深溝球軸承冠形保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的影響

賈曉芳，張文虎，趙濱海，崔永存，鄧四二,3

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；3.高端軸承摩擦學技術(shù)與應用國家地方聯(lián)合工程實驗室，河南 洛陽 471023)

深溝球軸承冠形保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)對其使用性能至關(guān)重要。保持架結(jié)構(gòu)上存在質(zhì)量分布不均時，運行過程中會產(chǎn)生較大附加力矩，造成保持架運行不穩(wěn)定；在承受鋼球作用載荷時，保持架兜孔爪部一側(cè)結(jié)構(gòu)薄弱，其強度受到較大影響。保持架使用性能直接決定軸承可靠性，從而影響整機服役壽命。

國內(nèi)外學者對滾動軸承保持架性能做了大量研究：文獻[1-2]對球軸承保持架在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的穩(wěn)定性進行了理論分析與試驗研究，結(jié)果表明引導間隙增大會導致保持架不穩(wěn)定性增加；文獻[3-5]分別考慮滾子和保持架動不平衡量，對高速圓柱滾子軸承保持架的穩(wěn)定性進行分析；文獻[6]分析了高速角接觸球軸承載荷及保持架引導參數(shù)對保持架穩(wěn)定性的影響，間隙比小于1時，保持架運動軌跡為圓形；文獻[7]研究了鼠籠一體化彈性支承軸承保持架穩(wěn)定性，結(jié)果表明鼠籠式彈性支承軸承保持架在內(nèi)引導和外引導下保持架打滑率均隨徑向載荷和轉(zhuǎn)速增大而增大，隨軸向載荷增大而減小；文獻[8]對高dn值滾子軸承保持架斷裂故障進行研究，提出造成斷裂的主要原因是保持架兜孔圓角過小；文獻[9]研究了圓錐滾子軸承停止階段保持架的應力變化，結(jié)果表明停止階段保持架應力主要由滾子碰撞產(chǎn)生，保持架材料及兜孔圓角對保持架應力有較大影響，兜孔圓角增大有利于減小保持架應力；文獻[10]研究了沖擊載荷對圓柱滾子軸承保持架性能的影響，隨沖擊加速度增大，滾子對保持架碰撞作用力及頻率顯著增加，沖擊加速度足夠高時，滾子相對保持架的沖擊動能會導致保持架過梁直接斷裂；文獻[11]對滾針保持架組件進行了強度計算，結(jié)果表明減小保持架內(nèi)徑有利于減小保持架應力。

關(guān)于深溝球軸承冠形保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究較少，鑒于此，建立冠形保持架深溝球軸承多體動力學模型，分析了保持架修形設(shè)計及爪部參數(shù)對保持架運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和強度的影響。

1 深溝球軸承冠形保持架幾何結(jié)構(gòu)

為減小冠形保持架軸向質(zhì)量不均產(chǎn)生的附加力矩并提高保持架柔性，在遠離保持架爪部側(cè)端面進行修形設(shè)計，深溝球軸承冠形保持架單個兜孔截面如圖1所示，圖中：R為修形半徑，Mc(Mcx，Mcy，Mcz)為保持架軸向質(zhì)心，X為軸向質(zhì)心距保持架底部端面的距離，L為軸向質(zhì)心距保持架兜孔中心平面的距離，W為爪部長度。

圖1 深溝球軸承冠形保持架單個兜孔截面

2 深溝球軸承動力學模型

基于開發(fā)的SARB滾動軸承動力學仿真軟件對軸承整體進行動力學仿真計算，分析保持架運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。為方便描述軸承內(nèi)部各零件的運動，建立圖2所示深溝球軸承坐標系:1)慣性坐標系Oxyz,各零件運動速度和位移可在該坐標系中度量；2)局部坐標系包括內(nèi)圈坐標系Oixiyizi、保持架坐標系Ocxcyczc、第j個保持架兜孔中心坐標系Opjxpjypjzpj及第j個球中心坐標系Objxbjybjzbj，零件之間的相對速度、相對位移及相互作用力均可在局部坐標系中度量。

圖2 深溝球軸承坐標系

2.1 球動力學微分方程組

圖3 球受力示意圖

球動力學微分方程組為

(1)

(2)

2.2 保持架動力學微分方程組

保持架僅受球的作用力，如圖4所示，保持架在慣性坐標系下的動力學微分方程組為

圖4 保持架受力示意圖

(3)

(4)

2.3 內(nèi)圈動力學微分方程組

軸承內(nèi)圈受球和外部載荷共同作用，內(nèi)圈動力學微分方程組為

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

3 實例分析

以6210深溝球軸承為例進行分析，軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，內(nèi)外圈及鋼球材料為GCr15，保持架材料為尼龍66，材料參數(shù)見表2[12]。軸承受1 200 N的純徑向載荷，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為10 000 r/min。

表1 6210軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 6210軸承材料參數(shù)

保持架運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性直接影響保持架動態(tài)性能，力求保持架運動平穩(wěn)是高速軸承設(shè)計的關(guān)鍵，一般認為保持架質(zhì)心軌跡呈周期性或擬周期性變化時運動較為平穩(wěn)。保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)對其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性及強度有較大影響，下文將分析保持架修形半徑R、爪部長度W對其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和強度的影響。

3.1 保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)對其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性的影響

3.1.1 修形半徑

當爪部長度為2.3 mm時，修形半徑對保持架質(zhì)心軌跡的影響如圖5所示：1)無修形時保持架質(zhì)心軌跡較為紊亂；2)隨修形半徑增大，保持架運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性先增大后減小，修形半徑為8.3 mm時，保持架質(zhì)心軌跡呈周期性變化，保持架運轉(zhuǎn)最為穩(wěn)定。說明修形設(shè)計有利于保持架平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

圖5 修形半徑對保持架質(zhì)心軌跡的影響

3.1.2 爪部長度

當修形半徑為8.3 mm時，爪部長度對保持架質(zhì)心軌跡的影響如圖6所示，隨爪部長度增大，保持架質(zhì)心軌跡無明顯變化，說明爪部長度對保持架運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性影響不大。

圖6 爪部長度對保持架質(zhì)心軌跡的影響

3.2 保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)對其強度的影響

保持架強度分析采用ABAQUS有限元軟件，前處理階段將鋼球調(diào)整至與保持架兜孔位置相切。在鋼球與保持架間建立摩擦接觸，采用C3D8R六面體網(wǎng)格單元，邊界條件為固定保持架一側(cè)端面，并限制鋼球x，y向的平移，在球心施加軸向載荷(鋼球與保持架之間的作用載荷)。經(jīng)SARB滾動軸承動力學仿真軟件分析計算可知，鋼球與保持架間的最大載荷為5 N,在球心施加5 N軸向載荷。修形半徑為8.3 mm，爪部長度為2.3 mm時保持架等效應力和變形云圖如圖7所示：保持架最大等效應力為27.74 MPa，在鋼球與保持架接觸邊線位置；最大變形為55 μm，在兜孔爪部位置。

圖7 保持架強度有限元分析結(jié)果

3.2.1 修形半徑

修形半徑對保持架等效應力和變形的影響如圖8所示：隨修形半徑增大，保持架等效應力呈先減小后增大的趨勢，變形量不斷增加。這是由于修形設(shè)計改變了保持架剛度，提高了保持架柔性，受載荷沖擊時，產(chǎn)生較大變形，使保持架等效應力減小。當修形半徑過大時，保持架柔性增大，但去除材料較多，導致相鄰結(jié)構(gòu)壁厚薄弱，保持架等效應力增大。

圖8 修形半徑對保持架強度的影響

3.2.2 爪部長度

修形半徑為8.3 mm時，爪部長度對保持架強度的影響如圖9所示：隨爪部長度增大，保持架等效應力先減小后增大，變形量先增大后減小；在爪部長度為2.3 mm時，保持架應力最小，變形量最大。

圖9 爪部長度對保持架強度的影響

4 結(jié)束語

基于滾動軸承動力學理論，建立了冠形保持架深溝球軸承非線性微分方程組，采用預估-矯正變步長積分法對方程組進行求解，并分析了6210深溝球軸承保持架兜孔修形半徑、爪部長度對其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和強度的影響，結(jié)果表明：修形半徑為8.3 mm、爪部長度為2.3 mm時保持架運轉(zhuǎn)最穩(wěn)定，應力最小。