四點接觸球軸承接觸特性研究

高麗

（新疆鐵道職業(yè)技術學院，新疆 哈密 839000）

1 四點接觸球軸承構造和優(yōu)點

四點接觸球軸承是一種分離型軸承，這種軸承的內圈溝道和外圈溝道是一種桃形的界面，在受到荷載作用時，接觸角會發(fā)生變化，其接觸面呈現為四點接觸。以負游隙四點接觸球軸承為例，四點接觸球軸承由于具備同時承受軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩的特性，能有效消除軸承內部游隙，進而在承受荷載時能大大減少變形，提升剛度，并減輕自身體積和質量，在一些對運轉速度要求較高、部件體積小的機械設備中應用較為廣泛。

2 影響四點接觸球軸承的接觸特性因素

在實踐中，四點接觸球軸承的內部構造對其接觸特性影響較大，具體從以下幾點展開分析：

2.1 游隙值對四點接觸球軸承的接觸特性影響

四點接觸球軸承游隙值的大小對接觸角有重要影響。在設計時，應嚴格控制影響游隙值的因素。溝道的接觸點直徑、溝道曲率半徑誤差和處于同一套圈的內外溝道之間曲率的一致性都對游隙值產生重要影響。因此，只有嚴格控制內外溝道的加工誤差，減少對鋼球與溝道接觸位置的影響，保證接觸點直徑穩(wěn)定，才能保證合套率、游隙值和最終的接觸角正確。

控制好游隙值還有助于減少溝曲率誤差造成的接觸點位置變化，使軸承的實際接觸角大小更穩(wěn)定，進而使得內部的載荷分布更合理。以負游隙四球軸承為例，由于負游隙無法由儀器直接測出，受空間限制，只能通過裝配小尺寸球，建立一個將軸承處在正游隙值狀態(tài)的理論模型中進行仿真計算，具體模型如圖1 所示。

圖1 球徑變化對四點接觸球軸承游隙的影響

在這一模型中，設定軸承內外溝道的墊片角都為β，將小尺寸適配球置于其中時測得的徑向游隙值為Gt，而實際裝配用球與適配用球之間的直徑之差是 ΔWD ，則這兩種裝配用球導致的軸承徑向游隙值變化如圖1 所示，具體的變化量如公式（1）所示：

而軸承的理論徑向游隙值的計算過程如公式2 所示：

所以，選擇一個合適直徑的適配用球對于游隙值的控制非常重要，在具體的應用過程中，應遵循這一公式，觀察游隙值的變化，直至找出最佳理論仿真結果，并根據比例應用于實踐。

2.2 軸承摩擦力矩對四點接觸球軸承的接觸特性影響

在高速運轉過程中，軸承的摩擦力矩對其接觸特性有重要影響。軸承因其工作原理是一種巧用滾動和滑動摩擦而形成的固體潤滑，因此，轉速比較低。由于工作時轉速過低，球與內側和外側溝道之間受到預緊力的作用會形成四點接觸，這些接觸點又都存在較大的自旋滑動。球相對于內外溝道的轉速可分解為繞接觸點切線方向的角速度和繞接觸點法線方向的角速度。這一轉速可根據角速度矢量合成法進行計算。

2.3 采用預跑合測試軸承接觸點潤滑薄膜

球相對內外溝道的自旋分量所引起的滑動而產生的摩擦力矩是軸承旋轉時摩擦力矩的最主要來源。由能量守恒定律可知，在忽略軸承內部影響較小的摩擦力的情況下，軸承的總摩擦損耗來自球與溝道接觸點處自旋滑動引起的摩擦功耗之和。

本研究以鍍膜MoS2的軸承在設定條件橫向載荷為200N、轉速為100rpm 的背景下，正面和反面各跑合30min，密切監(jiān)測這一過程中的動態(tài)摩擦力矩大小，最后測試啟動摩擦力矩。

MOS2膜最大的優(yōu)點是多組元離子之間的協同效能，有助于使?jié)櫥さ谋砻婧蛿嗝娼M織結構致密化。通過沉積可以使得其與基體材料接觸部位形成一層最致密的潤滑薄膜，但是，當累積到一定厚度時，潤滑薄膜的生長方式就可能出現比較明顯的變化，例如，膜的頂層會生成諸如柱狀或者是針狀的疏松組織結構，極其容易受潮、氧化和脫落，會極大地影響軸承的潤滑性能，嚴重的還會影響設備的正常運轉，損壞價格昂貴的大型機械設備。

在實際應用前，先進行預跑合測試。跑合能將軸承與設備加以磨合，設定一段時間的磨合期有助于提升軸承的運行狀態(tài)。進行跑合后，適配球會與溝道接觸帶部分的潤滑膜進行接觸，由于受到球不斷滾動的擠壓，二者交界處的頂層薄膜疏松結構會逐漸脫落，底層的薄膜在壓力作用下愈加致密。

通過軸承跑合，可以獲得理論性的負游隙值。由于忽略了一部分實際存在的摩擦力矩，所以，實測值往往會比理論值大。但是，在多次理論和實測的對比中發(fā)現，隨著負游隙值的增大，理論計算值也會越來越趨近于實測值（一般會出現30%的浮動），實驗數據如表1 所示。因此，這一模型具有一定的參考價值。

表1 不同游隙值狀態(tài)下的摩擦力矩

2.4 接觸過程的損耗對四點接觸球軸承的接觸特性影響

接觸點部位的摩擦損耗關系著設備能否正常穩(wěn)定運行。在轉動過程中，軸承損耗可分為初期、中期、峰值和晚期4個階段。初期階段，屬于正常損耗，一般不需要刻意維護，中期是損耗逐漸加劇的過程，這一過程中可以通過增加潤滑、調整游隙值對設備進行初步維護，峰值和晚期非常值得關注。軸承運轉了較長時間，設備的潤滑效果大大降低，會發(fā)出較大的噪聲，接觸表面的薄膜和套合參數發(fā)生損耗和變化，需要及時更換潤滑薄膜和調整參數，保證設備及時恢復正常狀態(tài)，進而提升四點接觸球軸承的接觸特性，保證設備運行的穩(wěn)定性，提升工作效率。這就要求對相關操作人員進行崗前培訓，使其熟悉四點接觸球軸承的接觸特性和工作原理，提升自己的專業(yè)能力，保證生產和實踐工作順利開展。

3 四點接觸球軸承在日常工作中的接觸損耗和維修建議

根據實踐數據，四點接觸球軸承在運轉過程中會產生振動，這是由于自身結構、鋼球適配參數不合理和使用方法不當。本研究重點分析了在軸承磨損過程中出現的振動情況。軸承的接觸表面受到的壓力和轉動速度對設備的損耗影響非常嚴重，一般會表現為在鋼球與內外側溝道或保持架直接出現壓痕、裂紋等缺陷，進而引發(fā)振動，產生周期性噪聲。在具體的應用過程中，工作人員應重視對噪聲的分析，根據四點接觸球軸承的潤滑特性及時維修設備。可以嘗試更換合適直徑的鋼球、采用致密性較好的潤滑薄膜、上機前采用預跑合測定軸承的摩擦力矩，及時調整游隙值。

4 結語

本研究提出了利用仿真適配模型檢測游隙值和預跑合測試來獲取最佳的軸承摩擦力矩，進而調整四點接觸球軸承的各項數據，使得軸承在上機過程中穩(wěn)定性更強。