軸承試驗(yàn)機(jī)磁性離合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析*

李明巖，司東宏，余永健，李濟(jì)順，馬喜強(qiáng)

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，洛陽(yáng) 471003)

0 引言

軸承有許多種失效形式，其中因打滑引起的失效形式占總失效的比例最高[1]；在軸承的研發(fā)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)中，通過(guò)改變所施加軸向預(yù)負(fù)荷的大小，使?jié)L動(dòng)軸承產(chǎn)生不同程度的打滑[2]，可以仿真在不同滾滑比下滾動(dòng)軸承工作表面的損傷行為，為軸承的設(shè)計(jì)、應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。目前，現(xiàn)有的用于軸承試驗(yàn)機(jī)中的軸向加載裝置大多采用彈簧或通過(guò)液壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)軸承的軸向加載；而當(dāng)試驗(yàn)軸承外圈與滾子發(fā)生高溫膠合時(shí)，現(xiàn)有的軸承試驗(yàn)機(jī)中所使用的軸向加載裝置不能及時(shí)的與試驗(yàn)軸承分離，這樣會(huì)對(duì)試驗(yàn)裝置造成損傷。磁性離合機(jī)構(gòu)是角接觸球軸承滾滑復(fù)合運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)機(jī)中的關(guān)鍵部件；該機(jī)構(gòu)可以通過(guò)永磁體產(chǎn)生的磁力間接的將加載機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的軸向力施加在試驗(yàn)軸承上，并且可以在對(duì)軸承進(jìn)行軸向加載試驗(yàn)時(shí)控制加載機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)軸承外圈與滾子發(fā)生高溫膠合時(shí)能夠及時(shí)的停止向試驗(yàn)軸承施加軸向力。為了避免在試驗(yàn)時(shí)所施加的軸向力過(guò)大使磁性離合機(jī)構(gòu)提前與試驗(yàn)軸承分離，所以需要保證永磁體產(chǎn)生的磁力遠(yuǎn)大于所要施加的軸向力；為了獲得較大的磁力，磁性離合機(jī)構(gòu)中就要布置較大體積的永磁體；較大規(guī)格的永磁體會(huì)增強(qiáng)試驗(yàn)軸承處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，導(dǎo)致試驗(yàn)軸承被永磁體磁化吸附微小顆粒，進(jìn)而加劇試驗(yàn)軸承的磨損，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。

本文設(shè)計(jì)了一種磁性離合機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理，制造和使用成本低；可以實(shí)現(xiàn)在軸承試驗(yàn)中當(dāng)試驗(yàn)軸承外圈與滾子高溫膠合時(shí)，軸向加載裝置能夠及時(shí)的與試驗(yàn)軸承分離；以防止軸承外圈開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)加載裝置施加的扭力造成加載裝置損傷，也可以防止由于試驗(yàn)軸承高溫膠合造成的驅(qū)動(dòng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)試驗(yàn)裝置保護(hù)目的。

1 磁性離合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 磁性離合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

磁性離合機(jī)構(gòu)主要由離合器、導(dǎo)套、直線軸承、楔塊、軸承座蓋、軸承座蓋法蘭、蓋板、永磁體、銜鐵以及銜鐵連接板組成；其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖2為磁性離合機(jī)構(gòu)中永磁體的布置方式，圖2a中永磁體單個(gè)且磁極相同布置，每?jī)蓚€(gè)永磁體之間的夾角為120°，簡(jiǎn)稱(chēng)單個(gè)布置；圖2b中永磁體成對(duì)且磁極相反布置，每?jī)蓪?duì)永磁體之間的夾角為120°，兩永磁體的中心點(diǎn)連線與試驗(yàn)軸承半徑共線，簡(jiǎn)稱(chēng)成對(duì)相交布置；圖2c中永磁體成對(duì)且磁極相反布置，每?jī)蓪?duì)永磁體之間的夾角為120°，兩永磁體中心點(diǎn)連線與試驗(yàn)軸承半徑垂直，簡(jiǎn)稱(chēng)成對(duì)垂直布置。

1.軸承座蓋 2.軸承座蓋法蘭 3.蓋板 4.永磁體 5.銜鐵 6.試驗(yàn)軸承 7.導(dǎo)套 8.直線軸承 9.離合器 10.銜鐵連接板 11.楔塊 12.螺栓

(a)單個(gè)布置 (b)成對(duì)相交布置

離合器同心安裝在導(dǎo)套外側(cè)，兩者之間徑向留有間隙；直線軸承同心安裝在離合器內(nèi)側(cè)、導(dǎo)套外側(cè)；導(dǎo)套與離合器同軸線設(shè)置且兩者之間通過(guò)直線軸承滑動(dòng)連接。軸承座蓋與法蘭同心設(shè)置并用螺釘連接，軸承座蓋與離合器同心，并置于離合器上方，兩者之間在垂直方向上留有一定的間隔。離合器端面上沿周向均勻分布三個(gè)同樣大小的三角形缺口，側(cè)面上沿周向均勻分布三個(gè)同樣大小的螺紋孔；楔塊與銜鐵連接板安裝在離合器的三角形缺口內(nèi)，楔塊通過(guò)螺栓與離合器相連并壓緊銜鐵連接板；軸承座蓋法蘭頂面上沿周向均勻分布三個(gè)同樣大小的圓形槽，每個(gè)圓形槽內(nèi)設(shè)置兩個(gè)同樣大小的圓形通孔，永磁體放置在軸承座蓋法蘭上的圓形通孔內(nèi)，并在每個(gè)圓形槽的內(nèi)安裝蓋板。離合器側(cè)面上設(shè)有兩個(gè)同樣大小的圓形孔，在此處可通過(guò)圓柱銷(xiāo)與加載機(jī)構(gòu)相連。

1.2 磁性離合機(jī)構(gòu)的工作原理

首先向上移動(dòng)離合器，使永磁體與銜鐵相互吸引；通過(guò)調(diào)整永磁體與銜鐵的距離進(jìn)而改變永磁體與銜鐵之間的磁力，使每個(gè)永磁體與銜鐵之間的磁力相等。試驗(yàn)機(jī)中加載機(jī)構(gòu)施加向下的軸向力，帶動(dòng)與其相連的離合器；在永磁體磁力作用下，離合器帶動(dòng)軸承座蓋向下移動(dòng)，軸承座蓋帶動(dòng)試驗(yàn)軸承外圈向下移動(dòng)，進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)軸承施加軸向力。為避免所施加的軸向使軸向加載裝置與試驗(yàn)軸承提前分離，因此永磁體與銜鐵之間的磁力要始終大于所要施加的軸向力。啟動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)軸承旋轉(zhuǎn)，此時(shí)試驗(yàn)軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，外圈靜止。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，試驗(yàn)軸承滾子與內(nèi)、外滾道之間的溫度會(huì)上升；當(dāng)溫度上升到一定值時(shí)，試驗(yàn)軸承滾子與內(nèi)、外滾道會(huì)產(chǎn)生高溫膠合現(xiàn)象，滾子將帶動(dòng)試驗(yàn)軸承外圈旋轉(zhuǎn)。當(dāng)試驗(yàn)軸承外圈旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩大于永磁體與銜鐵之間的剪切力矩時(shí)，軸承座蓋中的銜鐵與離合器中的永磁體會(huì)相互錯(cuò)開(kāi)，兩者之間的磁力消失；在所施加的軸向力的作用下離合器向下移動(dòng)，并與軸承座蓋相互分離，軸向加載裝置停止向試驗(yàn)軸承施加軸向力。

2 永磁體三維磁場(chǎng)解析式

等效磁荷模型認(rèn)為永磁體內(nèi)外都存在著磁荷，永磁體內(nèi)部分布著密度為ρm的體磁荷，永磁體外表面分布著密度為σm的面磁荷[3-5]。一般情況下，永磁體為均勻磁性材料，在內(nèi)部磁化方向上均勻充磁，體磁荷密度恒為零；所以永磁體只有在邊界上存在面磁荷密度。當(dāng)圓柱形永磁體沿一個(gè)方向均勻磁化并達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，其外部空間任意一點(diǎn)的磁場(chǎng)均由永磁體表面磁荷所激發(fā)。故可得永磁體周?chē)臻g磁場(chǎng)的強(qiáng)度：

(1)

2.1 永磁體所激發(fā)的靜態(tài)磁場(chǎng)解析式

2.1.1 永磁體單個(gè)布置時(shí)三維磁場(chǎng)解析式建立如圖3所示的坐標(biāo)系，永磁體軸向均勻充磁，永磁體表面上的任意一點(diǎn)M(x0,y0,z0)可以表示為M(rcosθ,rsinθ,z0)。根據(jù)式(1)可得P(x,y,z)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

圖3 永磁體單個(gè)布置時(shí)示意圖

(2)

(3)

將式(3)代入式(2)，并對(duì)式(2)積分；P(x,y,z)的磁場(chǎng)強(qiáng)度在xyz三個(gè)方向上的分量分別為：

(4)

(5)

(6)

P(x,y,z)點(diǎn)的總磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

(7)

2.1.2 永磁體成對(duì)布置時(shí)三維磁場(chǎng)解析式

建立如圖4所示的坐標(biāo)系，兩個(gè)永磁體軸向充磁，且磁極相反布置；假設(shè)充磁方向與z軸正方向一致的永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)為正。永磁體表面上的任意一點(diǎn)M(x0,y0,z0)表示為M(rcosθ,rsinθ,z0)。

圖4 永磁體成對(duì)布置時(shí)示意圖

Q(x,y,z)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度由這兩個(gè)永磁體共同激發(fā)，其中1號(hào)永磁體所激發(fā)的磁場(chǎng)強(qiáng)度解析式如式(4)～式(6)所示，由2號(hào)永磁體所激發(fā)的磁場(chǎng)強(qiáng)度在x、y、z三個(gè)方向上的分量分別為：

(8)

(9)

(10)

Q(x,y,z)點(diǎn)由2號(hào)永磁體所激發(fā)的總磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

(11)

Q(x,y,z)點(diǎn)的總磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

B=B1+B2=μ0H1+μ0H2

(12)

2.2 永磁體所激發(fā)的瞬態(tài)磁場(chǎng)解析式

圖3、圖4為永磁體在不同布置方式時(shí)的示意圖；在單個(gè)布置時(shí)永磁體外有點(diǎn)P、在成對(duì)布置時(shí)永磁體外有點(diǎn)Q分別以R0為半徑、轉(zhuǎn)速為n繞z軸旋轉(zhuǎn)，且P、Q兩點(diǎn)的坐標(biāo)可以表示為(R0cosα,R0sinα,z)。

在t時(shí)刻P點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度在x、y、z三個(gè)方向上的分量分別為：

(13)

(14)

(15)

則t時(shí)刻P點(diǎn)的總磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

(16)

在t時(shí)刻Q點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度由圖4所示的兩個(gè)永磁體共同激發(fā)，其中1號(hào)永磁體所激發(fā)的磁場(chǎng)強(qiáng)度解析式如式(13)～式(15)所示，由2號(hào)永磁體所激發(fā)的磁場(chǎng)強(qiáng)度在x、y、z三個(gè)方向上的分量分別為：

(17)

(18)

(19)

t時(shí)刻Q點(diǎn)的總磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

(20)

3 磁性離合機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)分析

磁性離合機(jī)構(gòu)中的銜鐵材料為DT4，永磁體材料為Nd2Fe14B，永磁體軸向充磁；所選用永磁體具體參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)軸承與永磁體之間的徑向距離為30 mm；永磁體與銜鐵的軸向氣隙間隔為0 mm；成對(duì)布置時(shí)兩永磁體的徑向距離為1 mm。

表1 所選用永磁體的具體參數(shù)

3.1 永磁體的布置方式對(duì)試驗(yàn)軸承的影響

永磁體會(huì)在一定范圍內(nèi)的空間中產(chǎn)生磁場(chǎng)，在該空間中的鐵磁物會(huì)被磁化。被磁化的試驗(yàn)軸承會(huì)將軸承磨損所產(chǎn)生的以及潤(rùn)滑油中的鐵粉、鐵屑吸附在滾道表面或滾動(dòng)體上，造成潤(rùn)滑受阻并形成為研磨劑，加速滾動(dòng)體和滾道的磨損及溫升[8]；這會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。為了分析永磁體在不同布置方式下所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)試驗(yàn)軸承的影響；運(yùn)用MATLAB編程語(yǔ)言以及采用Ansoft Maxwell電磁場(chǎng)分析軟件分別對(duì)表1中所列的永磁體在不同布置方式下對(duì)試驗(yàn)軸承處所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。

3.1.1 靜態(tài)磁場(chǎng)分析

在MATLAB編程語(yǔ)言下采用integral2數(shù)值積分命令，積分精度為10e-6；仿真中所添加的邊界條件為“Zero Tangential H Field”，求解類(lèi)型為“Magnetostatic”。其解析計(jì)算最大值如圖5a所示，仿真計(jì)算最大值如圖5b所示。

(a)解析計(jì)算值

從圖5可以看出不同規(guī)格的永磁體在這三種布置方式時(shí)試驗(yàn)軸承處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致；且永磁體在成對(duì)布置時(shí)試驗(yàn)軸承處的磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于永磁體單個(gè)布置時(shí)；其中永磁體在成對(duì)垂直布置時(shí)試驗(yàn)軸承處的磁感應(yīng)強(qiáng)度最小。從表2可以看出相比永磁體單個(gè)布置時(shí)，永磁體成對(duì)相交時(shí)試驗(yàn)軸承處的磁感應(yīng)強(qiáng)度降低了38%左右，其中最高降低了45.9%；永磁體在成對(duì)垂直布置時(shí)試驗(yàn)軸承處的磁感應(yīng)強(qiáng)度降低了67%左右，其中最高降低了75%。從表3可以看出相比永磁體成對(duì)相交布置，永磁體在在成對(duì)垂直布置時(shí)試驗(yàn)軸承處的磁感應(yīng)強(qiáng)度降低了45%左右，其中最高降低了53.8%。

表2 永磁體在不同布置方式下試驗(yàn)軸承處磁感應(yīng)強(qiáng)度降低率

表3 永磁體在成對(duì)垂直布置時(shí)試驗(yàn)軸承處磁感應(yīng)強(qiáng)度降低率

3.1.2 瞬態(tài)磁場(chǎng)分析

設(shè)定試驗(yàn)軸承轉(zhuǎn)速為5000 r/min，永磁體的規(guī)格為N35φ8×5、N42φ8×6，將相關(guān)參數(shù)代入式(16)～式(23)；則永磁體在不同布置方式下試驗(yàn)軸承上某一點(diǎn)的瞬態(tài)磁場(chǎng)解析值如圖6所示。

(a)單個(gè)布置時(shí)

圖6為永磁體在單個(gè)布置、成對(duì)相交布置、成對(duì)垂直布置這三種布置方式下，試驗(yàn)軸承上某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線。從圖6中可以看出在這三種布置方式下試驗(yàn)軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其磁感應(yīng)強(qiáng)度是周期變化的。其中永磁體在單個(gè)布置以及成對(duì)相交布置時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)試驗(yàn)軸承處的磁感應(yīng)強(qiáng)度皆大于零；試驗(yàn)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后其磁感應(yīng)強(qiáng)度趨近某一個(gè)定值并保持至外磁場(chǎng)撤去。而永磁體在成對(duì)垂直布置時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)試驗(yàn)軸承處的磁感應(yīng)強(qiáng)度存在負(fù)值；即在該種布置方式下試驗(yàn)軸承相當(dāng)于處于一個(gè)交變磁場(chǎng)中，試驗(yàn)軸承的磁感應(yīng)強(qiáng)度不會(huì)被磁化為一個(gè)定值，而是隨時(shí)間而周期變化。

3.2 永磁體的布置方式對(duì)磁力的影響

為了避免在試驗(yàn)時(shí)所施加的軸向力過(guò)大使磁性離合機(jī)構(gòu)提前與試驗(yàn)軸承分離，所以要保證永磁體產(chǎn)生的磁力大于所要施加的軸向力。為了得到永磁體在不同布置方式下所產(chǎn)生磁力的變化關(guān)系，利用韋度NK-2-500推拉力測(cè)試儀以及Ansoft Maxwell磁場(chǎng)有限元分析軟件分別測(cè)量以及計(jì)算了在這三種布置方式下表1中所列出的各永磁體與銜鐵之間的最大磁力；其實(shí)際測(cè)量值以及仿真計(jì)算值如圖7所示。

圖7 永磁體在不同布置方式下所產(chǎn)生的磁力

圖7為表1中所列的永磁體在單個(gè)布置、成對(duì)相交布置以及成對(duì)垂直布置時(shí)其所產(chǎn)生的磁力的變化曲線；從圖中可以看出不同規(guī)格的永磁體在這三種布置方式下所產(chǎn)生的磁力的變化趨勢(shì)一致；且永磁體成對(duì)布置時(shí)所產(chǎn)生的磁力遠(yuǎn)大于永磁體單個(gè)布置時(shí)所產(chǎn)生的磁力；其中永磁體在成對(duì)相交布置與成對(duì)垂直布置時(shí)所產(chǎn)生磁力的變化曲線處于重合狀態(tài)，即在這兩種布置方式下永磁體所產(chǎn)生的磁力相等。

表4為相比永磁體單個(gè)布置時(shí)，永磁體在成對(duì)相交布置以及成對(duì)垂直布置時(shí)其所產(chǎn)生磁力的增大百分比；從表中可以得到相比永磁體單個(gè)布置時(shí)，永磁體成對(duì)布置時(shí)所產(chǎn)生的磁力增大了150%左右，其中最大增大了168%；且永磁體在成對(duì)相交布置與成對(duì)垂直布置時(shí)所產(chǎn)生磁力的增大百分比十分相近，在這兩種布置方式下的磁力增大百分比相差1%。

表4 永磁體在不同布置下磁力增長(zhǎng)率

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種磁性離合機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)在軸承試驗(yàn)中試驗(yàn)軸承高溫膠合時(shí)加載裝置及時(shí)的與試驗(yàn)軸承分離；防止驅(qū)動(dòng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)損壞試驗(yàn)裝置以及進(jìn)而保護(hù)試驗(yàn)裝置。以及還建立了磁性離合機(jī)構(gòu)中永磁體在三種布置方式下的三維靜態(tài)及瞬態(tài)磁場(chǎng)解析式，分析了這三種布置方式下永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

結(jié)果表明：①磁性離合機(jī)構(gòu)中永磁體成對(duì)垂直布置和成對(duì)相交布置時(shí)，在選用相同型號(hào)的永磁體下所產(chǎn)生的磁力相等；②磁性離合機(jī)構(gòu)中永磁體的布置方式為成對(duì)垂直布置時(shí)，永磁體在試驗(yàn)軸承處所激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最?。虎塾来朋w成對(duì)垂直布置方式時(shí)，當(dāng)磁性離合機(jī)構(gòu)工作時(shí)試驗(yàn)軸承相當(dāng)于處于一個(gè)交變磁場(chǎng)中，試驗(yàn)軸承的磁感應(yīng)強(qiáng)度不會(huì)被磁化為一個(gè)定值，而是隨時(shí)間而周期變化。