不同引導(dǎo)方式下保持架運(yùn)動(dòng)特性分析*

賴永亮，吳來歡

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

滾動(dòng)軸承是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要支承部件，其元件間的滾動(dòng)接觸支撐著零件轉(zhuǎn)動(dòng)。而保持架作為滾動(dòng)軸承的主要元件之一，在軸承運(yùn)動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用。Yi等[1]研究了不同軸向預(yù)緊力、不同轉(zhuǎn)速條件下的角接觸球軸承剛度，并通過做試驗(yàn)來測(cè)量內(nèi)外圈的位移驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。趙春江等[2]研究角接觸球軸承鋼球在高速條件下的陀螺力矩和外部負(fù)載以及摩擦系數(shù)的關(guān)系。Wu等[3]和Li等[4]研究角接觸球軸承生熱以及載荷分布受不均勻軸向載荷的影響。Yoshida等[5]在Harris的基礎(chǔ)上考慮了潤滑油的非牛頓流體特性及溫升效應(yīng)、分析在不同軸向載荷作用下的保持架打滑率與溫度變化規(guī)律。陳渭等[6]對(duì)渦動(dòng)進(jìn)行分析并建立了軸承擬動(dòng)力學(xué)模型，分析了渦動(dòng)半徑、頻率等對(duì)軸承的打滑影響。鄧四二在著作中[7]詳細(xì)描述了鋼球六自由度、內(nèi)圈五自由度、三自由度保持架的角接觸球軸承擬動(dòng)力學(xué)模型,并分析了軸承的工況參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)保持架運(yùn)動(dòng)特性的影響，歸納總結(jié)出工況參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳取值范圍[8]。葉振環(huán)[9]建立了保持架四自由度的角接觸球軸承和圓柱滾子軸承的動(dòng)力學(xué)模型與滾動(dòng)體六自由度的角接觸球軸承和圓柱滾子軸承的動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承啟動(dòng)、加速和加力三種過渡狀態(tài)的軸承保持架運(yùn)動(dòng)特性以及穩(wěn)定性進(jìn)行分析。張樂宇等[10]建立軸承動(dòng)力學(xué)模型分，析了軸向載荷、轉(zhuǎn)速等對(duì)保持架運(yùn)動(dòng)的影響。姚廷強(qiáng)等[11]分析了變轉(zhuǎn)速、變載荷工況下角接觸球軸承保持架的運(yùn)動(dòng)軌跡及其穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)受徑向力時(shí)保持架運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似圓柱渦動(dòng)。葉振環(huán)等[12-13]建立高速球軸承的動(dòng)力學(xué)模型，分析了引導(dǎo)間隙及兜孔間隙對(duì)保持架穩(wěn)定性的影響規(guī)律，仿真結(jié)果表明減小兜孔間隙和增大引導(dǎo)間隙均能提升保持架的穩(wěn)定性。吉博文等[14]基于ADAMS研究了球軸承在不同工況及不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)下保持架的振動(dòng)特性。目前對(duì)于角接觸球軸承保持架的研究主要多集中在球引導(dǎo)保持架時(shí)的滾動(dòng)軸承進(jìn)行分析，對(duì)于保持架不同引導(dǎo)方式下的保持架的質(zhì)心動(dòng)態(tài)特性研究較少。鑒于此，筆者以7008C高速角接觸球軸承為研究對(duì)象，運(yùn)用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件，建立了軸承動(dòng)力學(xué)模型，分析了不同保持架引導(dǎo)方式下軸承腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特性，以期對(duì)軸承的工況和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、對(duì)保持架穩(wěn)定性的影響進(jìn)行探究具有重要意義。

1 引導(dǎo)方式與數(shù)值計(jì)算模型

1.1 保持架引導(dǎo)方式

保持架是滾動(dòng)軸承的重要組成部分，其作用為:一方面使?jié)L動(dòng)體相互之間保持合適距離，防止相鄰滾動(dòng)體之間直接接觸，將摩擦產(chǎn)生的熱量保持在最低水平;另一方面使?jié)L動(dòng)體均勻地分布在整個(gè)軸承內(nèi)，使負(fù)荷能更均勻地分布和降低噪聲。滾動(dòng)軸承保持架從引導(dǎo)方式上可分為三種:滾動(dòng)體引導(dǎo)、內(nèi)圈引導(dǎo)和外圈引導(dǎo)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。外圈引導(dǎo)是指保持架依靠外圈擋邊引導(dǎo)其正常運(yùn)轉(zhuǎn)；球引導(dǎo)是指保持架依靠其兜孔與滾動(dòng)體之間的間隙實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；內(nèi)圈引導(dǎo)是指保持架依靠內(nèi)圈擋邊來引導(dǎo)其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。引導(dǎo)的目的是使保持架在周向和徑向方向有所“依靠”，使在這些方向上的運(yùn)動(dòng)趨穩(wěn)不產(chǎn)生渦動(dòng)。

圖1 保持架引導(dǎo)方式

1.2 滾動(dòng)軸承參數(shù)與三維建模

以7008C角接觸球軸承為研究對(duì)象，建立軸承動(dòng)力學(xué)仿真模型分析在保持架不同引導(dǎo)方式下受間隙、轉(zhuǎn)速等情況對(duì)軸承動(dòng)態(tài)性能的影響。軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所列。

表1 7005C軸承參數(shù)

使用三維軟件對(duì)7005C軸承內(nèi)圈、外圈、保持架以及滾動(dòng)體進(jìn)行建模，并將各部分在保持架不同引導(dǎo)方式下進(jìn)行裝配，由于球引導(dǎo)保持架比較常見，因此這里只給出內(nèi)、外圈引導(dǎo)保持架的三維裝配模型。如圖2所示。

圖2 軸承三維裝配模型

1.3 控制方程與邊界條件的設(shè)定

將建好的Solidworks三維模型通過與ADAMS的接口導(dǎo)入ADAMS中，對(duì)其各元件進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)置如表2所示。并對(duì)軸承元件進(jìn)行接觸設(shè)置如表3所示，設(shè)置外圈相對(duì)于大地固定，內(nèi)圈先對(duì)與外圈建立轉(zhuǎn)動(dòng)，并對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)副施加驅(qū)動(dòng)，建立軸承動(dòng)力學(xué)分析模型進(jìn)行分析，其分析模型如圖3所示，隨模型建立坐標(biāo)系。

表2 角接觸球軸承7008C的材料參數(shù)

圖3 ADAMS分析模型

2 結(jié)果分析

2.1 保持架打滑分析

圖4為不同兜孔間隙和保持架與引導(dǎo)套圈間隙之比下保持架的打滑率，從圖中可以看出相同引導(dǎo)方式時(shí)不同間隙比之下保持架打滑率基本穩(wěn)定，但是相同間隙比下時(shí)，球引導(dǎo)保持架打滑率最大，三者之間間隔接近于0.5，這是因?yàn)閮?nèi)圈引導(dǎo)時(shí)，保持架受到內(nèi)圈高速轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，保持架與引導(dǎo)套圈接觸很短，球引導(dǎo)時(shí)，滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)使得其與保持架多次發(fā)生不連續(xù)的接觸碰撞。

圖4 保持架打滑率

2.2 球引導(dǎo)保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)特性

圖5為在不同轉(zhuǎn)速時(shí)保持架球引導(dǎo)方式下徑向保持架質(zhì)心軌跡。轉(zhuǎn)速較低(4 000 r/min)時(shí)，保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)范圍比較小。隨轉(zhuǎn)速的提高，到達(dá)8 000 r/min時(shí)，保持架漸漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，質(zhì)心軌跡有呈現(xiàn)近似橢圓形的趨勢(shì)，軌跡較為集中，但仍比較混亂。當(dāng)?shù)竭_(dá)12 000 r/min時(shí)，近似的圓形的渦動(dòng)比較明顯，軌跡基本穩(wěn)定。對(duì)于在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的保持架質(zhì)心軌跡圖中比較的軌跡線，主要是由于軸承在初始運(yùn)動(dòng)時(shí)打滑造成的，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后進(jìn)入較穩(wěn)定狀態(tài)，與文獻(xiàn)[14]結(jié)論一致。

圖5 球引導(dǎo)方式下徑向保持架質(zhì)心軌跡

2.3 不同引導(dǎo)方式下保持架質(zhì)心軌跡

圖6與圖7分別為不同轉(zhuǎn)速下徑向內(nèi)圈引導(dǎo)與外圈引導(dǎo)的質(zhì)心軌跡。相對(duì)比與球引導(dǎo)時(shí)保持架質(zhì)心軌跡(見圖5)，內(nèi)圈引導(dǎo)保持架質(zhì)心軌跡混亂程度較大。這是因?yàn)閮?nèi)圈引導(dǎo)保持架靠近內(nèi)圈，受內(nèi)圈擾動(dòng)最大。

圖6 內(nèi)圈引導(dǎo)方式下徑向保持架質(zhì)心軌跡

圖7 外圈引導(dǎo)方式下徑向保持架質(zhì)心軌跡

外圈引導(dǎo)時(shí)保持架的質(zhì)心軌跡穩(wěn)定程度居于其他二者之間，這是因?yàn)楸３旨苁艿降碾x心力增大，與滾動(dòng)體和外圈接觸碰撞。此結(jié)果與2.1中相互映證。

2.4 不同引導(dǎo)方式保持架質(zhì)心速度與加速度的影響分析

圖8～10分別為三種保持架引導(dǎo)方式下不同轉(zhuǎn)速時(shí)保持架的徑向質(zhì)心速度分布圖。

圖8 外圈引導(dǎo)方式下徑向保持架質(zhì)心速度

圖9 內(nèi)圈引導(dǎo)方式下徑向保持架質(zhì)心速度

圖10 球引導(dǎo)方式下徑向保持架質(zhì)心速度

不同保持架引導(dǎo)方式下保持架質(zhì)心的速度范圍隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大。其中，內(nèi)圈引導(dǎo)保持架時(shí)質(zhì)心增幅最小，其次是外圈引導(dǎo)保持架時(shí)的質(zhì)心速度增幅，球引導(dǎo)保持架時(shí)質(zhì)心速度增幅最大且一開始遠(yuǎn)動(dòng)就離開運(yùn)動(dòng)中心。說明內(nèi)圈引導(dǎo)保持架質(zhì)心速度最為穩(wěn)定，其次是外圈引導(dǎo)，球引導(dǎo)時(shí)保持架質(zhì)心速度變化最大，這是因?yàn)楸３旨芘c滾動(dòng)的無規(guī)則接觸高于其他兩種引導(dǎo)方式，使得速度大小及方向發(fā)生突變。

圖11～13分別為三種保持架引導(dǎo)方式下不同轉(zhuǎn)速時(shí)保持架的徑向質(zhì)心加速度分布圖。

圖11 外圈引導(dǎo)方式徑向保持架質(zhì)心加速度

圖12 內(nèi)圈引導(dǎo)方式徑向保持架質(zhì)心加速度

圖13 球引導(dǎo)方式徑向保持架質(zhì)心加速度

不同保持架引導(dǎo)方式下保持架質(zhì)心加速度的范圍隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大。其中，球引導(dǎo)保持架時(shí)質(zhì)心加速度變化幅度最大，其次是外圈引導(dǎo)，內(nèi)圈引導(dǎo)保持架時(shí)質(zhì)心質(zhì)心加速度變化最小、最為穩(wěn)定。這是因?yàn)椴粌?nèi)外圈引導(dǎo)方式下保持架主要依靠內(nèi)外圈擋邊進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)，受力較為均勻。球引導(dǎo)方式下滾動(dòng)體與內(nèi)外圈溝道接觸發(fā)生摩擦，使得對(duì)保持架的力變化較大，引起保持架的震蕩。

3 結(jié) 論

對(duì)保持架不同引導(dǎo)方式進(jìn)行了闡述，進(jìn)行軸承三維模型的建立，最終建立保持架不同引導(dǎo)方式下的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真。得出結(jié)論如下。

(1) 相同引導(dǎo)方式時(shí)不同間隙比之下保持架打滑率基本穩(wěn)定。不同引導(dǎo)方式相同間隙比下時(shí)，球引導(dǎo)保持架打滑率最大，三者之間間隔接近于0.5。

(2) 隨著轉(zhuǎn)速的升高，保持架質(zhì)心軌跡逐漸集中，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到12 000 r/min時(shí)，保持架質(zhì)心軌跡基本穩(wěn)定。相對(duì)比與球引導(dǎo)時(shí)保持架質(zhì)心軌跡，相同轉(zhuǎn)速時(shí)，球引導(dǎo)保持架的質(zhì)心軌跡最為穩(wěn)定，其次是外圈引導(dǎo)，內(nèi)圈引導(dǎo)保持架質(zhì)心軌跡最不穩(wěn)定。

(3) 保持架質(zhì)心的速度范圍隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大。其中，球引導(dǎo)保持架時(shí)質(zhì)心速度增幅最大，其次是外圈引導(dǎo)保持架時(shí)的質(zhì)心速度增幅，內(nèi)圈引導(dǎo)保持架時(shí)質(zhì)心增幅最小。保持架引導(dǎo)方式對(duì)質(zhì)心加速度影響明顯。

(4) 不同保持架引導(dǎo)方式下保持架質(zhì)心加速度的范圍隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大。其中，球引導(dǎo)時(shí)質(zhì)心加速度變化幅度最大，內(nèi)圈引導(dǎo)時(shí)質(zhì)心質(zhì)心加速度變化最小。綜合打滑率、質(zhì)心軌跡、質(zhì)心速度與加速度，在中低速時(shí)，適合用外圈與球引導(dǎo)保持架運(yùn)轉(zhuǎn)。高速時(shí)內(nèi)圈引導(dǎo)保持架穩(wěn)定性最優(yōu)。