硬度為57.5～61 HRC，屈服強度為1 370 MPa，抗拉強度為 1 570～1 960 MPa［5］。

2.1 壓碎載荷理論值

根據(jù)實際加工能力及承載能力，把滾子內(nèi)徑設(shè)計為φ22 mm，則滾子空心度為0.297 3。通過線性插值法得應(yīng)力系數(shù)K為-5.786 5，由（3）式得空心圓柱滾子的壓碎載荷為1 715.5～2 393.9 kN。

2.2 壓碎載荷試驗值

滾子端面硬度59 HRC，壓碎滾子試驗設(shè)備為1 250 t油壓機 ，油壓量程0～30 MPa。滾子壓碎瞬間儀表顯示值為7 MPa，根據(jù)油缸截面面積，換算后壓碎載荷約為2 200 kN。

該設(shè)備不是專用試驗設(shè)備，精度受限。但試驗結(jié)果基本與理論值吻合，試驗數(shù)據(jù)接近于理論計算值的中值，說明了該理論計算的正確性。

3 結(jié)束語

空心圓柱滾子壓碎載荷理論計算值與試驗值基本一致，說明可通過文中方法計算空心圓柱滾子壓碎載荷。多數(shù)工況下，滾動軸承主要失效形式為疲勞剝落而非碎裂。還需探討能否通過圓環(huán)理論計算出最佳空心滾子空心度，使得空心滾子內(nèi)孔表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力與材料的屈服應(yīng)力及滾子表面接觸疲勞應(yīng)力相匹配。