游隙及載荷對滾動軸承載荷分布的影響*

王金龍

(甘肅長城電工集團有限責任公司，甘肅蘭州 730030)

0 引言

軸承是許多機械設備的關鍵部件，一旦軸承失效，將會引起嚴重后果。軸承的徑向游隙對軸承的使用壽命有著重要影響，過大或過小都會引發軸承故障。過大的游隙會造成系統運轉精度降低，噪聲和振動增大，同時使軸承承載能力降低，縮短軸承使用壽命;過小的游隙會使軸承生熱增多，導致系統溫度過高，甚至燒損軸承，引發故障，所以分析軸承的游隙及載荷對軸承的載荷分布非常有必要［1－4］。

1 軸承的游隙

軸承的游隙是指軸承內外圈的相對位移量，即將軸承內圈或外圈固定，另一套圈從一個極限位置至另一極限位置的距離。徑向位移量稱為徑向游隙，軸向位移量稱為軸向游隙。軸承的軸向游隙可以通過選用合適的軸承配置來調整，所以一般情況只需要校核軸承的徑向游隙，但對于角接觸軸承需要預緊的場合除外［5－6］。

角接觸球軸承可以通過施加預負荷來調整或消除原始游隙。深溝球軸承由于結構限制，一般只能承受徑向負荷，游隙的存在會使鋼球與滾道之間的初始間隙發生變化，游隙不僅影響到接觸角，而且還影響到應力、變形、載荷分布和疲勞壽命［7－8］。

2 載荷分布范圍

如圖1所示，以變形前軸承的中心為基準，徑向負荷作用方向的角度為0°，順時針方向角度為正，軸承內環任意點與徑向負荷作用方向的夾角定義為位置ψ，則該點的徑向位移uψ

可表示為:

式中:ur為軸承徑向位移;γ為軸承徑向游隙。

圖1 深溝球軸承在徑向載荷作用下的變形示意圖

當ψ=0°時，軸承的內、外圈的最大徑向接觸變形量umax可以表示為:

由上述式子可得:

根據赫茲接觸理論，接觸載荷與變形量的3/2次冪成正比關系［9］，即:式中:Q為接觸載荷;Kn為點接觸剛度;u為接觸變形量。

整理可得:

將式(3)代入式(5)，可得:

當軸承處于靜力平衡狀態時，軸承所承受的軸向載荷等于軸承內、外圈與滾動體之間的接觸載荷Qψ的合力，即

式中:ψl為軸承的接觸分布范圍角。

圖2 游隙對載荷分布范圍的影響

當游隙γ＞0時，即有游隙狀態，載荷分布范圍角為0 ＜ |ψl|＜90°，如圖2(a)所示。

當游隙γ=0時，即無游隙狀態，載荷分布范圍角為 ψl=90°，如圖2(b)所示。

當游隙γ＜0時，即負游隙狀態，載荷分布范圍角為90°＜ |ψl|＜180°，如圖2(c)所示。

3 徑向載荷對載荷分布的影響

本文選取型號為6209/P2的深溝球軸承作為計算例子，分析徑向載荷對載荷分布的影響。

如圖3所示，當γ=0.0152 mm時，在不同徑向載荷作用下，軸承滾動體與滾道之間的接觸載荷分布。

圖3 徑向載荷對接觸載荷分布的影響

3 結論

滾動軸承的游隙對載荷分布有著很大的影響，選用時，應當考慮具體使用工況及設備設計壽命。

(1)當外界條件相同時，隨著徑向游隙的減小，軸承的接觸分布范圍角ψl增大。最大接觸載荷減小。隨著徑向載荷的減小，軸承接觸分布范圍角ψl減小，最大接觸載荷增大。

(2)當軸承游隙減小到一定程度時，即出現負游隙，軸承在外載荷作用下的內、外圈相對變形量較小，但軸承中滾動體的平均接觸載荷增加，會導致軸承壽命降低。

［1］ T.A.Harris，M.N.Kotzalas，羅繼偉(譯).滾動軸承分析:第1卷.軸承技術的基本概念［M］.北京:機械工業出版社，2010.

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