薄壁深溝球軸承保持架設(shè)計(jì)及摩擦力矩試驗(yàn)分析

張延彬，劉良勇，魏秀軍，時(shí)連衛(wèi)

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 417039)

軸承是機(jī)械裝備的關(guān)鍵部件,被譽(yù)為“工業(yè)的關(guān)節(jié)”,廣泛應(yīng)用于航空航天、雷達(dá)及微波設(shè)備、精密機(jī)器人關(guān)節(jié)、太陽能電池陣驅(qū)動系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、玻璃生產(chǎn)設(shè)備和旋轉(zhuǎn)工作臺、精密醫(yī)療器械、光學(xué)掃描儀器設(shè)備、半導(dǎo)體加工制造設(shè)備等領(lǐng)域[1]，隨該類高端裝備向輕量化，高精密，高穩(wěn)定性，低噪聲，長壽命等高性能和高可靠性方向發(fā)展，其對軸承的輕量化、精度、摩擦力矩要求越來越高[2]。目前，為了最大限度的減輕主機(jī)質(zhì)量，比18，19系列更薄的“等截面”系列薄壁軸承被大量應(yīng)用于各類衛(wèi)星通信、飛行器光學(xué)系統(tǒng)中。由于薄壁軸承工作環(huán)境的特殊性，摩擦力矩是其除了精度以外最為關(guān)注的性能指標(biāo)，為保證裝備的定位和跟蹤精度， 對軸承的摩擦力矩及波動性提出了嚴(yán)苛的要求[3]。

國內(nèi)外對薄壁軸承的研究大多集中在加工[4-5]及接觸特性方面[6-7]，關(guān)于薄壁深溝球軸承摩擦力矩的研究較少，文獻(xiàn)[8]開展了薄壁球軸承啟動摩擦力矩的研究，得到了啟動摩擦力矩與軸向載荷的關(guān)系。

影響球軸承摩擦力矩的因素較多，具有隨機(jī)性和復(fù)雜性，由于安裝和加工誤差的影響，軸承摩擦力矩并不是定值，存在一定的波動。球軸承摩擦力矩一般包括以下5個方面：1)材料彈性滯后使鋼球在溝道上滾動時(shí)產(chǎn)生的摩擦力矩；2)球與溝道接觸橢圓面上各點(diǎn)線速度不同產(chǎn)生微觀滑動引起的摩擦力矩；3)高速球軸承球與溝道接觸處自旋滑動引起的摩擦力矩；4)鋼球運(yùn)動時(shí)克服潤滑油膜黏性張力而產(chǎn)生的摩擦力矩；5)鋼球與保持架相對運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦力矩[9]。

對于光學(xué)系統(tǒng)所用的薄壁軸承，特別是大尺寸薄壁軸承，其轉(zhuǎn)速和工作載荷相對較低，且多采用邊界潤滑或固體潤滑[4]，由速度和載荷引起的前3種摩擦力矩影響較??；該類軸承尺寸大、截面系數(shù)小，套圈和保持架剛度差，球數(shù)多，保持架與套圈、鋼球的碰撞頻次較大，且轉(zhuǎn)速低導(dǎo)致保持架無法穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，保持架結(jié)構(gòu)是影響軸承摩擦力矩及其波動性的主要原因。本文設(shè)計(jì)了2種不同結(jié)構(gòu)形式的保持架，通過試驗(yàn)分析保持架結(jié)構(gòu)對軸承摩擦力矩的影響。

1 薄壁深溝球軸承保持架設(shè)計(jì)

以66/220非標(biāo)薄壁深溝球軸承(內(nèi)徑為220 mm，外徑為240 mm，寬度為8 mm)為例，軸承徑向截面(8 mm×10 mm)既薄又窄，與相同內(nèi)徑61844薄壁深溝球軸承(內(nèi)徑為220 mm，外徑為270 mm，寬度為24 mm)的外徑系數(shù)(反映軸承軸向方向的壁厚程度)和寬度系數(shù)(反映軸承徑向方向的壁厚程度)對比見表1。66/220軸承在徑向上比標(biāo)準(zhǔn)薄壁系列軸承薄了50%以上，保持架較薄，主要采用常規(guī)實(shí)體冠形和分段的隔離管2種結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

表1 不同軸承的外徑系數(shù)和寬度系數(shù)

(a)實(shí)體冠形結(jié)構(gòu)

實(shí)體冠形保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參照常規(guī)方法。隔離管關(guān)鍵尺寸是內(nèi)徑dc、外徑Dc、長度Lc以及圓周間隙S，如圖2所示，內(nèi)、外徑分別為

圖2 隔離管與鋼球位置示意圖

dc=yDw，

(1)

Dc=xDw，

(2)

式中：x，y為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Dw為鋼球直徑。

隔離管長度Lc和圓周間隙S由下式確定

(3)

式中：Dpw為球組節(jié)圓直徑。

最終確定2種保持架部分結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2和表3。鋼球直徑為4.762 mm，鋼球數(shù)量為65，球組節(jié)圓直徑為230 mm。

表2 實(shí)體冠形保持架部分結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 隔離管保持架部分結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 軸承摩擦力矩性能試驗(yàn)

薄壁軸承摩擦力矩(包括啟動摩擦力矩和運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩)是其應(yīng)用中最關(guān)鍵的性能指標(biāo)，啟動摩擦力矩一般大于運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩，直接關(guān)系到主機(jī)軸系驅(qū)動系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)，運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩波動過大則會導(dǎo)致軸系運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致主機(jī)定位精度、跟蹤精度下降。

以66/220軸承為例，分析2種保持架結(jié)構(gòu)軸承的啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩。實(shí)體冠形和隔離管結(jié)構(gòu)保持架均選用具有良好自潤滑性能的聚酰亞胺復(fù)合高分子材料，且加工精度相同。

2.1 啟動摩擦力矩

采用傳統(tǒng)啟動摩擦力矩儀測試軸承啟動摩擦力矩，軸向載荷為200 N，滴潤滑油5滴，采用同一精度的工裝附件，分別取10套軸承進(jìn)行試驗(yàn)，2種保持架軸承啟動摩擦力矩如圖3所示，啟動摩擦力矩平均值和波動值如圖4所示。由圖3和圖4可知：實(shí)體冠形保持架軸承啟動摩擦力矩平均值為54.20 mN·m，波動值為±9.92 mN·m；隔離管保持架軸承啟動摩擦力矩平均值為58.01 mN·m，波動值為±8.41 mN·m。

圖3 66/220軸承啟動摩擦力矩實(shí)測值

圖4 66/220軸承啟動摩擦力矩平均值和波動值對比

2.2 運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩

搭建試驗(yàn)臺對2種保持架66/220軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩進(jìn)行試驗(yàn)，如圖5所示，該試驗(yàn)機(jī)由電動機(jī)、萬向節(jié)彈性聯(lián)軸器、力矩傳感器、試驗(yàn)軸系、安裝座等組成。試驗(yàn)機(jī)工作原理是電動機(jī)通過萬向節(jié)聯(lián)軸器、力矩傳感器帶動試驗(yàn)軸系外圈旋轉(zhuǎn)，試驗(yàn)軸系由2套預(yù)緊后的66/220軸承組成，預(yù)緊力為200 N，軸承采用多孔材料的保持架含油潤滑，利用負(fù)載塊徑向加載50 N，通過絲杠軸向加載200 N，轉(zhuǎn)速為30 r/min，通過力矩傳感器采集軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩。

圖5 66/220軸承運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩試驗(yàn)機(jī)

分別對2種保持架結(jié)構(gòu)的軸承進(jìn)行1 h的試驗(yàn)，每秒采集一次數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示：實(shí)體冠形保持架軸承運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩平均值為91.54 mN·m，波動值為±8.97 mN·m；隔離管保持架軸承運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩平均值為101.80 mN·m，波動值為±4.68 mN·m。

(a)實(shí)體冠形結(jié)構(gòu)

2.3 結(jié)果分析

實(shí)體冠形保持架軸承的啟動摩擦力矩和運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩平均值略小于隔離管保持架軸承，波動值分別為后者的1.26倍和2倍以上。這是由于隔離管與鋼球、內(nèi)外圈的接觸點(diǎn)多，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)難以保持在同一個軸承截面上，而且其質(zhì)量輕，運(yùn)動狀態(tài)易改變導(dǎo)致其波動值較小，實(shí)體冠形保持架尺寸大，壁薄，剛性差，易變形，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中變形較大， 增加了其與軸承內(nèi)、外圈擋邊的接觸頻率和接觸面積，導(dǎo)致其波動值較大。

上述結(jié)論均為基于稀油潤滑的測試結(jié)果，對于脂潤滑狀態(tài)的薄壁軸承，摩擦力矩平均值會成倍增加，受潤滑脂被掃過的體積影響，實(shí)體冠形保持架軸承摩擦力矩將明顯大于隔離管保持架軸承，受潤滑脂對保持架運(yùn)轉(zhuǎn)自由度的影響，其波動值差距將降低。

3 結(jié)束語

以66/220非標(biāo)薄壁深溝球軸承為研究對象，分析了2種薄壁軸承保持架的設(shè)計(jì)方法，開展了薄壁軸承啟動摩擦力矩和運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩的測試分析。在稀油潤滑條件下，實(shí)體冠形保持架軸承的啟動摩擦力矩和運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩平均值略小于隔離管保持架軸承，波動值略大于后者。薄壁軸承保持架的選擇還需要具體問題具體分析，同時(shí)要根據(jù)主機(jī)對軸承摩擦力矩的要求選擇。軸承應(yīng)用均希望摩擦力矩越小越好，但不同的應(yīng)用還有不同要求：例如連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)工況一般要求軸承運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩平均值和波動值較小，可采用隔離管保持架；頻繁啟動或反向旋轉(zhuǎn)的軸承要求啟動摩擦力矩較小，可采用實(shí)體冠形保持架。