保持架間隙對角接觸球軸承保持架磨損的影響研究

溫保崗， 韓清凱， 喬留春， 周獻(xiàn)文

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.遼寧重大裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心, 遼寧 大連 116024)

滾動軸承廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)、精密機(jī)床、精密儀器等重大裝備，其性能與壽命直接影響裝備性能、可靠性和安全性。而滾動軸承保持架間隙直接影響其潤滑、油膜[1-2]、生熱[3]、噪聲[4]以及保持架運(yùn)動及穩(wěn)定性[5]，是滾動軸承設(shè)計和動力學(xué)分析中需要考慮的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。當(dāng)保持架間隙(兜孔間隙和引導(dǎo)間隙)設(shè)計不合理時，會引起保持架-滾動體、保持架-引導(dǎo)套圈的碰撞力及摩擦力迅速增加，導(dǎo)致保持架的復(fù)雜運(yùn)動[6]，加劇保持架的磨損，進(jìn)而降低保持架乃至軸承壽命。因此，本文針對保持架間隙對角接觸球軸承保持架磨損的影響開展研究，對于滾動軸承保持架優(yōu)化與設(shè)計具有重要工程實(shí)際意義。

保持架間隙對軸承影響得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。在理論研究方面，Gupta[7-8]基于ADORE滾動軸承動力學(xué)軟件研究了兜孔間隙與引導(dǎo)間隙對保持架運(yùn)動的影響，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)在給定保持架引導(dǎo)間隙條件下，增加兜孔間隙會使保持架的穩(wěn)定性變差，同時內(nèi)圈引導(dǎo)比外圈引導(dǎo)更易使保持架不穩(wěn)定。Ghaisas等[9]仿真研究了圓柱滾子軸承兜孔間隙與引導(dǎo)間隙比值對保持架穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)間隙比為0.2～0.8時保持架表現(xiàn)出良好的渦動穩(wěn)定性，隨著間隙比的增加，保持架質(zhì)心渦動軌跡變差，出現(xiàn)不穩(wěn)定渦動。Meeks[10]基于整體動力學(xué)模型，并以保持架兜孔和球之間最小磨損和最小接觸力為目標(biāo)優(yōu)化保持架兜孔間隙，結(jié)果表明當(dāng)保持架兜孔間隙與引導(dǎo)間隙比值>1時，會引起保持架不穩(wěn)定，但此時保持架與兜孔接觸力最小。葉振環(huán)等[11]依據(jù)建立的高速球軸承動力學(xué)模型分析了引導(dǎo)間隙及橢圓兜孔間隙對保持架穩(wěn)定性的影響規(guī)律，仿真結(jié)果表明減小兜孔間隙和增大引導(dǎo)間隙均能提升保持架的穩(wěn)定性。鄧四二等[12]在ADMAS仿真軟件平臺上建立高速圓柱滾子軸承動力學(xué)模型，研究保持架不同引導(dǎo)方式下的運(yùn)動影響規(guī)律，研究表明當(dāng)兜孔間隙與引導(dǎo)間隙比值<1時，保持架質(zhì)心軌跡基本為圓形，比值>1時保持架質(zhì)心軌跡變得混亂。

試驗(yàn)方面，Ryu設(shè)計加工不同間隙的圓形兜孔與橢圓兜孔的保持架，并進(jìn)行軸承噪聲振動及摩擦對比測試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大兜孔間隙有利于軸承的穩(wěn)定。Sathyan等[13]設(shè)計出不同形狀的保持架，并通過摩擦扭矩測試發(fā)現(xiàn)方形兜孔保持架比圓形兜孔保持架更加穩(wěn)定。方芳等[14]對具有不同兜孔間隙與引導(dǎo)間隙比的保持架進(jìn)行試驗(yàn)研究，并通過測試工作電流變化、主軸徑向振動速度值來評判軸承穩(wěn)定性，最終獲得保持架引導(dǎo)間隙與兜孔間隙最佳匹配比值。

目前，針對保持架間隙對軸承性能影響研究多數(shù)通過建立滾動軸承動力學(xué)模型研究保持架運(yùn)動及穩(wěn)定性，試驗(yàn)方面主要是通過測試軸承的振動、噪聲、扭矩、工作電流等來研究保持架間隙對軸承穩(wěn)定性的影響。保持架間隙對保持架的磨損研究，尤其試驗(yàn)研究鮮有報道。

本文以角接觸球軸承為研究對象，在分析保持架受力基礎(chǔ)上，定性分析了保持架間隙對角接觸球軸承保持架磨損影響。并設(shè)計三種不同兜孔間隙和三種不同引導(dǎo)間隙的保持架，并在軸承試驗(yàn)器上進(jìn)行試驗(yàn)，獲得保持架的磨損痕跡特征，對比分析不同兜孔間隙、引導(dǎo)間隙條件下的保持架兜孔、引導(dǎo)面磨損，揭示保持架間隙對角接觸球軸承保持架磨損影響規(guī)律。

1 保持架受力分析

保持架間隙一般是指引導(dǎo)間隙和兜孔間隙，如圖1所示為圓柱形兜孔、內(nèi)圈引導(dǎo)保持架。圖1中，Dp、Db分別為鋼球、保持架兜孔直徑；Dci、Dig分別為保持架內(nèi)表面直徑和內(nèi)圈引導(dǎo)面直徑。兜孔間隙為保持架兜孔與鋼球間的半徑間隙，表示為Cp=0.5(Dp-Db)。引導(dǎo)間隙定義為保持架引導(dǎo)面與引導(dǎo)套圈引導(dǎo)面的半徑間隙，表示為Cg=0.5(Dci-Dig)。Bg為保持架引導(dǎo)表面寬度。

保持架的磨損發(fā)生在與引導(dǎo)套圈、鋼球的接觸區(qū)域。根據(jù)Archard理論，接觸區(qū)域的磨損程度與磨損系數(shù)、表面法向接觸力和相對滑動距離成正比，與硬度成反比。當(dāng)保持架的材料與工況一定，保持架兜孔或者引導(dǎo)面的磨損正比于法向作用力。

圖1 保持架結(jié)構(gòu)間隙

圖2 保持架受力

保持架兜孔與鋼球間的非線性作用力表示為

fcbj=-μcFcbj

(1)

式中：Kc為保持架兜孔與鋼球接觸的負(fù)荷-變形常數(shù)；μc為保持架與鋼球間的切向摩擦因數(shù)；zcbj為第j個鋼球與保持架的相對位置。

由式(1)可以知，保持架兜孔與鋼球間相互作用跟兜孔間隙Cp以及保持架與鋼球的相對位置呈非線性關(guān)系。增加兜孔間隙，可減小保持架兜孔與鋼球的相互作用，進(jìn)而降低兜孔和鋼球的磨損。同時保持架兜孔與鋼球相互作用的變化，使保持架運(yùn)動發(fā)生變化，從而改變保持架與引導(dǎo)套圈間的相互作用，進(jìn)一步影響著保持架引導(dǎo)面的磨損。

內(nèi)圈引導(dǎo)保持架與內(nèi)圈引導(dǎo)面間的相互作用參考文獻(xiàn)[15]，表示為

(2)

式中：Rci為保持架引導(dǎo)面半徑；Rci=0.5Dci。ωi、ωc分別為內(nèi)圈、保持架轉(zhuǎn)動速度。

由式(2)可知，保持架與引導(dǎo)套圈相互作用力跟引導(dǎo)間隙與保持架平面運(yùn)動(yc，zc)呈非線性關(guān)系。增加引導(dǎo)間隙，使保持架引導(dǎo)面與引導(dǎo)套圈相互作用減小，進(jìn)而降低保持架引導(dǎo)面磨損。

2 軸承試驗(yàn)器及保持架

2.1 軸承試驗(yàn)器描述

設(shè)計搭建的滾動軸承試驗(yàn)器，如圖3(a)所示。由電機(jī)、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)軸、支承軸承、加載裝置、被測軸承等組成。轉(zhuǎn)軸由伺服電機(jī)驅(qū)動，柔性聯(lián)軸器用于隔絕電機(jī)的振動。被測軸承安裝在懸臂式轉(zhuǎn)軸上，通過加載裝置實(shí)現(xiàn)不同載荷工況條件模擬，如圖3(b)所示。加載裝置用于被試軸承的徑向和軸向加載，每個加載單元由加載螺栓(施加載荷)、力傳感器(測試載荷大小)組成。徑向載荷、軸向載荷可以直接通過加載螺栓實(shí)現(xiàn)徑向、軸向加載，力傳感器記錄對應(yīng)方向載荷大小。

(a) 軸承試驗(yàn)(b) 軸承加載裝置

圖3 軸承試驗(yàn)器

Fig.3 Bearing test rig

2.2 保持架設(shè)計

被測軸承為7013AC角接觸球軸承，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。保持架為內(nèi)圈引導(dǎo)，內(nèi)圈具有兩個引導(dǎo)面。

為了進(jìn)行引導(dǎo)間隙對保持架磨損影響的試驗(yàn)研究，本文設(shè)計3種不同引導(dǎo)間隙的保持架，保持架的內(nèi)表面直徑Dci分別為75.5 mm、75.7 mm、76.1 mm，因此引導(dǎo)間隙Cg分別為0.1 mm、0.2 mm、0.4 mm，兜孔間隙Cp均為0.1 mm，保持架外圈直徑為86.5 mm，寬度為26 mm，實(shí)物如圖4所示。

設(shè)計3種不同兜孔間隙的保持架進(jìn)行試驗(yàn)。保持架兜孔直徑Dp為11.3 mm、11.6 mm、11.9 mm，則兜孔間隙Cp分別為0.1 mm、0.25 mm、0.4 mm，引導(dǎo)間隙Cg固定為0.45 mm，保持架外圈直徑為86.5 mm，寬度為26 mm，實(shí)物如圖5所示。

表1 7013AC角接觸球軸承的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

(a) Cg=0.1 mm(b) Cg=0.2 mm(c) Cg=0.4 mm

圖4 不同引導(dǎo)間隙的保持架實(shí)物

圖5 不同兜孔間隙的保持架實(shí)物

Fig.5 Photo of cages with different pocket clearance

2.3 試驗(yàn)工況

被試軸承采用噴油潤滑，流量0.1 L/min。本文分別在不同的軸向載荷(500～2 000 N)、徑向載荷(500～2 000 N)、轉(zhuǎn)速(600～6 000 r/min)多種工況條件下進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)工況，如表2所示。綜合試驗(yàn)時間約10 h。不同保持架間隙的軸承試驗(yàn)工況與試驗(yàn)時長一致。

表2 試驗(yàn)工況

3 間隙對保持架磨損的影響研究

3.1 保持架磨損特征分析

以表2中的工況進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后拆解軸承，對保持架、鋼球表面進(jìn)行觀察。以引導(dǎo)間隙Cg為0.2 mm，兜孔間隙Cp為0.1 mm的保持架、鋼球?yàn)槔U述保持架、鋼球的磨損特征。

保持架的磨損痕跡,如圖6所示。由圖6可知，保持架引導(dǎo)面與內(nèi)圈接觸的左右兩側(cè)的磨損程度不同，A-1呈均勻暗黑色，磨損程度嚴(yán)重。A-2呈暗漸變的淺褐色，磨損程度較輕，引導(dǎo)面周向環(huán)帶呈現(xiàn)均勻磨損痕跡。保持架兜孔B處發(fā)黑，有油垢聚集，且由局部放大圖可知，兜孔周向具有環(huán)形磨損痕跡。

鋼球磨損，如圖7所示。由圖7可知，鋼球表面有明顯的磨損痕跡，而且鋼球與保持架兜孔接觸部分的中間環(huán)帶磨損痕跡明顯，鋼球磨損痕跡與保持架兜孔的磨損痕跡特征相吻合。

(a) 整體(b) 局部放大

圖7 鋼球的磨損

Fig.7 Ball wear

3.2 引導(dǎo)間隙對保持架磨損的影響

相同工況條件下，不同引導(dǎo)間隙的保持架引導(dǎo)面的磨損，如圖8所示。磨痕寬度，如表3所示。由圖8及表3對比可知，保持架引導(dǎo)面的磨損程度存在著明顯差別。圖8(a)、圖8(b)中保持架引導(dǎo)面的磨損嚴(yán)重，磨痕寬度大，圖8(c)中磨損不明顯，磨痕寬度較小。表明隨著引導(dǎo)間隙增加保持架引導(dǎo)面磨損程度減小。這是由于當(dāng)引導(dǎo)間隙較小時，保持架與引導(dǎo)套圈間的相互作用力較大，導(dǎo)致保持架引導(dǎo)面的磨損增加。當(dāng)引導(dǎo)間隙足夠大時，保持架與引導(dǎo)套圈相互作用力較小，從而減小保持架引導(dǎo)面的磨損。

表3 不同引導(dǎo)間隙保持架引導(dǎo)面磨痕寬度

(a) Cg=0.1 mm (b) Cg=0.2 mm (c) Cg=0.4 mm

圖9與圖10分別為不同引導(dǎo)間隙的保持架兜孔與鋼球的磨損。不同引導(dǎo)間隙條件下的保持架兜孔與鋼球的磨損程度存在著差異。

(a) Cg=0.1 mm (b) Cg=0.2 mm (c) Cg=0.4 mm

圖9(b)圖中保持架兜孔磨損最嚴(yán)重，具有明顯的磨損痕跡，圖9(a)和圖9(c)中磨損不明顯。

由圖10可知，圖10(b)中鋼球的表面嚴(yán)重，表面呈黑色環(huán)帶狀磨損痕跡，圖10(a)和圖10(c)鋼球沒有明顯磨損痕跡。對比圖9與圖10可知，引導(dǎo)間隙對保持架兜孔與鋼球的磨損影響具有一致性。當(dāng)保持架引導(dǎo)間隙Cg=0.2 mm時，鋼球與保持架磨損最嚴(yán)重，這是由于保持架與鋼球的相互作用大。

(a) Cg=0.1 mm (b) Cg=0.2 mm (c) Cg=0.4 mm

由上述觀察到的保持架、鋼球的磨損可以推斷出，隨著引導(dǎo)間隙增加，使保持架與引導(dǎo)套圈之間的相互作用減小，減小保持架引導(dǎo)面磨損，與理論分析一致。當(dāng)引導(dǎo)間隙設(shè)計不合理時，保持架兜孔與鋼球間碰撞頻繁，加劇保持架兜孔與鋼球的磨損。

3.3 兜孔間隙對保持架磨損的影響

相同工況條件下，不同兜孔間隙的保持架引導(dǎo)面磨損，如圖11所示。由圖11可知，不同兜孔間隙保持架引導(dǎo)面的磨損程度不同。圖11(a)中保持架引導(dǎo)面的磨損最嚴(yán)重，圖11(b)中磨損次之，圖11(c)中磨損不明顯。保持架引導(dǎo)面磨損寬度，如表4所示。由表4可知，隨著兜孔間隙增加，保持架引導(dǎo)面磨痕寬度逐漸較小，表明磨損程度逐漸減小，這是由于增加的兜孔間隙，減小保持架兜孔與鋼球間相互作用，使保持架合力減小，降低保持架與引導(dǎo)套圈的相互作用，進(jìn)而減小保持架引導(dǎo)面的磨損。

表4 不同兜孔間隙保持架引導(dǎo)面磨痕寬度

(a) Cg=0.1 mm (b) Cg=0.2 mm (c) Cg=0.4 mm

不同兜孔間隙的保持架兜孔磨損,如圖12所示。由圖12可知，3個保持架兜孔的磨損程度較輕，仔細(xì)對比發(fā)現(xiàn)，圖12(a)磨損程度較大，圖12(b)次之，圖12(c)最輕，表明隨著兜孔間隙的增加，保持架兜孔的磨損程度逐漸減小。這是由于隨著兜孔間隙的增加，保持架兜孔與鋼球間相互作用減小，進(jìn)而減小保持架兜孔的磨損。

(a) Cg=0.1 mm (b) Cg=0.2 mm (c) Cg=0.4 mm

圖13為不同兜孔間隙的鋼球磨損，不同兜孔間隙的鋼球磨損不明顯，差別不大，這是由于鋼球材料的硬度明顯高于保持架材料硬度，使鋼球的磨損不明顯。

由上述觀察發(fā)現(xiàn)，增加兜孔間隙可以減小保持架兜孔與引導(dǎo)面的磨損。但兜孔間隙除了影響保持架磨損外，還影響著保持架其他方面的性能，若兜孔間隙過大，將會引起保持架運(yùn)動穩(wěn)定性變差，并且增加保持架的軸向振動。

(a) Cg=0.1 mm (b) Cg=0.2 mm (c) Cg=0.4 mm

4 結(jié) 論

本文針對保持架間隙對角接觸球軸承保持架磨損問題，開展不同保持架間隙對其磨損影響的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)觀察到保持架、鋼球等的磨損痕跡，對比不同引導(dǎo)間隙、兜孔間隙條件下的保持架與鋼球的磨損，得出如下結(jié)論：

(1) 引導(dǎo)間隙、兜孔間隙均影響著保持架及鋼球的磨損，但引導(dǎo)間隙對保持架磨損的影響較兜孔間隙更為顯著。

(2) 引導(dǎo)間隙較小時，保持架引導(dǎo)面的磨損嚴(yán)重，隨著引導(dǎo)間隙增加，保持架引導(dǎo)面磨損逐漸減小。同時引導(dǎo)間隙影響著保持架兜孔磨損，當(dāng)引導(dǎo)間隙設(shè)計不合理時，加劇保持架兜孔的磨損。

(3) 保持架引導(dǎo)面及兜孔的磨損程度隨著兜孔間隙增加逐漸減小。