滾動(dòng)軸承微動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置

喬方南，李濟(jì)順，薛玉君，馬偉a,c,2

(1. 河南科技大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.河南省機(jī)械設(shè)計(jì)及傳動(dòng)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.河南省高校先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003；2. 礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039)

風(fēng)電軸承中的變槳和偏航軸承由于工況特點(diǎn),長(zhǎng)期處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)或擺動(dòng)狀態(tài),受風(fēng)力沖擊載荷影響,其主要失效方式為微動(dòng)引起的損壞[1]。當(dāng)微動(dòng)磨損所產(chǎn)生的壓痕擴(kuò)展至一定程度，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)將發(fā)生不允許的振動(dòng)或沖擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)軸承微動(dòng)裂紋的萌生和擴(kuò)展，甚至斷裂失效[2-4]。

目前，微動(dòng)磨損模擬試驗(yàn)研究大多集中在球-平面接觸模型，球-溝道的接觸模型研究較少，滾子-滾道接觸模型還未見(jiàn)報(bào)道[5]。

鑒于滾動(dòng)軸承的接觸方式為滾動(dòng)體-滾道[6]，因此對(duì)軸承出現(xiàn)的切向(徑向)滾動(dòng)微動(dòng)磨損進(jìn)行研究。從文獻(xiàn)[6]可知，軸承不僅繞軸向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，在徑向上也有運(yùn)動(dòng)，這是滾動(dòng)軸承中普遍存在的一種微動(dòng)運(yùn)動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)了滾動(dòng)軸承微動(dòng)磨損試驗(yàn)裝置，其主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)架、夾具和加載機(jī)構(gòu)4部分。與以往的軸承微動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)相比，該試驗(yàn)裝置能夠進(jìn)行不同滾動(dòng)壓力、速度和幅度的調(diào)整，且簡(jiǎn)化了軸承的受力情況，通過(guò)滾動(dòng)體在外圈或內(nèi)圈上的滾動(dòng)微動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原理

以圓柱滾子軸承的滾子-外滾道接觸為例，當(dāng)滾子-內(nèi)滾道接觸時(shí)，只需調(diào)整圓弧滾道試樣為凸的內(nèi)滾道試樣即可，內(nèi)滾道在上，滾子在下。試驗(yàn)原理如圖1所示。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)電動(dòng)機(jī)做圓周運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)頂端的偏心體驅(qū)動(dòng)連桿實(shí)現(xiàn)曲柄搖桿的擺動(dòng)，在夾具和機(jī)架之間有圓錐滾子軸承相連,曲柄搖桿帶動(dòng)夾具擺動(dòng)從而進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)夾具按一定角度的擺動(dòng)，夾具上裝有兩對(duì)圓柱滾子軸承組成的滾輪，滾輪通過(guò)擠壓和推動(dòng)滾子在滾道上進(jìn)行滾動(dòng)微動(dòng)試驗(yàn)。夾具上的軸承滾輪保證了滾子能夠在滾道上更好地滾動(dòng),模擬出軸承滾動(dòng)微動(dòng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。調(diào)節(jié)曲柄搖桿的長(zhǎng)短可以調(diào)節(jié)滾動(dòng)幅度的大小，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)滾動(dòng)速度。

圖1 滾子-外滾道接觸試驗(yàn)?zāi)M原理圖

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)為：徑向加載0～5 000 N；滾動(dòng)速度0～100 mm/min；曲柄搖桿的擺動(dòng)幅度為0°～ 10°；循環(huán)次數(shù)0～108；分為無(wú)潤(rùn)滑和有潤(rùn)滑工況；試樣材料為GCr15或GCr15SiMn軸承鋼。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖2所示，試驗(yàn)裝置的機(jī)械部分由支架上的驅(qū)動(dòng)裝置、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)擺動(dòng)裝置、升降臺(tái)和加載測(cè)量裝置構(gòu)成。

驅(qū)動(dòng)裝置由電動(dòng)機(jī)、圓盤和偏心體構(gòu)成，通過(guò)偏心體可以調(diào)節(jié)偏心距；曲柄搖桿機(jī)構(gòu)由偏心體、連桿和搖桿構(gòu)成，偏心體由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)做圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)搖桿和傳動(dòng)軸的擺動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)擺動(dòng)裝置由擺動(dòng)支架、2個(gè)滾動(dòng)軸和4套圓柱滾子軸承構(gòu)成，4套圓柱滾子軸承分成2組分別安裝在擺動(dòng)支架的兩端并固定，滾動(dòng)軸安裝在每對(duì)軸承的中間，當(dāng)傳動(dòng)軸帶動(dòng)擺動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)軸隨著擺動(dòng)支架擺動(dòng)并推動(dòng)滾子滾動(dòng)；升降臺(tái)由滾動(dòng)導(dǎo)軌、工作臺(tái)和下夾具構(gòu)成，其中下夾具固定在工作臺(tái)上，滾動(dòng)導(dǎo)軌起到固定工作臺(tái)的作用并可以使工作臺(tái)上下移動(dòng)；加載測(cè)量裝置由千斤頂、傳力軸、蝶形彈簧和荷重傳感器構(gòu)成，蝶形彈簧起到防卡死和減振作用，荷重傳感器用于記錄力的大小。

1―支架;2―電動(dòng)機(jī);3―圓盤;4―偏心體;5―連桿;6―搖桿;7―擺動(dòng)支架;8―滾動(dòng)軸;9―圓柱滾子軸承;10―圓柱滾子;11―保持架;12―夾緊螺釘;13―滾動(dòng)導(dǎo)軌;14―工作臺(tái);15―傳動(dòng)軸;16―千斤頂;17―圓錐滾子軸承;18―傳動(dòng)軸;19―圓弧滾道;20―左定位塊;21―L形定位塊; 22―荷重傳感器;23―蝶形彈簧

3.1 夾持裝置設(shè)計(jì)

如圖3所示，上夾具由支架、滾軸、帶擋邊的圓柱滾子軸承和卡緊擋邊組成。滾軸的中心A，B與滾子中心C的連線同傳動(dòng)軸的中心與滾子中心的連線呈45°對(duì)圓柱滾子進(jìn)行卡緊。滾軸和支架間的軸承可以減少滾子滾動(dòng)時(shí)的阻力，卡緊擋邊有利于軸承、支架和滾軸的配合，也便于安裝。

圖3 上夾具結(jié)構(gòu)圖及卡緊原理圖

3.2 試樣接觸設(shè)計(jì)

圓柱滾子的接觸應(yīng)力和變形可通過(guò)Hertz理論進(jìn)行計(jì)算，試樣接觸示意圖如圖4所示。

對(duì)鋼制軸承，接觸面的寬度為2b，接觸區(qū)的最大接觸應(yīng)力σmax和變形b的計(jì)算分析如下。

最大接觸應(yīng)力

(1)

滾子和滾道接觸處的變形量b為

(2)

(3)

式中：E為材料彈性模量，對(duì)于一般鋼材，E=2.079×105N/mm2；Q為施加的載荷，N；∑ρ為接觸處主曲率之和；Lwe為滾子有效接觸長(zhǎng)度；Dw為滾子直徑；Ew為滾子組外徑。

圖4 試樣接觸示意圖

4 仿真分析

4.1 滾子擺動(dòng)角度

擺角或位移體現(xiàn)了滾子運(yùn)動(dòng)幅度的大小, 是微動(dòng)磨損的重要因素之一。研究發(fā)現(xiàn)，通常微動(dòng)振幅較小時(shí)，微動(dòng)磨損率較低;隨著微動(dòng)振幅逐漸增大，擺動(dòng)中容易將磨屑帶出接觸區(qū)，兩金屬接觸面增大，磨損率增加。對(duì)試驗(yàn)裝置的擺角進(jìn)行模擬仿真可體現(xiàn)出試驗(yàn)機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度控制的性能，在模擬試驗(yàn)中通過(guò)控制滑塊的偏心距離實(shí)現(xiàn)，偏心距離變大則滾子在滾道上的運(yùn)動(dòng)幅度變大，相反則運(yùn)動(dòng)幅度變小。仿真開(kāi)始時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，滾子位于滾道的最底部，為0°起始角，偏心距離為20 mm，這時(shí)滾子的擺動(dòng)角度為±4.3°，且按正弦曲線變化，如圖5所示。隨著偏心距離的減少，滾子擺動(dòng)的角度逐漸減小，并接近于0。

4.2 滾子速度

軸承微動(dòng)磨損中，滾子的速度可以影響潤(rùn)滑油在滾子-滾道接觸表面的重新分布，影響滾動(dòng)摩擦因數(shù)、溫度積累和交變應(yīng)力等參數(shù)，滾子的擺動(dòng)速度和位移速度也是模擬試驗(yàn)臺(tái)的重要參數(shù)。

圖5 擺角隨時(shí)間變化曲線

圖6為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以30 r/min和60 r/min兩種轉(zhuǎn)速下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心體偏心20 mm時(shí)角速度變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速由30 r/min調(diào)速到60 r/min時(shí)，滾子的最大角速度由14°/s增加到27°/s。證明通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以改變滾子的移動(dòng)和擺動(dòng)速度。

圖6 滾子角速度隨時(shí)間變化曲線

4.3 滾子-滾道的接觸力

滾子和滾道之間的受力影響到其彈性變形量，兩接觸面的接觸面積，接觸處的接觸應(yīng)力，切向靜摩擦和動(dòng)摩擦力等，均是造成軸承微動(dòng)損壞的主要因素。滾子-滾道接觸處受力的模擬仿真如圖7所示，檢測(cè)滾子接觸處受力的變化。仿真試驗(yàn)時(shí)加載力為6 000 N，仿真時(shí)間為2 s，仿真步數(shù)為10 000，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為60 r/min。從圖中可以看出,模擬試驗(yàn)中滾子和滾道受到的接觸力的波動(dòng)值基本在6 000 N附近，這說(shuō)明在整個(gè)模擬試驗(yàn)過(guò)程中滾子的受力基本上是穩(wěn)定的。不過(guò)接觸面處的受力在0.02 s內(nèi)有一個(gè)很大的波動(dòng)，這是因?yàn)槟M仿真的加載力是直接加載到6000 N，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖擊載荷，這就要求在進(jìn)行微動(dòng)模擬試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)緩慢地對(duì)試樣進(jìn)行加載，防止因?yàn)椴僮鞑划?dāng)而影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)及后續(xù)的理論分析。

圖7 滾子-滾道接觸面受力變化曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

分析了微動(dòng)磨損在軸承中存在的運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)了滾子軸承微動(dòng)磨損試驗(yàn)裝置，該裝置可以調(diào)整加載力、滾動(dòng)速度和滾動(dòng)幅度等試驗(yàn)參數(shù)，能夠進(jìn)行多種條件下滾動(dòng)軸承微動(dòng)磨損的模擬試驗(yàn)研究。因?yàn)樵囼?yàn)的對(duì)象為單個(gè)滾子，在夾持裝置的夾持下，可以有效地控制滾子運(yùn)動(dòng)的位移、速度和載荷等，能真實(shí)模擬軸承的接觸狀況，有助于對(duì)軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)和提前防護(hù)，減少軸承由于微動(dòng)磨損而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。