高麗

（新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 哈密 839000）

1 四點(diǎn)接觸球軸承構(gòu)造和優(yōu)點(diǎn)

四點(diǎn)接觸球軸承是一種分離型軸承，這種軸承的內(nèi)圈溝道和外圈溝道是一種桃形的界面，在受到荷載作用時，接觸角會發(fā)生變化，其接觸面呈現(xiàn)為四點(diǎn)接觸。以負(fù)游隙四點(diǎn)接觸球軸承為例，四點(diǎn)接觸球軸承由于具備同時承受軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩的特性，能有效消除軸承內(nèi)部游隙，進(jìn)而在承受荷載時能大大減少變形，提升剛度，并減輕自身體積和質(zhì)量，在一些對運(yùn)轉(zhuǎn)速度要求較高、部件體積小的機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用較為廣泛。

2 影響四點(diǎn)接觸球軸承的接觸特性因素

在實(shí)踐中，四點(diǎn)接觸球軸承的內(nèi)部構(gòu)造對其接觸特性影響較大，具體從以下幾點(diǎn)展開分析：

2.1 游隙值對四點(diǎn)接觸球軸承的接觸特性影響

四點(diǎn)接觸球軸承游隙值的大小對接觸角有重要影響。在設(shè)計時，應(yīng)嚴(yán)格控制影響游隙值的因素。溝道的接觸點(diǎn)直徑、溝道曲率半徑誤差和處于同一套圈的內(nèi)外溝道之間曲率的一致性都對游隙值產(chǎn)生重要影響。因此，只有嚴(yán)格控制內(nèi)外溝道的加工誤差，減少對鋼球與溝道接觸位置的影響，保證接觸點(diǎn)直徑穩(wěn)定，才能保證合套率、游隙值和最終的接觸角正確。

控制好游隙值還有助于減少溝曲率誤差造成的接觸點(diǎn)位置變化，使軸承的實(shí)際接觸角大小更穩(wěn)定，進(jìn)而使得內(nèi)部的載荷分布更合理。以負(fù)游隙四球軸承為例，由于負(fù)游隙無法由儀器直接測出，受空間限制，只能通過裝配小尺寸球，建立一個將軸承處在正游隙值狀態(tài)的理論模型中進(jìn)行仿真計算，具體模型如圖1 所示。

圖1 球徑變化對四點(diǎn)接觸球軸承游隙的影響

在這一模型中，設(shè)定軸承內(nèi)外溝道的墊片角都為β，將小尺寸適配球置于其中時測得的徑向游隙值為Gt，而實(shí)際裝配用球與適配用球之間的直徑之差是 ΔWD ，則這兩種裝配用球?qū)е碌妮S承徑向游隙值變化如圖1 所示，具體的變化量如公式（1）所示：

而軸承的理論徑向游隙值的計算過程如公式2 所示：

所以，選擇一個合適直徑的適配用球?qū)τ谟蜗吨档目刂品浅Ｖ匾?，在具體的應(yīng)用過程中，應(yīng)遵循這一公式，觀察游隙值的變化，直至找出最佳理論仿真結(jié)果，并根據(jù)比例應(yīng)用于實(shí)踐。

2.2 軸承摩擦力矩對四點(diǎn)接觸球軸承的接觸特性影響

在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，軸承的摩擦力矩對其接觸特性有重要影響。軸承因其工作原理是一種巧用滾動和滑動摩擦而形成的固體潤滑，因此，轉(zhuǎn)速比較低。由于工作時轉(zhuǎn)速過低，球與內(nèi)側(cè)和外側(cè)溝道之間受到預(yù)緊力的作用會形成四點(diǎn)接觸，這些接觸點(diǎn)又都存在較大的自旋滑動。球相對于內(nèi)外溝道的轉(zhuǎn)速可分解為繞接觸點(diǎn)切線方向的角速度和繞接觸點(diǎn)法線方向的角速度。這一轉(zhuǎn)速可根據(jù)角速度矢量合成法進(jìn)行計算。

2.3 采用預(yù)跑合測試軸承接觸點(diǎn)潤滑薄膜

球相對內(nèi)外溝道的自旋分量所引起的滑動而產(chǎn)生的摩擦力矩是軸承旋轉(zhuǎn)時摩擦力矩的最主要來源。由能量守恒定律可知，在忽略軸承內(nèi)部影響較小的摩擦力的情況下，軸承的總摩擦損耗來自球與溝道接觸點(diǎn)處自旋滑動引起的摩擦功耗之和。

本研究以鍍膜MoS2的軸承在設(shè)定條件橫向載荷為200N、轉(zhuǎn)速為100rpm 的背景下，正面和反面各跑合30min，密切監(jiān)測這一過程中的動態(tài)摩擦力矩大小，最后測試啟動摩擦力矩。

MOS2膜最大的優(yōu)點(diǎn)是多組元離子之間的協(xié)同效能，有助于使?jié)櫥さ谋砻婧蛿嗝娼M織結(jié)構(gòu)致密化。通過沉積可以使得其與基體材料接觸部位形成一層最致密的潤滑薄膜，但是，當(dāng)累積到一定厚度時，潤滑薄膜的生長方式就可能出現(xiàn)比較明顯的變化，例如，膜的頂層會生成諸如柱狀或者是針狀的疏松組織結(jié)構(gòu)，極其容易受潮、氧化和脫落，會極大地影響軸承的潤滑性能，嚴(yán)重的還會影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，損壞價格昂貴的大型機(jī)械設(shè)備。

在實(shí)際應(yīng)用前，先進(jìn)行預(yù)跑合測試。跑合能將軸承與設(shè)備加以磨合，設(shè)定一段時間的磨合期有助于提升軸承的運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)行跑合后，適配球會與溝道接觸帶部分的潤滑膜進(jìn)行接觸，由于受到球不斷滾動的擠壓，二者交界處的頂層薄膜疏松結(jié)構(gòu)會逐漸脫落，底層的薄膜在壓力作用下愈加致密。

通過軸承跑合，可以獲得理論性的負(fù)游隙值。由于忽略了一部分實(shí)際存在的摩擦力矩，所以，實(shí)測值往往會比理論值大。但是，在多次理論和實(shí)測的對比中發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)游隙值的增大，理論計算值也會越來越趨近于實(shí)測值（一般會出現(xiàn)30%的浮動），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。因此，這一模型具有一定的參考價值。

表1 不同游隙值狀態(tài)下的摩擦力矩

2.4 接觸過程的損耗對四點(diǎn)接觸球軸承的接觸特性影響

接觸點(diǎn)部位的摩擦損耗關(guān)系著設(shè)備能否正常穩(wěn)定運(yùn)行。在轉(zhuǎn)動過程中，軸承損耗可分為初期、中期、峰值和晚期4個階段。初期階段，屬于正常損耗，一般不需要刻意維護(hù)，中期是損耗逐漸加劇的過程，這一過程中可以通過增加潤滑、調(diào)整游隙值對設(shè)備進(jìn)行初步維護(hù)，峰值和晚期非常值得關(guān)注。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)了較長時間，設(shè)備的潤滑效果大大降低，會發(fā)出較大的噪聲，接觸表面的薄膜和套合參數(shù)發(fā)生損耗和變化，需要及時更換潤滑薄膜和調(diào)整參數(shù)，保證設(shè)備及時恢復(fù)正常狀態(tài)，進(jìn)而提升四點(diǎn)接觸球軸承的接觸特性，保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，提升工作效率。這就要求對相關(guān)操作人員進(jìn)行崗前培訓(xùn)，使其熟悉四點(diǎn)接觸球軸承的接觸特性和工作原理，提升自己的專業(yè)能力，保證生產(chǎn)和實(shí)踐工作順利開展。

3 四點(diǎn)接觸球軸承在日常工作中的接觸損耗和維修建議

根據(jù)實(shí)踐數(shù)據(jù)，四點(diǎn)接觸球軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生振動，這是由于自身結(jié)構(gòu)、鋼球適配參數(shù)不合理和使用方法不當(dāng)。本研究重點(diǎn)分析了在軸承磨損過程中出現(xiàn)的振動情況。軸承的接觸表面受到的壓力和轉(zhuǎn)動速度對設(shè)備的損耗影響非常嚴(yán)重，一般會表現(xiàn)為在鋼球與內(nèi)外側(cè)溝道或保持架直接出現(xiàn)壓痕、裂紋等缺陷，進(jìn)而引發(fā)振動，產(chǎn)生周期性噪聲。在具體的應(yīng)用過程中，工作人員應(yīng)重視對噪聲的分析，根據(jù)四點(diǎn)接觸球軸承的潤滑特性及時維修設(shè)備?？梢試L試更換合適直徑的鋼球、采用致密性較好的潤滑薄膜、上機(jī)前采用預(yù)跑合測定軸承的摩擦力矩，及時調(diào)整游隙值。

4 結(jié)語

本研究提出了利用仿真適配模型檢測游隙值和預(yù)跑合測試來獲取最佳的軸承摩擦力矩，進(jìn)而調(diào)整四點(diǎn)接觸球軸承的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，使得軸承在上機(jī)過程中穩(wěn)定性更強(qiáng)。