李亮，李鴻亮，胡明，金杰，胡甫

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.中國科學院蘭州化學物理研究所 固體潤滑國家重點試驗室，蘭州 730000；3.北京交通大學，北京 100091)

目前，固體潤滑軸承以其無污染、寬溫、抗輻照等優(yōu)點，主要應用于低速或間歇式運轉的空間機構領域，獲得了國內(nèi)外廣泛關注[1-9]。

固體潤滑軸承的研究限于低速運轉工況，文獻[10]開展固體潤滑軸承的壽命預測研究，最高速度為380 r/min。隨著空間技術的發(fā)展，對固體潤滑軸承的高速性能提出了更高要求。軸承轉速的不斷提升也帶來許多不利的影響：高速效應引起鋼球的公轉滑動和自旋滑動增加，使鋼球與溝道的滑動加劇，摩擦發(fā)熱增多，因其無冷卻系統(tǒng)，必然導致溫度升高，嚴重影響軸承運轉性能和可靠性；高速效應加劇了鋼球與保持架兜孔、溝道的摩擦磨損，易造成潤滑膜堆積，使摩擦力矩增大，進而導致軸承精度失效[11]， 甚至出現(xiàn)卡滯、卡死現(xiàn)象；高速效應加大鋼球對保持架兜孔及保持架與引導擋邊的沖擊、碰撞，引起保持架不穩(wěn)定運轉，磨損加劇，嚴重時可導致保持架斷裂[12]。

本文針對高速固體潤滑軸承的工況條件及性能要求，分析了主參數(shù)對軸承性能的影響，優(yōu)化了719/7軸承的結構參數(shù)，并開展轉速為4 000 r/min的試驗驗證。

1 軸承設計分析

1.1 軸承工況條件及性能要求

高速固體潤滑球軸承719/7外形尺寸為φ7 mm×φ17 mm×5 mm，轉速為4 000 r/min，內(nèi)、外圈及鋼球采用G95Cr18不銹軸承鋼材料，內(nèi)、外圈溝道鍍WS2膜，保持架采用聚酰亞胺基復合材料，軸承預緊力8 N，真空度1×10-5Pa工況下，壽命要求4×108r。

1.2 主參數(shù)對軸承性能影響

固體潤滑軸承實際工作載荷較小，一般不會疲勞失效，而是潤滑失效或精度失效，與低速固體潤滑軸承相比，高速工況下因鋼球的公轉滑動和自旋滑動增大，以及鋼球與保持架的高頻剪切作用造成磨損物增多、堆積，將會帶來摩擦發(fā)熱增大、溫度升高，從而影響軸承性能，為實現(xiàn)固體潤滑軸承高速工況下的可靠運轉，分析主參數(shù)對軸承性能的影響。

1.2.1 套圈溝曲率半徑

內(nèi)、外圈的溝曲率半徑對高速軸承鋼球的公轉滑動速度和自旋滑動速度影響顯著，應合理地確定套圈的溝曲率半徑。文獻[13]表明高速軸承的套圈溝曲率半徑越大，利于降低鋼球的滑動速度和自旋速度，從而減小摩擦發(fā)熱，同時考慮固體潤滑軸承鋼球與套圈的接觸應力不大于800 MPa(經(jīng)驗值)，經(jīng)計算分析，套圈溝曲率半徑系數(shù)不能超過0.53，為此，給出了轉速為4 000 r/min，內(nèi)圈溝曲率半徑系數(shù)fi=0.53，外圈溝曲率半徑系數(shù)fe=0.52和內(nèi)圈溝曲率半徑系數(shù)fi=0.52，外圈溝曲率半徑系數(shù)fe=0.53兩種狀態(tài)719/7軸承每粒鋼球的自旋角速度、滑動速度以及滑滾比對比分析結果，如圖1所示。

(a)每粒鋼球自旋角速度變化

由圖1可知，內(nèi)圈溝曲率半徑較大時鋼球的滑動速度、自旋速度和滑滾比小，因此采用內(nèi)圈溝曲率半徑大于外圈溝曲率半徑可有效降低高速軸承的滑動速度、自旋速度和滑滾比，從而減少軸承發(fā)熱，利于軸承運轉。因此，優(yōu)化計算后719/7軸承內(nèi)圈溝曲率半徑系數(shù)fi取0.53，外圈溝曲率半徑系數(shù)fe取0.52。

1.2.2 球徑和球數(shù)

根據(jù)轉移膜形成機理可知，軸承轉一圈，鋼球自轉圈數(shù)越多越利于固體潤滑膜的轉移和軸承的潤滑，但對于高轉速工況，高頻剪切作用增強潤滑膜的轉移能力，為避免潤滑膜的堆積，影響軸承的性能，應減小鋼球自轉圈數(shù)。為此，其他結構參數(shù)相同，假定鋼球的自旋頻率相同，計算了不同球徑的鋼球自轉圈數(shù)，結果如圖2所示，可知軸承每轉一圈，球徑越小球自轉圈數(shù)越多，應選取較大的球徑。由于軸承截面單邊厚度為5 mm，考慮套圈工藝性，優(yōu)化計算后取球徑為3 mm。

圖2 軸承轉一圈，鋼球自轉圈數(shù)變化

球徑一定，球數(shù)越多，軸承的徑向基本額定靜載荷越大，其工作接觸應力越小，壽命越長，經(jīng)優(yōu)化計算，球數(shù)最多取7，此時，鋼球與溝道的最大接觸應力為715 MPa，滿足固體潤滑軸承鋼球與溝道的接觸應力不大于800 MPa(經(jīng)驗值)的要求。

1.2.3 接觸角

接觸角是角接觸球軸承的重要性能參數(shù)，它對軸承的載荷分布、軸向剛度、運動關系等都有影響，一般取15°，25°，40°。取內(nèi)圈溝曲率半徑系數(shù)fi=0.53，外圈溝曲率半徑系數(shù)fe=0.52，球徑為3 mm，球數(shù)為7，分析鋼球最大旋滾比隨接觸角的變化及軸承轉一圈鋼球自轉圈數(shù)隨不同接觸角的變化，如圖3所示：接觸角越小，旋滾比越?。唤佑|角越小，軸承轉一圈鋼球自轉圈數(shù)越少。因此，接觸角取15°，得到較小的旋滾比和鋼球自轉圈數(shù)。

圖3 接觸角與鋼球運轉性能的關系

1.3 保持架設計分析

保持架不直接承受外載荷，但軸承在高速運轉過程中，保持架轉速相對較高，其與鋼球、套圈擋邊碰撞、摩擦將增大，增大的離心力引起保持架變形，影響軸承的運轉穩(wěn)定性，因此，設計時應考慮保持架的強度、耐磨特性；同時，還應考慮因保持架與套圈、鋼球的材料不同，溫度變化環(huán)境下保持架的引導間隙和兜孔間隙對軸承性能的影響。經(jīng)計算分析，保持架采用外引導，外引導間隙與兜孔間隙的比值為1.5，利于保持架的運轉穩(wěn)定性。

1.4 軸承結構參數(shù)

以接觸應力和滑滾比為目標函數(shù)優(yōu)化軸承結構參數(shù)結果見表1。

表1 軸承結構主參數(shù)及性能參數(shù)

2 試驗驗證

2.1 試驗設備與條件

軸承試驗在自主研制的高真空固體潤滑軸承試驗機上進行，如圖4所示，可實現(xiàn)軸承在真空度范圍為1×10-5～1×10-3Pa，溫度范圍為10～90 ℃條件下的連續(xù)運轉。

圖4 高真空固體潤滑軸承試驗機

試驗選用優(yōu)化后的719/7軸承(3#和4#)，背靠背成對使用，轉速為4 000 r/min，不承受徑向載荷，軸向預緊力為8 N，對應的接觸應力為715 MPa。試驗時，軸承首先進行預跑合，當軸承溫度穩(wěn)定后(試驗初始溫度)開始計算，監(jiān)測軸承的摩擦力矩、溫度等參數(shù)，考核軸承壽命。溫度超過50 ℃時判定軸承失效，終止試驗。當試驗運轉圈數(shù)達4.1×108r時，檢測的軸承溫度已超過50 ℃而終止試驗，其溫度隨軸承運轉圈數(shù)的變化歷程如圖5所示。

圖5 軸承溫升隨試驗運轉圈數(shù)的變化歷程

2.2 試驗結果與討論

當溫度超過50 ℃時終止試驗停車，結果表明3#和4#軸承均通過了4×108r的長壽命高速運轉。試驗后3#和4#軸承零件顯微檢查結果基本相同，4#軸承顯微結果如圖6所示，其內(nèi)圈運轉軌跡基本正常，鋼球和內(nèi)、外圈溝道表面有較多的無規(guī)則黑狀物，保持架外徑面摩擦磨損痕跡較深，兜孔嚴重磨損，尤其是周向磨損較大。其中顯微檢查的無規(guī)則較大黑狀物為保持架的磨損物，分析認為隨著軸承運轉圈數(shù)的逐漸增多和保持架磨損量的逐漸增大，從保持架轉移至鋼球和溝道的自潤滑材料逐漸超出了軸承運轉潤滑的需要，逐漸增多的多余自潤滑材料引起軸承摩擦力矩增大，進而導致溫度升高，如圖5中運轉到4×108r時，自潤滑材料磨損物增多到一定程度后，因摩擦力矩增大使溫度急劇增大，達到停車的閾值。

(a)內(nèi)溝道

檢測試驗軸承清洗后的旋轉精度，滿足軸承圖樣設計要求，說明在高速運轉過程中鋼球與保持架的高頻剪切引起的磨損物增多、累積是影響軸承壽命的關鍵因素，因此要研制更高轉速、更長壽命的固體潤滑軸承，應盡可能提高保持架的耐磨損性能，以減少運轉過程中多余自潤滑材料的堆積。

3 結論

針對影響高速固體潤滑軸承性能的摩擦發(fā)熱及磨損物堆積問題，分析了軸承結構主參數(shù)對滑動速度、自旋速度和滑滾比的影響，以接觸應力和滑滾比為目標優(yōu)化了719/7軸承，并進行了試驗，得到以下結論：

1)通過降低鋼球的公轉滑動速度和自旋滑動速度，優(yōu)化軸承結構主參數(shù)，實現(xiàn)了固體潤滑軸承高速運轉。

2)研制的高速固體潤滑軸承，通過了轉速為4 000 r/min，運轉4×108r的長壽命試驗考核。