滾滑軸承螺旋空心滾子受力變形的理論研究

盧黎明

(華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330013)

1 滾滑軸承結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

機(jī)械裝備中使用的軸承大部分是滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。這兩種軸承各有優(yōu)、缺點(diǎn)，滾動(dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn)主要在于啟動(dòng)摩擦阻力小、維護(hù)方便、適用于中低速狀態(tài)下工作,最大缺點(diǎn)是承受沖擊載荷能力差;動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn)主要在于承受沖擊載荷能力強(qiáng)，摩擦因數(shù)小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于中高速狀態(tài)下工作,最大缺點(diǎn)是啟動(dòng)和低速時(shí)摩擦阻力大。

滾滑軸承是一種新型軸承[1-2]，如圖1所示。其主要由內(nèi)圈、外圈、螺旋空心圓柱滾子和滑塊構(gòu)成[3]，兼有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn)，能更好地適應(yīng)低速重載的工作條件。其中螺旋空心圓柱滾子的主要作用是使軸承保持滾動(dòng)軸承的優(yōu)良特性，如良好的啟動(dòng)性能和高速穩(wěn)定性；而滑塊的主要作用是使軸承保持動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的優(yōu)良特性，如較高的承載能力、較長(zhǎng)的使用壽命。滾滑軸承的工作性能與其零部件之間的摩擦性能有很大關(guān)系，由于螺旋空心圓柱滾子徑向受壓后會(huì)產(chǎn)生徑向和軸向變形，這必定會(huì)影響滾子端面與套圈擋邊之間的摩擦。為此，對(duì)滾滑軸承螺旋空心圓柱滾子徑向受壓后的徑向和軸向變形情況進(jìn)行研究。

1—外圈；2—滑塊；3—螺旋空心圓柱滾子；4—內(nèi)圈

2 滾子受力分析

螺旋空心圓柱滾子一般由窄鋼帶卷制而成，工作中主要受內(nèi)圈的徑向沖擊載荷。因滾子受沖擊時(shí)處于收縮狀態(tài)，滑塊作用在滾子上的力很小,可忽略不計(jì)；另外，滾子與滾道之間存在微滑動(dòng)，但滾道表面有潤(rùn)滑油，摩擦阻力很小，也可忽略不計(jì)。因此，螺旋空心圓柱滾子的受力可簡(jiǎn)單視為受內(nèi)、外圈作用的一對(duì)平衡力。由于滾子是正弦周期性螺旋狀，每圈鋼帶情況相同，每圈鋼帶又可分成完全相同的4部分，每部分都是從與套圈接觸的接觸點(diǎn)到中間的部分，每部分的受力情況相同，而且每部分的結(jié)構(gòu)和受力相同，故對(duì)整個(gè)滾子的分析可簡(jiǎn)化為對(duì)1/4圈窄鋼帶的分析。每圈鋼帶的軸向伸長(zhǎng)量為1/4圈鋼帶軸向伸長(zhǎng)量的4倍。假定套圈(內(nèi)圈或外圈)與每圈鋼帶上的作用力為2Fr，則1/4圈鋼帶與套圈接觸處的一端受力為Fr。在1/4圈鋼帶上取一斜截面A,設(shè)該截面中心到Fr作用力線的垂直距離為ζ，對(duì)斜截面A進(jìn)行分析[4]，可知斜截面A上作用有彎矩M=Frζ和與徑向力Fr平行作用于截面中心大小為Fr的水平力，如圖2所示。

圖2 螺旋滾子受力簡(jiǎn)圖

在斜截面A上，建立如圖2所示的btn坐標(biāo)系，M和Fr可分解為

(1)

(2)

Mn3=Msinφ=Frζsinφ，

(3)

Ft3=Frsinφcosα，

(4)

Fb3=-Frsinφsinα，

(5)

Fn3=-Frcosφ，

(6)

式中：Tt3為繞t軸回轉(zhuǎn)的扭矩；φ為滾子螺旋圈自xOz垂直平面至彈簧材料任意截面的極角；α為螺旋圈的螺旋角；D為螺旋圈中徑；Mb3為繞b軸回轉(zhuǎn)的彎矩；Mn3為繞n軸回轉(zhuǎn)的彎矩；Ft3為沿t軸作用的截面法向力；Fb3為沿b軸作用的截面切向力；Fn3為沿n軸作用的截面切向力。

3 應(yīng)力分析

圖3 與Fr成90°截面上的應(yīng)力分析示意圖

(7)

(8)

(9)

4 變形能分析

滾子承受載荷產(chǎn)生變形，吸收積聚的能量可利用彈簧變形能理論進(jìn)行計(jì)算[4]，

(10)

5 變形分析

根據(jù)能量守恒定律，如果忽略摩擦損失，外力Fr作的功應(yīng)全部轉(zhuǎn)化為1/4圈螺旋空心滾子的變形能，即有

則半徑方向位移量δ為

(11)

滾子受力后，軸承將產(chǎn)生徑向收縮[8-9]，由(11)式可知彈性滾子中徑將變?yōu)?/p>

(12)

如圖4所示，一圈螺旋空心滾子按平面展開，即為直角三角形，由此可得一圈螺旋空心滾子受力后的伸長(zhǎng)量為

圖4 一圈螺旋鋼帶的平面展開圖

(13)

式中：l和l1分別為一圈螺旋空心滾子受力前、后的軸向長(zhǎng)度。

n1圈螺旋空心滾子受力后的伸長(zhǎng)量為

ΔH=n1Δl，

(14)

則由(12)～(14)式可得

πn1Dtanα。

(15)

6 結(jié)束語(yǔ)

螺旋空心圓柱滾子受力后將產(chǎn)生徑向收縮和軸向伸長(zhǎng)；且徑向收縮量和軸向伸長(zhǎng)量與螺旋圈中徑D、比例系數(shù)k、彈性滾子材料的體積V、彈性模量E、橫截面厚度a1、橫截面高度b1、螺旋角α、與b1/a1有關(guān)的系數(shù)β和徑向作用力Fr等因素有關(guān)。另外，利用上述公式，通過(guò)實(shí)測(cè)內(nèi)圈的最大變動(dòng)量，可得到螺旋空心圓柱滾子的最大徑向變形量、軸向伸長(zhǎng)量和任意位置的徑向變形量、軸向伸長(zhǎng)量，進(jìn)而可得出螺旋空心圓柱滾子與套圈擋邊摩擦力的情況，為進(jìn)一步研究滾滑軸承的動(dòng)力學(xué)性能提供依據(jù)。