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        保持架兜孔形狀對高速球軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩的影響

        2015-08-01 04:58:22徐俊楊雷李娟于曉凱尹延經(jīng)
        軸承 2015年7期
        關(guān)鍵詞:套圈保持架球體

        徐俊,楊雷,李娟,于曉凱,尹延經(jīng)

        (1.洛陽軸研科技股份有限公司,河南 洛陽 471039;2.駐中國空空導(dǎo)彈研究院軍事代表室,河南 洛陽 471039)

        軸承保持架的幾何特性以及由此引起的不穩(wěn)定性一直是高速精密球軸承設(shè)計(jì)中必須考慮的重要因素之一。通常在設(shè)計(jì)保持架時(shí),必須考慮內(nèi)外徑的同心度、保持架壁厚、兜孔間的尺寸差、兜孔幾何形狀和兜孔尺寸等參數(shù)。下文主要分析保持架兜孔幾何形狀對高速精密球軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩的影響。

        1 高速球軸承保持架結(jié)構(gòu)

        目前高速精密球軸承普遍采用工程塑料實(shí)體保持架,其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。保持架兜孔幾何形狀大多為圓形和方形,加工方法主要是采用車加工。

        圖1 實(shí)體保持架兜孔幾何形狀

        2 理論分析

        在高速精密球軸承中保持架是一個(gè)自由體,在外力的引導(dǎo)下產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),當(dāng)其與套圈作相對運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),如果是同心運(yùn)動(dòng),在各個(gè)方向上所受的力可能是相等的,即保持架在一個(gè)平衡外力作用下仍保持平衡,但實(shí)際上由于球體作用于保持架上的力以及保持架自身質(zhì)量的不均勻性,使保持架所受的外力不可能為一個(gè)平衡力,將導(dǎo)致保持架產(chǎn)生偏心運(yùn)動(dòng),即常見的渦動(dòng)。偏心渦動(dòng)越大,軸承工作時(shí)的內(nèi)在功率損耗越大,即軸承摩擦力矩越大[1]。

        在高速精密球軸承中球體和保持架之間發(fā)生彈性接觸,保持架兜孔與球體法向作用力Qcj的計(jì)算式為[2]

        (1)

        式中:zcj為第j個(gè)兜孔中心位置與其對應(yīng)的鋼球中心的位移;Kc為試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的線性逼近常數(shù),對于球軸承取Kc=11/Cp;Cp為保持架兜孔間隙,Cp=0.5(Dp-Dw);Dp為保持架兜孔名義直徑;Dw為鋼球直徑;Kn為球與保持架兜孔接觸處的載荷-變形常數(shù),其值可取為

        (2)

        k=1.033 9(Rη/Rξ)0.636 0,

        (3)

        R=RξRη/(Rξ+Rη),

        (4)

        (5)

        Rη=0.5Dw,

        (6)

        ε=1.000 3+0.596 8Rξ/Rη,

        (7)

        Γ=1.527 7+0.602 3ln(Rη/Rξ) 。

        (8)

        分析以上各式可知,方兜孔與圓兜孔相比,各種參數(shù)存在如下關(guān)系:1)當(dāng)Rξ減小時(shí),系數(shù)k,R,Γ均減??;2)當(dāng)ε減小時(shí),Kn,Qcj均減小。

        由于保持架是一個(gè)能量耗散零件,其運(yùn)動(dòng)能量全部來自于套圈和球體,當(dāng)高速精密球軸承保持架為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),保持架與套圈不存在“嘯叫”現(xiàn)象[3],球作用于保持架的力越小,軸承的動(dòng)態(tài)摩擦力矩越小。

        3 試驗(yàn)驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證上述理論的正確性,選用7004AC TN3/HV P4軸承進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)軸承采用背靠背安裝(圖2),引導(dǎo)方式為外圈引導(dǎo),試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min,采用保持架含油潤滑方式潤滑。

        圖2 高速精密球軸承安裝示意圖

        為消除其他因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響,假設(shè)預(yù)緊力、兜孔間隙、含油率等參數(shù)均不變,分別對編號為1#和2#的2組電動(dòng)機(jī)軸承進(jìn)行試驗(yàn)。先將圓兜孔保持架裝入電動(dòng)機(jī)軸承中進(jìn)行150 h常溫運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),再將方兜孔保持架裝入同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)軸承中,同樣進(jìn)行150 h常溫運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)后1#,2#電動(dòng)機(jī)軸承基本性能參數(shù)見表1,動(dòng)態(tài)摩擦力矩曲線如圖3、圖4所示。

        表1 不同兜孔時(shí)1#,2#電動(dòng)機(jī)軸承性能參數(shù)對比

        圖3 不同兜孔時(shí)1#電動(dòng)機(jī)軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩曲線

        圖4 不同兜孔時(shí)2#電動(dòng)機(jī)軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩曲線

        由表1可知,2種兜孔保持架的軸承聲音均正常,與圓兜孔相比,采用方兜孔保持架時(shí)電動(dòng)機(jī)軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩更小。

        由圖3、圖4可知,采用方兜孔保持架時(shí),初始階段軸承摩擦力矩值較大且波動(dòng)較大,但隨著時(shí)間的推移,軸承摩擦力矩急劇減小,且波動(dòng)很小。分析認(rèn)為,初始階段軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩波動(dòng)較大可能是由保持架機(jī)械加工毛刺、保持架出油率不穩(wěn)定等因素所致,經(jīng)過跑合后,軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩變小并逐漸保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

        試驗(yàn)后分別對2臺(tái)電動(dòng)機(jī)軸承進(jìn)行分解,對保持架進(jìn)行分析,其形貌如圖5、圖6所示。

        圖5 試驗(yàn)后1#電動(dòng)機(jī)軸承保持架分解圖

        圖6 試驗(yàn)后2#電動(dòng)機(jī)軸承保持架分解圖

        由圖5、圖6可知,保持架兜孔均有明顯的摩擦接觸痕跡,在其他條件不變的情況下,更換方兜孔保持架后,保持架兜孔與鋼球的接觸痕跡小而均勻,組件的電流變化更加平穩(wěn),保持架磨損得以改善。

        4 結(jié)束語

        試驗(yàn)結(jié)果表明,在相同工況條件下,與圓兜孔保持架相比,采用方兜孔保持架時(shí)軸承的動(dòng)態(tài)摩擦力矩較小且穩(wěn)定。文中是在常溫狀態(tài)下進(jìn)行的驗(yàn)證試驗(yàn),在其他溫度環(huán)境下采用方兜孔保持架軸承的動(dòng)態(tài)摩擦力矩是否依然較小,還有待進(jìn)一步探討。

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