基于抑制滾子歪斜的高速圓柱滾子軸承設計

趙燕,畢明龍,石東丹

(中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

隨著我國航空發動機技術的發展，為提高發動機的性能和功重比，渦軸發動機主軸軸承的dm·n值已達到2.3×106mm·r/min，目前最高需求已達到3.5×106mm·r/min[1]。航空發動機主軸軸承多為圓柱滾子軸承[2-5]，由于高速性能的要求，轉子重量較輕及動平衡精度較高，常規滾動軸承的疲勞剝落失效已不是該類軸承失效的主因，其損壞的主要形式多為滾子打滑或歪斜造成的表面損傷。針對該問題，進行基于抑制滾子歪斜的高速圓柱滾子軸承設計。

1 滾子歪斜的危害及原因

1.1 滾子歪斜的危害

航空渦輪軸發動機用高速圓柱滾子軸承多在高速、輕載工況下工作，典型結構如圖1所示，工作過程中承載區的滾子由于內、外圈的限位作用，運動狀態相對穩定，而非承載區的滾子由于失去了內、外圈的限制，滾子在沿滾道運行時會出現歪斜(圖2)。

圖1 圓柱滾子軸承結構圖Fig.1 Structure diagram of cylindrical roller bearing

圖2 滾子在滾道中的歪斜運動Fig.2 Skew movement of roller in raceway

滾子歪斜是一種不規則轉動，高速工況下滾子扭擺程度將更大，歪斜導致的不穩定運轉會使滾子端面與擋邊之間頻繁接觸，從而導致不同程度的磨損[1]，如圖3—圖4所示，嚴重時會發生磨損斷裂故障。

圖3 擋邊磨損局部放大圖Fig.3 Partial enlargement of rib wear

圖4 滾子邊緣磨損放大圖Fig.4 Enlargement of roller edge wear

1.2 滾子歪斜的原因

1)由于裝配不當或軸在載荷作用下彎曲所引起的滾子不對中歪斜(或稱傾斜)。當滾子不對中歪斜很小時(β<3′)，滾子歪斜可用帶圓弧的凸度滾子來消減，一定凸度量可確保滾子在運轉過程中有較好的調心作用。但滾子不對中歪斜較大時，需增大滾子的圓弧凸度值，當圓弧凸度超過0.02 mm時，對糾正歪斜不再有顯著作用，此外凸度過大時，滾子局部接觸應力增大，軸承疲勞強度會降低。

2)滾子自身不平衡引起的旋轉歪斜(圖5),主要原因有滾子倒角不對稱,跳動公差大,倒角半徑相對滾子外徑錯位較大,圓弧外形與滾子軸線偏移,滾子端面與滾子外徑的垂直性不佳等，使滾子形心與質心不一致，從而引起滾子旋轉歪斜。

圖5 旋轉歪斜示意圖Fig.5 Diagram of rotating skew

2 改進設計

軸承軸向載荷及滾子自身不平衡會導致滾子歪斜，并由此產生滾子的軸向力，該軸向力需套圈擋邊承受，滾子倒角半徑和滾子端面交界處將與套圈擋邊的尖邊部位接觸(圖6)。為減小接觸點處的摩擦和避免磨損，必須減小接觸面，設計擋邊面和端面形成一定的傾角，通常稱負背角(圖7中的γ)，并適當控制擋邊高度。此外，負背角的存在也有利于在滾子和擋邊之間形成楔形油膜，同時可起到限制滾子的歪斜角度或抑制歪斜的作用。對于中小型圓柱滾子軸承，其負背角一般選取10′～45′。

圖6 擋邊尖邊與滾子端部接觸示意圖Fig.6 Diagram of contact between sharp edge of rib and end of roller

圖7 帶負背角擋邊與滾子的接觸位置Fig.7 Contact position between rib with negative back angle and roller

軸承設計過程中，2個擋邊和滾子端部之間的間隙應盡可能小，但要充分考慮滾子的不均勻熱膨脹，滾子端面對圓柱表面的不垂直度及薄壁圓柱滾子軸承由于擰緊力造成的軸承擋邊變形，若擋邊間隙過大，滾子歪斜會較大，會加劇軸承磨損。擋邊間隙一般取0.020～0.048 mm。

3 理論分析

在軸承實際運行過程中，在承載區滾子與內、外圈滾道同時接觸，在非承載區滾子在2個最大歪斜角β之間擺動，β由滾子端面和引導擋邊之間的接觸點決定，滾子在套圈滾道中的位置及歪斜狀態如圖8所示，擋邊高度、擋邊間隙、負背角及滾子歪斜角之間的關系為

圖8 滾子位置示意圖Fig.8 Position diagram of roller

L1=L+a+2htanγ，

(1)

(2)

式中：L1為滾道寬度；L為滾子長度；a為擋邊間隙；h為擋邊高度；γ為負背角；Dw為滾子直徑；β為滾子歪斜角。

聯立(1)，(2)式及實際驗證得到了擋邊高度系數h/Dw、歪斜角β、負背角γ及擋邊間隙a的關系，如圖9、圖10所示。對于垂直于滾道表面的引導擋邊，擋邊負背角γ=0°。即使把滾子端部間隙減小到不切合實際和危險的程度，擋邊高度仍然很大，負背角在10′～40′時，擋邊高度更符合實際情況。

圖9 歪斜角與擋邊間隙、負背角關系Fig.9 Relationship among skew angle,rib clearance and negative back angle

圖10 擋邊高度系數與擋邊間隙、歪斜角關系Fig.10 Relationship among rib height coefficient,rib clearance and skew angle

4 應用實例

以某航空發動機主軸用圓柱滾子軸承為例，其主要結構參數：外徑為59 mm，內徑為35 mm,滾子長度為5 mm，滾子直徑為5 mm。軸承最高轉速為57 000 r/min，工作過程中滾子極易發生歪斜，考慮到滾子長度相互差、垂直差、擋邊跳動及安裝緊度造成的擋邊變形等因素，將擋邊間隙設計為0.020～0.048 mm，負背角設計為10′～30′，擋邊高度系數h/Dw應不大于為0.35。

滾子歪斜角及擋邊高度系數范圍如圖11、圖12所示，由圖可知：歪斜角在0.32°～0.7°之間，擋邊高度系數h/Dw在0.15～0.32之間。軸承所需擋邊高度系數h/Dw為0.32，小于0.35，滾子與擋邊不會發生邊緣接觸。通過前期2 000 h性能試驗與500 h發動機試驗，滾子端面未發現磨損，軸承設計合理，性能滿足要求。

圖11 滾子歪斜角極限范圍Fig.11 Limit range of roller skew angle

圖12 擋邊高度系數范圍Fig.12 Range of rib height coefficient