滾滑軸承及其試驗研究

盧黎明

(華東交通大學 機電工程學院，南昌 330013)

在重載沖擊工況下造成的疲勞磨損嚴重影響著軸承壽命[1]。曾對運行2年的C76型25 t軸重敞車進行解體，發現46輛敞車的368套軸承中已有347套產生了不同程度的損傷，具體情況見表1。

表1 軸承損傷情況

分析其原因主要是由于敞車經過鋼軌間的連接縫隙、道岔、轉彎及急剎車時激增比平時大許多倍的沖擊力作用在軸承上造成的。然而有關重載循環沖擊下軸承疲勞磨損問題的研究報道很少[2]，因此有必要深入尋找有效解決軸承疲勞磨損問題的辦法。

1 滾滑軸承的構建

滾動軸承的優點主要表現在啟動摩擦阻力小，摩擦系數低，維護方便，適用于寬轉速范圍內工作，最大缺點是承受沖擊載荷能力差；動壓滑動軸承的優點主要表現在承受沖擊載荷能力強，摩擦系數小，結構簡單，適用于中、高速狀態下工作，最大缺點是啟動和低速時摩擦阻力大。

比較這2類軸承不難發現，2類軸承都含有內圈(動壓滑動軸承的內圈可看作軸頸表面)和外圈，不同之處在于滾動軸承的內、外圈之間是滾動體和保持架，而動壓滑動軸承的內、外圈之間是1層較厚的油膜(也可在內、外圈之間加1個活動圈而形成雙層油膜)，正因為中間層的不同而形成了不同的工作機制和優、缺點。如能將滾動軸承的滾動體(具有弱彈性)和滑動軸承的滑動體(起支承作用的油膜只在最小間隙處，故可將雙層油膜間的活動圈分割成數塊滑動體)結合起來，即可在滾動軸承和動壓滑動軸承的基礎上構成一種新型軸承——滾滑軸承。

構建的滾滑軸承結構如圖1所示，主要由內圈、外圈、圓柱滾子和滑塊組成，滑塊的長度與滾子的長度一樣，滑塊的厚度、寬度與滾子的直徑按一定關系匹配。這種軸承通過滑塊來承擔一部分載荷，能降低滾子與軸和孔的接觸應力；同時，由于滑塊與滾子是相隔分布，與內、外圈的滑動摩擦是間斷性的，散熱性好，摩擦熱不會很高，而且能較好地保持原滾動軸承的高速特性[3]。

圖1 滾滑軸承的結構示意圖

2 滾動軸承、滑動軸承和滾滑軸承的理論分析

文獻[4]運用Hertz公式對石油鉆井牙輪鉆頭上的1套滾動軸承進行計算，該軸承有16個圓柱滾子，滾子有效長為13.8 mm，滾子直徑為12 mm，軸承內徑為49.85 mm，軸承徑向游隙為0.15 mm，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。求得其在40 kN載荷作用下滾動體承受的最大載荷為16 193 N，最大接觸應力為2.958 GPa，平均應力為0.987 GPa。對與上述尺寸基本相同的滾動軸承，軸徑為54 mm、長度為23 mm的滑動軸承以及滾子和滑塊長度為23 mm、滾子直徑和滑塊厚度都為11.8 mm、內圈外徑為54 mm、外圈內徑為77.8 mm、滑塊與滾子的數量比為8∶8的滾滑軸承三者在承受40 kN載荷作用下，運用ANSYS元件對滾子最大接觸應力進行有限元計算分析，結果見表2。

由表2可知：滾滑軸承滾子上的應力峰值和均值分別只有滾動軸承的17.4%和36%，軸上的應力峰值和均值分別只有滾動軸承的67%和58.5%，應力值下降非常明顯。滾滑軸承軸上的應力峰值和均值雖然比滑動軸承分別提高38%和64%，但由于其應力數值偏小，不足以引起滾滑軸承的嚴重疲勞磨損，而且還可以通過調整滑塊與滾子的數量比例或尺寸匹配關系來降低其應力峰值。因此，滾滑軸承能很好地適用于重載循環沖擊工作條件，有效降低疲勞磨損程度。

表2 接觸應力比較 MPa

3 滾動軸承、滑動軸承和滾滑軸承的試驗分析

3.1 滾動軸承的試驗

軸承轉速為326 r/min，給軸承施加30，40和50 kN的徑向載荷，摩擦副測試溫度在60 ℃左右；軸承在50 kN靜載荷下運轉25～30 h后，滾子表面和軸孔兩端發生了嚴重的疲勞點蝕和破損剝落，導致軸承失效，軸承僅有約50萬轉的壽命。

3.2 滑動軸承的試驗

在166 r/min的轉速下，可以達到40～90 kN的咬合點載荷，在40 kN左右的載荷下可較長時間運行，摩擦副溫度一般在120 ℃左右，摩擦副處于邊界潤滑摩擦狀態。在326 r/min的轉速下，一般在40 kN以下載荷就會因180 ℃(測試溫度，實際溫度估計在200 ℃以上)以上高溫破壞潤滑而咬死，平均壽命大約為39 h(96萬轉)。

3.3 滾滑軸承的試驗

用CrWMn材料作滑塊，熱處理硬度為55～58 HRC，在330 r/min的轉速下做咬合試驗，咬合點載荷為70～92 kN，具有滾動軸承不易咬合的特點。在轉速為330 r/min、載荷為50 kN下運行40 h后，摩擦副溫度大約在80℃，滾子沒有明顯的點蝕現象，表面光滑，滑塊內、外弧面摩擦得非常光亮，如圖2所示，軸承壽命基本上可達到70～100萬轉。

圖2 滾子滑塊在50 kN作用下工作40 h的實物照

4 結束語

通過滾動軸承、滑動軸承和滾滑軸承的理論分析和對比試驗研究表明，滾滑軸承是一種結構合理且性能優良的軸承。相對滑動軸承，滾滑軸承具有啟動和顯著的高速性能優勢；相對滾動軸承，滾滑軸承能有效降低滾子的接觸應力，在保持滾動軸承高速性能的同時，軸承的承載能力得到明顯提高。