不同基體材料保持架軸承引導(dǎo)間隙的試驗(yàn)分析

李文超 ,鄧四二，李建華，孫小波，葉亞飛

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

軸承在工作時(shí)，尤其是在高溫、高速下，保持架會(huì)發(fā)生高溫膨脹和高速離心膨脹，使自身與引導(dǎo)擋邊之間的間隙減小，甚至使軸承卡死，因此保持架引導(dǎo)間隙的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1 工況對(duì)引導(dǎo)間隙的影響

從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，保持架是影響軸承運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的主要因素，所以保持架引導(dǎo)間隙和兜孔間隙的設(shè)計(jì)尤為重要[1-2]。尤其高溫、高速軸承在工作時(shí)，保持架的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)引起自身外徑面向外膨脹，使引導(dǎo)間隙變??；同時(shí)軸承工作溫度升高，由于外圈和保持架材料線膨脹系數(shù)不同，也將使軸承引導(dǎo)間隙變小。軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)保持架引導(dǎo)間隙減小量為[3]

(1)

式中：ρc為保持架材料密度；ωc為保持架公轉(zhuǎn)角速度；dc為保持架內(nèi)徑；Dc為保持架外徑；νc為保持架材料泊松比；Ec為保持架材料彈性模量。

軸承工作時(shí)由溫度引起的保持架引導(dǎo)間隙變化量δt為

δt=λc(T1-T0)Dc-λe(T1-T0)D2，

(2)

式中：λc為保持架材料線膨脹系數(shù)；λe為外圈材料線膨脹系數(shù)；D2為外圈擋邊直徑；T1為軸承工作溫度；T0為室溫。

通過(guò)(1)～(2)式可以看出，軸承工作中保持架的引導(dǎo)間隙除與軸承轉(zhuǎn)速、工作溫度等有關(guān)外，還與保持架材料密切相關(guān)。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)軸承

試驗(yàn)軸承是接觸角為25°的P4雙半內(nèi)圈角接觸球軸承QJS207，外圈擋邊引導(dǎo)保持架，結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。內(nèi)、外套圈和鋼球均采用Cr4Mo4V高溫軸承鋼制造，保持架材料為鋁青銅、耐高溫聚酰亞胺(下稱PI)。

表1 QJS207軸承參數(shù)

圖1 QJS207軸承

為確保試驗(yàn)的可對(duì)比性，設(shè)計(jì)并加工了一種尺寸的鋁青銅和3種不同尺寸的PI保持架(PI-0,PI-1,PI-2)，結(jié)構(gòu)參數(shù)及引導(dǎo)間隙見(jiàn)表2。

表2 保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)及引導(dǎo)間隙 mm

2.2 試驗(yàn)條件

在自行開(kāi)發(fā)的高速、高溫試驗(yàn)機(jī)上對(duì)QJS207軸承進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，噴油潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油為4050，油噴入保持架與內(nèi)圈之間的縫隙。軸承試驗(yàn)工況：轉(zhuǎn)速為50 000 r/min，軸向載荷為6.5 kN，徑向載荷為2 kN，給油量為0.9 L/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中，裝有PI-0，PI-1保持架的軸承在轉(zhuǎn)速分別升到32 000，42 000 r/min時(shí)，主機(jī)電流迅速升高，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停車保護(hù)。拆解軸承檢查發(fā)現(xiàn)，保持架外徑一側(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，如圖2a、圖2b所示。

圖2 試驗(yàn)后的保持架

裝有PI-2及鋁青銅保持架的軸承在試驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，軸承外圈溫度、主機(jī)電流及主機(jī)振動(dòng)等測(cè)試參數(shù)示值穩(wěn)定，保持架外徑磨痕均勻、正常，如圖2c、圖2d所示。

3.2 對(duì)比分析

鋁青銅材料具有高的強(qiáng)度、耐磨性和高溫耐蝕性，為高溫、高速軸承保持架常用材料；耐高溫PI材料為新研制的適用于高溫、高速軸承的保持架材料，具有耐高溫、強(qiáng)度高和摩擦因數(shù)小的特點(diǎn)。2種材料的力學(xué)性能及物理性能對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 2種材料的力學(xué)性能和物理性能對(duì)比

試驗(yàn)中，裝有鋁青銅保持架的QJS207軸承運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，而裝有同尺寸PI-0保持架的軸承可達(dá)的最高轉(zhuǎn)速為32 000 r/min，拆套后發(fā)現(xiàn)PI-0保持架潤(rùn)滑油流出一側(cè)嚴(yán)重磨損，說(shuō)明PI保持架與鋁青銅保持架的合理引導(dǎo)間隙不同。由(1)～(2)式可得鋁青銅保持架和PI保持架引導(dǎo)間隙隨轉(zhuǎn)速的變化情況(圖3)。

圖3 保持架引導(dǎo)間隙隨轉(zhuǎn)速的變化

從圖3可以看出，當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速約為50 000 r/min時(shí)，由于保持架高速離心膨脹和高溫膨脹，鋁青銅保持架引導(dǎo)間隙減小量較小，而耐高溫PI保持架引導(dǎo)間隙減小量較大，故設(shè)計(jì)時(shí)不能采用相同的引導(dǎo)間隙。

當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速為32 000 r/min時(shí)，裝有與鋁青銅保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同的PI-0保持架的軸承引導(dǎo)間隙接近于0，導(dǎo)致保持架與引導(dǎo)擋邊嚴(yán)重摩擦，主機(jī)電流迅速上升報(bào)警停車。

當(dāng)PI-0保持架外徑減小0.4 mm(PI-1保持架)，即軸承設(shè)計(jì)引導(dǎo)間隙增大0.4 mm，當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速為42 000 r/min左右時(shí)，裝有PI-1保持架的軸承引導(dǎo)間隙為0.39 mm，主機(jī)電流增大報(bào)警停車。推測(cè)主要是PI保持架的加工精度沒(méi)有鋁青銅保持架高；另外保持架高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其質(zhì)心不在軸承中心，而是在徑向移動(dòng)[4]。再將PI-1保持架外徑減小0.2 mm(PI-2保持架)，即軸承設(shè)計(jì)引導(dǎo)間隙增大0.6 mm，當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速約為50 000 r/min時(shí)，裝有PI-2保持架的軸承引導(dǎo)間隙為0.58 mm，試驗(yàn)15 min，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，外圈溫度、主機(jī)電流和主機(jī)振動(dòng)等測(cè)試參數(shù)示值穩(wěn)定。所以PI保持架的設(shè)計(jì)引導(dǎo)間隙應(yīng)為0.9 mm，而不能采用鋁青銅保持架0.3 mm的引導(dǎo)間隙。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)QJS207軸承鋁青銅保持架和不同引導(dǎo)間隙PI保持架的試驗(yàn)分析，認(rèn)為高溫、高速角接觸球軸承的設(shè)計(jì)引導(dǎo)間隙不僅與軸承轉(zhuǎn)速及工作溫度等有關(guān)，還與保持架的材料密切相關(guān)。保持架材料決定著保持架的加工精度、離心膨脹、熱膨脹和保持架質(zhì)心移動(dòng)量等。

針對(duì)QJS207軸承給定的工況，鋁青銅保持架的設(shè)計(jì)引導(dǎo)間隙應(yīng)為0.3 mm，PI保持架的設(shè)計(jì)引導(dǎo)間隙應(yīng)為0.9 mm，但2種材料保持架的兜孔間隙則可取相同值，即均為0.3 mm。