不同基體材料保持架軸承引導間隙的試驗分析

李文超 ,鄧四二，李建華，孫小波，葉亞飛

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

軸承在工作時，尤其是在高溫、高速下，保持架會發生高溫膨脹和高速離心膨脹，使自身與引導擋邊之間的間隙減小，甚至使軸承卡死，因此保持架引導間隙的設計至關重要。

1 工況對引導間隙的影響

從動力學觀點來看，保持架是影響軸承運轉穩定性的主要因素，所以保持架引導間隙和兜孔間隙的設計尤為重要[1-2]。尤其高溫、高速軸承在工作時，保持架的高速旋轉會引起自身外徑面向外膨脹，使引導間隙變小；同時軸承工作溫度升高，由于外圈和保持架材料線膨脹系數不同，也將使軸承引導間隙變小。軸承高速旋轉時保持架引導間隙減小量為[3]

(1)

式中：ρc為保持架材料密度；ωc為保持架公轉角速度；dc為保持架內徑；Dc為保持架外徑；νc為保持架材料泊松比；Ec為保持架材料彈性模量。

軸承工作時由溫度引起的保持架引導間隙變化量δt為

δt=λc(T1-T0)Dc-λe(T1-T0)D2，

(2)

式中：λc為保持架材料線膨脹系數；λe為外圈材料線膨脹系數；D2為外圈擋邊直徑；T1為軸承工作溫度；T0為室溫。

通過(1)～(2)式可以看出，軸承工作中保持架的引導間隙除與軸承轉速、工作溫度等有關外，還與保持架材料密切相關。

2 試驗

2.1 試驗軸承

試驗軸承是接觸角為25°的P4雙半內圈角接觸球軸承QJS207，外圈擋邊引導保持架，結構如圖1所示，結構參數見表1。內、外套圈和鋼球均采用Cr4Mo4V高溫軸承鋼制造，保持架材料為鋁青銅、耐高溫聚酰亞胺(下稱PI)。

表1 QJS207軸承參數

圖1 QJS207軸承

為確保試驗的可對比性，設計并加工了一種尺寸的鋁青銅和3種不同尺寸的PI保持架(PI-0,PI-1,PI-2)，結構參數及引導間隙見表2。

表2 保持架結構參數及引導間隙 mm

2.2 試驗條件

在自行開發的高速、高溫試驗機上對QJS207軸承進行試驗。試驗時外圈固定，內圈旋轉，噴油潤滑，潤滑油為4050，油噴入保持架與內圈之間的縫隙。軸承試驗工況：轉速為50 000 r/min，軸向載荷為6.5 kN，徑向載荷為2 kN，給油量為0.9 L/min。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

試驗過程中，裝有PI-0，PI-1保持架的軸承在轉速分別升到32 000，42 000 r/min時，主機電流迅速升高，試驗機自動停車保護。拆解軸承檢查發現，保持架外徑一側產生嚴重磨損，如圖2a、圖2b所示。

圖2 試驗后的保持架

裝有PI-2及鋁青銅保持架的軸承在試驗過程中運轉平穩，軸承外圈溫度、主機電流及主機振動等測試參數示值穩定，保持架外徑磨痕均勻、正常，如圖2c、圖2d所示。

3.2 對比分析

鋁青銅材料具有高的強度、耐磨性和高溫耐蝕性，為高溫、高速軸承保持架常用材料；耐高溫PI材料為新研制的適用于高溫、高速軸承的保持架材料，具有耐高溫、強度高和摩擦因數小的特點。2種材料的力學性能及物理性能對比見表3。

表3 2種材料的力學性能和物理性能對比

試驗中，裝有鋁青銅保持架的QJS207軸承運轉平穩，而裝有同尺寸PI-0保持架的軸承可達的最高轉速為32 000 r/min，拆套后發現PI-0保持架潤滑油流出一側嚴重磨損，說明PI保持架與鋁青銅保持架的合理引導間隙不同。由(1)～(2)式可得鋁青銅保持架和PI保持架引導間隙隨轉速的變化情況(圖3)。

圖3 保持架引導間隙隨轉速的變化

從圖3可以看出，當軸承轉速約為50 000 r/min時，由于保持架高速離心膨脹和高溫膨脹，鋁青銅保持架引導間隙減小量較小，而耐高溫PI保持架引導間隙減小量較大，故設計時不能采用相同的引導間隙。

當軸承轉速為32 000 r/min時，裝有與鋁青銅保持架結構參數完全相同的PI-0保持架的軸承引導間隙接近于0，導致保持架與引導擋邊嚴重摩擦，主機電流迅速上升報警停車。

當PI-0保持架外徑減小0.4 mm(PI-1保持架)，即軸承設計引導間隙增大0.4 mm，當軸承轉速為42 000 r/min左右時，裝有PI-1保持架的軸承引導間隙為0.39 mm，主機電流增大報警停車。推測主要是PI保持架的加工精度沒有鋁青銅保持架高；另外保持架高速旋轉時，其質心不在軸承中心，而是在徑向移動[4]。再將PI-1保持架外徑減小0.2 mm(PI-2保持架)，即軸承設計引導間隙增大0.6 mm，當軸承轉速約為50 000 r/min時，裝有PI-2保持架的軸承引導間隙為0.58 mm，試驗15 min，軸承運轉平穩，外圈溫度、主機電流和主機振動等測試參數示值穩定。所以PI保持架的設計引導間隙應為0.9 mm，而不能采用鋁青銅保持架0.3 mm的引導間隙。

4 結束語

通過對QJS207軸承鋁青銅保持架和不同引導間隙PI保持架的試驗分析，認為高溫、高速角接觸球軸承的設計引導間隙不僅與軸承轉速及工作溫度等有關，還與保持架的材料密切相關。保持架材料決定著保持架的加工精度、離心膨脹、熱膨脹和保持架質心移動量等。

針對QJS207軸承給定的工況，鋁青銅保持架的設計引導間隙應為0.3 mm，PI保持架的設計引導間隙應為0.9 mm，但2種材料保持架的兜孔間隙則可取相同值，即均為0.3 mm。