地震工況下開放型90°推力球軸承的爬坡角

孔憲超，羅繼偉

（1.一重集團(tuán)大連設(shè)計研究院，遼寧 大連 116600；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039）

1 概述

開放型90°推力球軸承廣泛應(yīng)用于大型低速回轉(zhuǎn)設(shè)備的方位軸系中，例如：用于大型核電裝備的旋轉(zhuǎn)屏蔽塞軸系，通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)精確定位，保證換料功能［1－2］。該類軸承是設(shè)備主要的承載和運動部件，安裝在動平臺頂板下部，某動平臺軸承安裝位置如圖1所示。由于放開了沿軸線方向的自由度，該類軸系只能利用設(shè)備自身重量約束其沿軸線方向的移動，旋轉(zhuǎn)軸線為鉛垂方向［2］。

圖1 某動平臺軸承安裝位置示意圖Fig.1 Diagram of installation position of a moving platform bearing

鑒于該類大型機(jī)動平臺的設(shè)計壽命動輒要求幾十年，期間必須考慮地震以及其他各項振動對軸承性能的影響。地震載荷以動載荷的形式作用于轉(zhuǎn)動平臺，可采用等效靜力法將動載荷轉(zhuǎn)化為1個軸向方向和2個徑向方向的地震載荷。動平臺軸承一般采用90°推力球軸承，主要承受推力載荷，可抵抗瞬時軸向方向的地震載荷。為抵御徑向方向的地震載荷，軸承采用開放型結(jié)構(gòu)，其特點是允許軸圈在徑向和軸向移動一定距離。在徑向和軸向方向地震載荷的共同作用下鋼球?qū)a(chǎn)生爬坡現(xiàn)象并推動軸圈移動以吸收地震能量。在設(shè)計上要求鋼球的爬坡幅度不能超出軸承擋邊高度，否則會造成事故。鑒于此，提出了安全爬坡角的概念，并提出若不滿足安全爬坡角時可在徑向設(shè)置限位裝置。

2 軸承爬坡角

開放型90°推力球軸承的“開放型”是指軸承軸圈不受限，允許在軸向和徑向移動。在徑向載荷作用下軸承鋼球會出現(xiàn)爬坡現(xiàn)象，不同位置處鋼球的爬坡角β不同，最大爬坡角βmax如圖2所示，Δa，Δr分別為軸承軸圈產(chǎn)生的軸向和徑向位移，由幾何關(guān)系可得

圖2 爬坡角示意圖Fig.2 Diagram of climbing angle

式中：A為軸圈、座圈溝道曲率中心的距離；ru，rd分別為軸圈、座圈溝道的曲率半徑；Dw為鋼球直徑。

對于開放型推力球軸承，軸承產(chǎn)生徑向、軸向位移時接觸角會發(fā)生變化，鋼球爬坡角也會發(fā)生變化，其爬坡角大小與鋼球所處位置有關(guān)。不同位置處鋼球爬坡角與徑向位移的關(guān)系如圖3所示，不同位置角處的爬坡角可表示為

圖3 徑向位移和爬坡角的關(guān)系Fig.3 Relationship between radial displacements and climbing angles

式中：φj為第j個鋼球相對于最大爬坡角位置鋼球的方位角，最大爬坡角位置對應(yīng)的為方位角為0的位置；βj為第j個鋼球的爬坡角。

3 軸承受載分析

由于該開放型軸承的軸圈不受限，在沒有外力作用下，軸承軸圈相對于座圈可任意移動，即初始游隙可變。當(dāng)該軸承在某徑向外載荷Fr作用下達(dá)到平衡時，位移Δr或Δa可以理解為該軸承的初始游隙。由于鋼球與軸圈、座圈總的法向接觸彈性變形量很小，因彈性變形引起的爬坡角的變化量也很小。可近似采用圖3幾何關(guān)系得到任意方位角φj處鋼球與軸圈、座圈接觸總的法向彈性變形為

式中：kn為軸承接觸剛度，可參考文獻(xiàn)［6］132得到。

在徑向載荷Fr作用下，鋼球的接觸載荷分布如圖4所示。

圖4 鋼球接觸載荷分布圖Fig.4 Diagram of contact load distribution of steel balls

4 安全爬坡角的條件及徑向限位

4.1 安全爬坡角的條件

如圖5所示，在極限徑向載荷作用下開放型90°推力球軸承鋼球與溝道接觸橢圓的長半軸剛好達(dá)到軸承擋邊邊緣，鋼球爬坡達(dá)到極限位置。由于90°推力球軸承軸、座圈完全對稱，只需考慮下?lián)踹叺倪@種狀態(tài)。

圖5 極限徑向載荷下球與滾道接觸示意圖Fig.5 Diagram of contactbetween ball－raceway under limiting radial load

當(dāng)軸承在幾何極限爬坡角位置平衡時，即（22）式等號成立的情況下，軸承軸圈的徑向、軸向方向的極限位移分別為

式中：βcr為軸承在幾何極限爬坡角位置平衡時的βmax。

4.2 限位裝置

當(dāng)該爬坡角不滿足（22）式時，實際爬坡角將超過安全爬坡角，即βmax＞β0－αa，鋼球會脫出溝道。可通過設(shè)置徑向限位裝置實現(xiàn)Δrsp≤Δrcr（Δrsp為通過徑向限位裝置約束的徑向位移），避免該情況發(fā)生，如圖6所示，此時限位爬坡角為

圖6 限位爬坡角Fig.6 Limiting climbing angle

5 實例分析

以某大型動平臺用推力球軸承為例分析，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of bearing

設(shè)置徑向限位裝置，當(dāng)限位位移Δrsp＝3.0 mm時得到鋼球的限位爬坡角為βsp＝48.59°。鋼球最大接觸載荷和應(yīng)力為Qmax＝36.44 kN，σmax＝2 698.6 MPa。接觸橢圓長半軸a對應(yīng)的圓心角αa為13.72°。

6 結(jié)束語

圖7 最大爬坡角隨徑向地震加速度的變化Fig.7 Variation ofmaximun climbing angle with radial seismic acceleration

當(dāng)設(shè)置徑向限位裝置后，擬合得到鋼球最大接觸應(yīng)力σmax隨徑向限位位移Δrsp的變化如圖8所示。由圖8可以看出，隨限位位移的減小，相同爬坡角位置鋼球的最大接觸應(yīng)力也將減小。另一方面，若設(shè)置的軸向限位過大，將不得不增加溝深h，從而增加軸承系統(tǒng)的設(shè)計難度和制造成本。故選擇合適的限位位移需要統(tǒng)籌考慮設(shè)計、制造、公差等因素。

圖8 鋼球最大接觸應(yīng)力隨徑向限位位移的變化曲線Fig.8 Variable curve ofmaximun contact stress of steel ball with radial limiting displacement

對于開放型90°推力球軸承而言，隨著徑向地震載荷的增加，需要平衡的伴生軸向載荷也隨之增加，安全爬坡角減小，鋼球的最大接觸應(yīng)力增大，并可能出現(xiàn)鋼球超出擋邊的危險。為避免鋼球超出擋邊，減小鋼球接觸應(yīng)力，提出了設(shè)置徑向限位裝置的方案，由于部分徑向載荷由徑向限位裝置平衡掉，相同爬坡角位置的鋼球接觸應(yīng)力明顯減少，并給出了徑向限位位移與鋼球最大接觸應(yīng)力之間的關(guān)系。但文章僅分析了地震的徑向和軸向載荷對該類軸承的作用，關(guān)于軸向和徑向偏心引起的力矩影響以及工作溫度的影響等尚未考慮。