密珠式深溝球軸承軸向承載性能研究

殷琪， 湛卉， 王炳炎， 陳書華， 鄧朝俊， 張弦， 董岱林

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610213）

0 引 言

深溝球軸承具有高定位精度、高極限轉(zhuǎn)速、低摩擦因數(shù)等特點(diǎn)，主要用于承受徑向載荷，也可承受一定的軸向載荷，但較小的軸向承載能力限制了深溝球軸承的應(yīng)用[1]。為解決深溝球軸承軸向承載較小的問題，通過取消保持架結(jié)構(gòu)，增加滾動(dòng)體數(shù)量，形成密珠式深溝球軸承的方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效增強(qiáng)深溝球軸承的軸向承載能力。其模型示意如圖1所示。

密珠式深溝球軸承具有以下優(yōu)點(diǎn)[2-3]：1）滾動(dòng)體數(shù)量多，因此作用在每個(gè)滾動(dòng)體上的載荷較小，使其承載能力增強(qiáng)；2）滾動(dòng)體數(shù)目多，與滾道的接觸面積大，可以很好地減弱滾動(dòng)體與滾道在外部載荷變化時(shí)所引起的振動(dòng)、沖擊等對(duì)軸承的損傷，提高了軸承的定位精度，延長(zhǎng)其使用壽命；3）密珠式深溝球軸承的接觸面為簡(jiǎn)單形面，因此在加工精度上容易得到保證。

圖1 密珠式深溝球軸承模型示意圖

國(guó)內(nèi)部分學(xué)者已經(jīng)對(duì)密珠軸承的負(fù)載能力和定位精度開展了研究，并取得了一定的研究成果。王志新[4]提出按密珠軸承靜負(fù)荷能力確定其徑向游隙的觀點(diǎn)，并研究了軸承靜負(fù)荷能力與徑向游隙的關(guān)系，得出了在不影響軸承運(yùn)轉(zhuǎn)靈活性和裝配方便的條件下，采用小的徑向游隙將有利于密珠軸承優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮。葉家福[5]推導(dǎo)出了最大接觸應(yīng)力和徑向游隙的計(jì)算表達(dá)式，并在此基礎(chǔ)上給出考慮溫差和表面粗糙度影響時(shí)的修正值。毛書越[6]以赫茲彈性接觸理論對(duì)密珠球軸承過盈量進(jìn)行了分析計(jì)算，論證了這種計(jì)算方法的可行性。

分析多位學(xué)者的研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)密珠式深溝球軸承軸向承載時(shí)，軸承內(nèi)外圈與滾動(dòng)體之間形成一定的接觸角，接觸角的大小影響著軸承的軸向承載能力和軸向定位精度，而徑向游隙是影響接觸角的重要因素。為了探究軸承徑向游隙對(duì)軸向承載能力及軸向定位精度的影響，本文開展了密珠式深溝球軸承的軸向承載性能研究。

1 計(jì)算模型建立

1.1 軸向承載能力計(jì)算

在低速條件下，密珠式深溝球軸承的軸向承載能力計(jì)算與深溝球軸承的軸向承載計(jì)算方法[7-10]相同，其軸向理論計(jì)算模型如圖2所示。

外圈滾道的半中心角為

圖2 密珠式深溝球軸承計(jì)算模型

1.2 軸向位移計(jì)算

2 計(jì)算流程建立

綜合以上信息，對(duì)該密珠式深溝球軸承的軸向最大承載力及軸向位移計(jì)算流程如圖3所示。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

基于軸承的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算所需的模型基本參數(shù)如表1所示。

圖3 軸承軸向最大承載力及軸向位移計(jì)算流程

表1 軸承計(jì)算基本參數(shù)

3.1 軸向最大承載力計(jì)算

利用Matlab軟件進(jìn)行迭代計(jì)算，分別得到該軸承在不同徑向游隙下的最大接觸角和軸向最大承載力，并繪制關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 徑向游隙對(duì)最大接觸角和軸向最大承載力的影響

由圖4可以看出，密珠式深溝球軸承的最大接觸角與徑向游隙成正比，而軸向最大承載力徑向游隙成反比。其中主要原因在于軸承的徑向游隙ur越大，其初始接觸角α0越大，在同樣大的軸向力作用下，其實(shí)際接觸角α越大，滾動(dòng)體越接近滾道邊緣，此時(shí)軸向最大承載力就越小。因此減小軸承的徑向游隙能顯著增強(qiáng)軸承的軸向承載能力。

3.2 軸向位移計(jì)算

利用Matlab軟件進(jìn)行迭代計(jì)算，分別得到該軸承在不同的徑向游隙下，軸向載荷對(duì)其軸向位移的影響關(guān)系，繪制曲線如圖5所示。

圖5 不同徑向游隙下軸向載荷對(duì)軸向位移的影響

由圖5可以看出，在軸向載荷作用下，密珠式深溝球軸承的軸向位移增量與徑向游隙成反比，因此在一定的軸向載荷范圍內(nèi)，初始的徑向游隙越大，軸承的軸向位移變化量越小，軸向定位精度也越高。在該軸承實(shí)際使用時(shí)，可設(shè)置一個(gè)2～3 kN級(jí)別的初始軸向預(yù)緊力，這樣軸承在承受較大軸向外載荷時(shí)，其軸向位移量較小，可滿足多數(shù)情況下的使用需求。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)某型密珠式深溝球軸承進(jìn)行了軸向承載性能的研究，建立了該型軸承的軸向承載能力和軸向位移計(jì)算模型，利用Matlab軟件計(jì)算得到了該型軸承在不同徑向游隙時(shí)的軸向承載能力與軸向位移。

通過分析計(jì)算結(jié)果，可得以下結(jié)論：1）軸承的軸向最大承載能力與徑向游隙成反比關(guān)系，減小軸承的徑向游隙能顯著增強(qiáng)軸承的軸向承載能力。2）軸承在有軸向預(yù)緊的條件下，軸向定位精度與徑向游隙成正比關(guān)系，增加軸承的徑向游隙能有效改善軸承的軸向定位精度。