高速精密角接觸球軸承保持架優化設計

汪凱，張迅雷，李興林

(1．浙江五洲新春集團股份有限公司，浙江 新昌 312500；2. 杭州軸承試驗研究中心有限公司，杭州 310022)

高速精密角接觸球軸承是新型紡織機械的關鍵零部件之一，一旦軸承失效，將同時破壞紡織機械的主軸，且軸承安裝更換時間長，嚴重影響產量。高速精密角接觸球軸承失效主要由缺油引起的摩擦磨損造成[1]，軸承的摩擦力矩是一項重要性能指標，其主要來源有：滾動中材料的彈性滯后帶來的摩擦；鋼球沿接觸面中心法線的自旋滑動摩擦及純滾動摩擦；潤滑劑的黏滯摩擦；滾動接觸面上的差動滑動摩擦。前幾種摩擦與軸承的材料、內部空間結構及潤滑脂選取相關，已經能做到與國外相當水平，但對滾動中差動滑動引起的摩擦，即保持架與鋼球之間的運動摩擦的分析和改進尚不足。文中通過對保持架優化設計以期降低該摩擦，同時降低阻礙保持架運動的潤滑劑的黏滯摩擦力。這有利于提高高速精密紡機軸承的使用壽命及可靠性。

1 保持架結構優化

高速精密角接觸球軸承往往會由于鋼球與套圈和保持架之間的過度磨損導致軸承精度降低，進而影響主機的工作性能。當軸承高速旋轉時，由于離心力的作用，鋼球與外圈接觸角減小，與內圈接觸角增大。轉速越高，其接觸角差越大，從而造成鋼球與保持架的碰撞、沖擊，使保持架產生磨損。保持架不但受摩擦力、張力、離心力和慣性力等機械應力的作用，而且還要承受潤滑油及其添加劑或其老化產物的化學作用。因此，對于高速角接觸球軸承，除在安裝使用中施加一定的軸向預載荷來盡量減小軸承旋轉時內、外圈接觸角之差外，在設計時，應采用有利于高速旋轉的軸承結構，盡可能減小摩擦力矩、改善潤滑等[2]。

為降低鋼球與保持架的運動摩擦，可對保持架兜孔內部結構進行改進，如減少保持架與鋼球的接觸面積，可將保持架的直兜孔中部設計成圓弧凹槽(圖1)，以改善潤滑，降低潤滑脂的切斷阻力，有利于降低摩擦力矩，提高軸承壽命。

圖1 保持架兜孔的改進

在軸承高速轉動的過程中，由于軸承內部潤滑脂的黏滯作用及離心力作用，鋼球與保持架之間摩擦力增加，可通過改進保持架結構來提升潤滑性能，減小摩擦。如在不影響保持架強度的基礎上，在保持架的內徑面兜孔位置上增加引導角(圖2)，更有利于潤滑脂的流動，以降低黏滯阻力，延長軸承的使用壽命。

圖2 保持架兜孔凹槽

為使該結構保持架能得到應用，不但要對該結構的引導角及兜孔槽進行優化設計，還要改進保持架的注塑模具，確保保持架內部的過渡區域平滑。可采用投影儀及輪廓儀進行檢測來控制批量生產的產品。

2 保持架材料

高速精密角接觸球軸承保持架要求材料具有低硬度和高耐磨性，必要的彈性和韌性，并具有一定的吸振和自潤滑能力。一般采用工程塑料實體保持架，以保證軸承在高速旋轉狀態下保持架具有較小的離心力及較高的尺寸穩定性。

不同工程塑料材料保持架的性能特點見表1。根據保持架材料性能的對比，一般選擇玻璃纖維增強聚酰胺PA66-GF30用于較低速軸承，選擇酚醛層壓布管保持架用于高速軸承；聚醚醚酮(PEEK)保持架適用于超高速軸承，設計者可根據具體情況來適當選取[3-6]。

表1 保持架材料性能特點

3 優化效果

對結構改進后的酚醛層壓布管材料的保持架進行了小批試制，將其裝入軸承進行跑合及臺架試驗。對8組樣品持續一年多的監控表明：軸承溫升為5～15 ℃，最小壽命達到8 592 h，完全滿足客戶的要求。