高速精密角接觸球軸承保持架優(yōu)化設(shè)計(jì)

汪凱，張迅雷，李興林

(1．浙江五洲新春集團(tuán)股份有限公司，浙江 新昌 312500；2. 杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司，杭州 310022)

高速精密角接觸球軸承是新型紡織機(jī)械的關(guān)鍵零部件之一，一旦軸承失效，將同時(shí)破壞紡織機(jī)械的主軸，且軸承安裝更換時(shí)間長，嚴(yán)重影響產(chǎn)量。高速精密角接觸球軸承失效主要由缺油引起的摩擦磨損造成[1]，軸承的摩擦力矩是一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，其主要來源有：滾動(dòng)中材料的彈性滯后帶來的摩擦；鋼球沿接觸面中心法線的自旋滑動(dòng)摩擦及純滾動(dòng)摩擦；潤滑劑的黏滯摩擦；滾動(dòng)接觸面上的差動(dòng)滑動(dòng)摩擦。前幾種摩擦與軸承的材料、內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)及潤滑脂選取相關(guān)，已經(jīng)能做到與國外相當(dāng)水平，但對(duì)滾動(dòng)中差動(dòng)滑動(dòng)引起的摩擦，即保持架與鋼球之間的運(yùn)動(dòng)摩擦的分析和改進(jìn)尚不足。文中通過對(duì)保持架優(yōu)化設(shè)計(jì)以期降低該摩擦，同時(shí)降低阻礙保持架運(yùn)動(dòng)的潤滑劑的黏滯摩擦力。這有利于提高高速精密紡機(jī)軸承的使用壽命及可靠性。

1 保持架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高速精密角接觸球軸承往往會(huì)由于鋼球與套圈和保持架之間的過度磨損導(dǎo)致軸承精度降低，進(jìn)而影響主機(jī)的工作性能。當(dāng)軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力的作用，鋼球與外圈接觸角減小，與內(nèi)圈接觸角增大。轉(zhuǎn)速越高，其接觸角差越大，從而造成鋼球與保持架的碰撞、沖擊，使保持架產(chǎn)生磨損。保持架不但受摩擦力、張力、離心力和慣性力等機(jī)械應(yīng)力的作用，而且還要承受潤滑油及其添加劑或其老化產(chǎn)物的化學(xué)作用。因此，對(duì)于高速角接觸球軸承，除在安裝使用中施加一定的軸向預(yù)載荷來盡量減小軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)、外圈接觸角之差外，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用有利于高速旋轉(zhuǎn)的軸承結(jié)構(gòu)，盡可能減小摩擦力矩、改善潤滑等[2]。

為降低鋼球與保持架的運(yùn)動(dòng)摩擦，可對(duì)保持架兜孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如減少保持架與鋼球的接觸面積，可將保持架的直兜孔中部設(shè)計(jì)成圓弧凹槽(圖1)，以改善潤滑，降低潤滑脂的切斷阻力，有利于降低摩擦力矩，提高軸承壽命。

圖1 保持架兜孔的改進(jìn)

在軸承高速轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，由于軸承內(nèi)部潤滑脂的黏滯作用及離心力作用，鋼球與保持架之間摩擦力增加，可通過改進(jìn)保持架結(jié)構(gòu)來提升潤滑性能，減小摩擦。如在不影響保持架強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，在保持架的內(nèi)徑面兜孔位置上增加引導(dǎo)角(圖2)，更有利于潤滑脂的流動(dòng)，以降低黏滯阻力，延長軸承的使用壽命。

圖2 保持架兜孔凹槽

為使該結(jié)構(gòu)保持架能得到應(yīng)用，不但要對(duì)該結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)角及兜孔槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，還要改進(jìn)保持架的注塑模具，確保保持架內(nèi)部的過渡區(qū)域平滑?？刹捎猛队皟x及輪廓儀進(jìn)行檢測(cè)來控制批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。

2 保持架材料

高速精密角接觸球軸承保持架要求材料具有低硬度和高耐磨性，必要的彈性和韌性，并具有一定的吸振和自潤滑能力。一般采用工程塑料實(shí)體保持架，以保證軸承在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下保持架具有較小的離心力及較高的尺寸穩(wěn)定性。

不同工程塑料材料保持架的性能特點(diǎn)見表1。根據(jù)保持架材料性能的對(duì)比，一般選擇玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺PA66-GF30用于較低速軸承，選擇酚醛層壓布管保持架用于高速軸承；聚醚醚酮(PEEK)保持架適用于超高速軸承，設(shè)計(jì)者可根據(jù)具體情況來適當(dāng)選取[3-6]。

表1 保持架材料性能特點(diǎn)

3 優(yōu)化效果

對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的酚醛層壓布管材料的保持架進(jìn)行了小批試制，將其裝入軸承進(jìn)行跑合及臺(tái)架試驗(yàn)。對(duì)8組樣品持續(xù)一年多的監(jiān)控表明：軸承溫升為5～15 ℃，最小壽命達(dá)到8 592 h，完全滿足客戶的要求。