基于水介質的高速混合陶瓷球軸承的設計及驗證

楊虎，倪受俊，李亮，王旭，張志華

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南能源化工集團 裝備制造事業部，鄭州 450046；3.鐵姆肯(無錫)軸承有限公司，江蘇 無錫 214028;4.浙江新昌皮爾軸承有限公司,浙江 新昌 312500)

水介質在某些環保要求較高的食品、灌溉、船舶、化工等領域得到較廣泛應用，改變了長期以來機械傳動系統中以金屬構件組成摩擦副的傳統觀念，不僅能節省大量油料和貴重有色金屬，而且可簡化軸系結構，避免因油泄漏污染水環境。如何利用天然水替代礦物油作為各種機械傳動和流體動力系統的工作介質，達到高效節能和環保的要求，是機械傳動系統研究領域的前沿課題。作為機械轉動或傳動用軸承[1]，目前水介質主要應用于由陶瓷、塑料、橡膠、塑料合金以及尼龍等材料制造的非金屬軸承，大多屬于滑動軸承[2]，且僅適用于低速、低載荷工況。目前，水介質金屬滾動軸承，由于受材料、設計理論等方面的影響，尤其金屬材料與水產生反應將生成氧化物，對介質產生不良影響，如鋼球與套圈的金屬接觸所產生的電化腐蝕，水的汽化壓力高很容易產生汽蝕，使材料受到侵蝕[2]等，在實踐中一直未能得到應用。

金屬材料硬度高、耐磨損性好，適合高速、重載工況，隨著材料技術的不斷發展，不銹鋼材料已得到廣泛應用。文中針對水介質的特點，設計了水介質高速混合陶瓷球軸承，并進行了影響水試軸承試驗性能的因素分析，通過實際軸承水試試驗考核，期望能為水介質潤滑金屬滾動軸承的研究邁出探索性的一步。

1 水介質的特點

水的黏度很低，僅為潤滑油的1/100～1/20，具有摩擦阻力小、摩擦因數低、可大大簡化運轉介質系統結構等優點。水介質軸承在一定條件下可以形成流體動力潤滑水膜[3-5]，潤滑水膜一方面起著傳遞載荷的作用，另一方面避免摩擦面之間發生直接摩擦，降低功耗。由于潤滑液膜的承載能力與黏度成正比，與膜厚的平方成反比，在其他條件都相同的情況下，承載能力相等時水膜的厚度僅為油膜厚度的1/8[2]。這表明軸承的承載能力比較低，而且很有可能在非流體摩擦工況下工作，容易在材料間產生相互接觸，大多數情況下處于邊界潤滑和干摩擦狀態，因此，對水介質系統的結構、壓力等參數要求很高。

2 水試軸承設計

2.1 基本要求

高速混合陶瓷球軸承的外形尺寸為Φ15 mm×Φ32 mm×9 mm，工作介質為循環水介質，轉速為60 000 r/min，軸向載荷均為500 N，要求滿足2 h 4次啟停試驗考核。

2.2 軸承設計

為滿足水介質高速軸承的性能要求，軸承外圈、雙半內圈均采用G95Cr18不銹鋼材料，滾動體采用Si3N4陶瓷材料，保持架采用聚四氟乙烯為基體的自潤滑復合材料。軸承結構主參數采用多目標評價函數，并依據擬動力學分析模型進行優化，不同方案下軸承結構主參數及性能參數見表1。

表1 水介質軸承結構主參數及性能參數

從方案2和4中可看出，其他結構主參數相同，球徑不同，方案2最大接觸應力小于方案4，故選用較大的球徑可以提高軸承的載荷容量。

對比方案1和2，其他結構主參數相同，外圈溝曲率系數大于內圈溝曲率系數時的軸承最大旋滾比為0.346，外圈溝曲率系數小于內圈時軸承最大旋滾比為0.290。旋滾比越大產生的熱量越多，這是高速軸承失效的主要原因，故設計時應增大內圈溝曲率系數以減小旋滾比。另外，比較方案2和3，其他結構主參數相同，內圈溝曲率系數不同，方案3中內圈溝曲率系數大，旋滾比小，但最大接觸應力大。

因此，軸承主參數優化設計時應對接觸應力和旋滾比綜合判斷。綜合以上分析，軸承的結構主參數選用方案2。

保持架設計時，考慮水介質對軸承性能的影響，在滿足保持架強度的前提下，采用外引導，橢圓形兜孔，以提高軸承的冷卻效果。

3 水試軸承試驗

根據水試軸承環境條件，研發的試驗裝置如圖1所示。

圖1 水試軸承試驗裝置

該裝置每次試驗2套軸承(驅動端為33#，非驅動端為34#)，可同時實現軸承轉速、軸向載荷、溫度、振動和主機電流等主要性能參數的檢測。

3.1 試驗方法及目的

以實際軸承在水介質條件下進行2 h 4次啟停試驗，每次試驗過程均為：啟動過程運轉時間為30 s，而后在60 000 r/min下穩定運轉30 min。試驗旨在考核水介質條件下高速混合陶瓷球軸承的綜合性能。

3.2 試驗參數的確定

試驗前，采用壓力控制供水流量，軸向載荷為500 N、穩定轉速為60 000 r/min條件下，分別考核了水介質流量和溫度對試驗軸承性能的影響，結果如圖2和圖 3所示。

圖2 水介質流量對軸承振動的影響

由圖2可知，隨著水介質流量增大，軸承振動逐漸減小，當增大到21 L時，振動達到最小值，而后又逐漸增大。圖3表明水介質溫度不高于25 ℃時，對軸承振動影響不大，當溫度為25～30 ℃時，軸承振動顯著增大。

圖3 水溫(流量21 L)對軸承振動的影響

通過以上分析，最終確定試驗中循環水介質流量為21 L，且當溫度達到(30±1)℃時，應停機更換水介質。

3.3 水試軸承性能試驗

確定試驗過程中軸承各性能參數測試記錄如圖4～圖6所示，其中圖6為2套試驗軸承的電流。

圖4 試驗過程中溫度變化

圖5 試驗過程中振動變化

圖6 試驗過程中電流變化

由圖4可知，在2 h 4次啟停試驗中，水溫逐漸升高，第3次試驗水溫明顯升高，最高達到30 ℃，軸承振動明顯增大(圖5)。整個試驗過程軸承運轉平穩，各試驗參數顯示正常，無明顯波動現象。為控制試驗水溫不高于(30±1)℃，需提高冷卻效果，在第4次試驗前更換了水介質，由圖5可以看出，水溫降低，振動減小。

由圖5和圖6可以看出，啟動時振動和電流均較大，這是由于啟動時軸承轉速不斷升高，需要的水介質流量相對較小；當轉速達到60 000 r/min并穩定運行時，軸承振動和電流變化較小，且運轉趨于平穩。

試驗表明，選用的水介質流量可滿足該工況條件下水試軸承要求；軸承結構設計合理，性能良好，可滿足使用要求。

3.4 試驗后軸承參數及內表面分析

3.4.1 參數分析

水試軸承試驗后的相關檢測數據見表2，結果表明，各項指標均滿足設計要求，尤其是影響軸承綜合性能的徑向游隙、軸向游隙及接觸角仍在標準值規定范圍內。

表2 水試軸承試驗后檢測數據

3.4.2 試驗后零件表面形貌

試驗后33#和34#軸承內外圈、保持架及陶瓷球表面狀態如圖7和圖8所示。

圖7 試驗后33#軸承零件表面形貌

圖8 試驗后34#軸承零件表面形貌

通過顯微鏡觀察，水試軸承各零件外觀檢測結果見表3。

表3 軸承外觀檢測結果

從2套軸承工作接觸摩擦面外觀檢查結果看，34#軸承內圈出現的均勻磨痕屬于正常疲勞磨損；而驅動側33#軸承受載半內圈溝道出現麻點痕跡，可能是因為軸承提速時需要的水介質流量較少而發生粘著磨損,或因過濾效果差使水介質含有雜質，從而發生磨粒磨損。應采取的措施是提高水試軸承穩速前的水介質流量和質量；保持架外徑引導面有輕微磨痕，分析認為系循環水介質對保持架產生不平衡作用力所致，尤其當軸承高速運轉時，將進一步增大保持架的不平衡量。

4 結論

(1)水介質流量影響穩速軸承振動；水介質溫度較低時，對軸承振動影響不大，隨著水介質溫度的逐漸升高，軸承振動呈增大趨勢。

(2)試驗過程中軸承運轉穩定、可靠，水介質流量可滿足水試軸承的性能要求。試驗后軸承各項指標均滿足相關標準的要求，套圈表面沒有出現明顯的汽化及汽蝕現象。

(3)基于水介質的高速混合陶瓷球軸承的設計和水試技術，可為水介質潤滑鋼制滾動軸承及非金屬軸承的設計應用提供參考。