低溫對滾動(dòng)軸承運(yùn)行的影響

江慧敏 姚艷

摘 要：針對低溫狀況下軸承徑向變形量變化對設(shè)備工作狀態(tài)的影響情況，分析了發(fā)生問題的原因，提出了解決問題的方法，設(shè)計(jì)出了滿足用戶要求的結(jié)構(gòu)方式。

關(guān)鍵詞：溫度；轉(zhuǎn)動(dòng)

1 前言

設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一項(xiàng)重要因素就是必須要滿足環(huán)境的使用要求，本文主要分析了一種設(shè)備，觀察它在低溫環(huán)境中轉(zhuǎn)動(dòng)力矩偏大的現(xiàn)象，并詳細(xì)分析計(jì)算了它的結(jié)構(gòu)因素，然后設(shè)計(jì)了一種新的結(jié)構(gòu)形式，以滿足用戶的需求，實(shí)驗(yàn)證明，這種新的結(jié)構(gòu)形式能夠滿足設(shè)備的每一項(xiàng)技術(shù)要求。

2 結(jié)構(gòu)形式

設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，設(shè)備外殼為鑄鋁合金件，設(shè)備外殼內(nèi)部安裝有軸承，軸承的材料是鉻鋼，設(shè)備外殼內(nèi)部尺寸是590mm。

根據(jù)GB275-84（滾動(dòng)軸承和外殼配合）中的軸承安裝具體要求，我們可以選擇以下幾種尺寸的差數(shù)值：

設(shè)備外殼型號和尺寸為：Φ590H7（0，+0.07）軸承外圈的尺寸為：Φ590h6（-0.04，0）

設(shè)備的配合形式為精密配合，這種設(shè)備遇到低溫的環(huán)境，其中的鋼和鋁由于熱脹冷縮會出現(xiàn)收縮變形的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致設(shè)備軸承外圈不得不擠壓滾珠，進(jìn)而減小軸承之間縫隙，增大軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的靜摩擦力，引起轉(zhuǎn)動(dòng)力矩偏大。

3 理論分析

3.1 溫度變化引起尺寸變形分析

由于鑄鋁合金的線膨脹系數(shù)（18.44～24.5×10-6/℃）是一個(gè)變動(dòng)范圍，以下按鑄鋁合金的線膨脹系數(shù)最小、最大和平均值來分別計(jì)算當(dāng)溫度變化時(shí)外殼、軸承外圈的尺寸變形量。方位殼體和軸承外圈溫度變化為-40℃時(shí)的尺寸變形量見表1。

3.2 理論尺寸分析

方法一：從表1可以看出，如果不考慮材料的彈性模量，當(dāng)環(huán)境溫度降低到-40℃時(shí)，設(shè)備外殼會向內(nèi)收縮-0.65mm，軸承向內(nèi)收縮-0.4mm，如果按照最大的加工量進(jìn)行計(jì)算，那么尺寸差距為

-0.65-（-0.4）+0.07-（-0.04）=-0.14mm

上述計(jì)算證明在不考慮材料彈性模量的情況下，設(shè)備的外殼會向內(nèi)收縮0.14mm，這樣軸承之間的間隙則為0.01～0.04mm，變形使軸承的縫隙減少，進(jìn)而增大了軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩。

方法二：各種材料均有彈性模量，大于軸承外圈的收縮量，這時(shí)殼體將給軸承外圈施加擠壓力，從而引起軸承外圈收縮變形，軸承外圈將產(chǎn)生一個(gè)反擠壓力，當(dāng)求出擠壓力和反擠壓力達(dá)到平衡時(shí)兩者的變形量，就可知道這時(shí)軸承外圈的收縮變形量，也就知道軸承游隙的減少量。

軸承外圈的收縮變形量的近似計(jì)算方法如下：確定材料線脹系數(shù)軸承為鉻鋼α1=11.2×10-6，殼體為鋁合金取平均值α2=21.47×10-6；

軸承厚度為t1=32.5mm，殼體厚度為t2=35mm；

彈性模量鉻鋼為E1=206GPa，殼體為E2=69GPa；

按常溫20℃，低溫-40℃計(jì)算，環(huán)境溫度變化量為=20-（-40）=60℃，

根據(jù)材料力學(xué)定理，計(jì)算如下：

軸承的線應(yīng)變?yōu)椋?/p>

軸承的徑向變形量為：×590= -0.096mm。因?yàn)檩S承之間的游隙為0.01～0.04mm，那么處于-40℃的環(huán)境中時(shí)，軸承的徑向變形量開始超過軸承游隙的減少量。對上述的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合設(shè)備的裝配實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)：設(shè)備外殼的收縮變形量在溫度降低的時(shí)候會大于軸承外圈的收縮變形量，設(shè)備外殼的殼體會對內(nèi)部施壓，從而導(dǎo)致軸承外圈收縮變形，進(jìn)而引起軸承游隙的減小，同時(shí)使軸承的靜摩擦力矩加大。

當(dāng)溫度相同時(shí)，還要分析軸承的個(gè)別化現(xiàn)象。常溫下，軸承的靜摩擦力矩變大，在低溫環(huán)境中，軸承之間的游隙會變小，同時(shí)軸承的靜摩擦力矩也會隨之增大。這些都是導(dǎo)致軸承轉(zhuǎn)動(dòng)困難的主要原因。

4 結(jié)論

根據(jù)前述的分析及試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

a.低溫下鑄鋁合金件和軸承在降溫過程中由于不同材料的線膨脹系數(shù)使零件產(chǎn)生的變形量不同而引起的軸承游隙減小是設(shè)備靜摩擦力矩增大的關(guān)鍵原因，即使在負(fù)游隙下軸承仍然能夠正常工作，但由于軸承的摩擦力矩太大就會造成軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)困難。

b.影響軸承摩擦力矩的因素有很多，主要有軸承徑向游隙、軸承之間的配合間隙以及設(shè)備的外殼等。軸承之間的游隙和配合間隙增加，軸承在常溫下的靜摩擦力矩就會變小，而在低溫的環(huán)境中，軸承轉(zhuǎn)動(dòng)會更加靈活。

5 設(shè)計(jì)改進(jìn)

為了滿足低溫環(huán)境中設(shè)備的正常使用，還需要對軸承的加工離散型進(jìn)行設(shè)計(jì)，以消除設(shè)備在不同環(huán)境中的不適應(yīng)性，改進(jìn)并完善設(shè)備的局部構(gòu)造，盡可能減小由于溫度變化而造成的軸承游隙改變。下面對具體的設(shè)計(jì)作如下介紹：

設(shè)備的材料不同，線脹系數(shù)也不同，當(dāng)設(shè)備外殼出現(xiàn)收縮變形時(shí)，就會對內(nèi)部的軸承進(jìn)行擠壓，導(dǎo)致軸承外圈出現(xiàn)變形，減小軸承游隙，進(jìn)而使軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)出現(xiàn)困難。只要注意控制軸承外圈的變形量就可以使軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)更加靈活。

如果設(shè)備外殼開始擠壓內(nèi)部的軸承外圈，軸承外圈的收縮變形會隨著接觸面積的變化而變化，具體的減小軸承外圈變形量的方案為：由徑向壓強(qiáng)false，其中：

false代表壓強(qiáng)

t代表設(shè)備的外殼壁厚

d代表設(shè)備外殼直徑

false代表軸承徑向壓應(yīng)力（溫度保持不變，那么數(shù)值也不會出現(xiàn)變化）

可知：設(shè)備的外殼和軸承之間的壓強(qiáng)始終保持不變。

從壓力F=false中得知，如果減小接觸面的面積，那么接觸壓力也會隨之減小，軸承外圈徑向的變形量也會減小，直到接觸面積減小到原來的十分之一時(shí)，軸承的形變量為0.095xfalse=0.0095mm，這個(gè)時(shí)候，軸承的游隙大于軸承的徑向變形量，而且設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。

設(shè)備的軸承直徑是590mm，周長為πd=3.14×590= 1853.53mm，要保證軸承連接具有足夠的強(qiáng)度，然后沿著圓周方向開出八處缺口，將八處的弧面進(jìn)行保留，每一處的弧面長度為1853.53/10/8=23.1，圓取整數(shù)為20mm。具體見圖2。

按圖對設(shè)備外殼和軸承配合部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在不影響配合定位精度的前提下，減小了軸承由于設(shè)備外殼和軸承線脹系數(shù)不一致所承受的壓縮面積，使軸承游隙在低溫下的變化量控制在一定范圍，進(jìn)而盡可能消除軸承特性的離散性對設(shè)備性能的影響。

6 試驗(yàn)

按照上述方法來加工設(shè)備的殼體，并對設(shè)備進(jìn)行低溫驗(yàn)證，-40℃時(shí)測試的力矩比較，見表2。

在低溫的環(huán)境下，按照圖示進(jìn)行加工可以有效減少殼體的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，并說明在設(shè)備的正常工作范圍內(nèi)，使用此設(shè)計(jì)方法，從而達(dá)到用戶的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]張新占.材料力學(xué)原理[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[2]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

（作者單位：西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司）