基于水介質(zhì)的高速混合陶瓷球軸承的設(shè)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(yè)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(zhì)在某些環(huán)保要求較高的食品、灌溉、船舶、化工等領(lǐng)域得到較廣泛應(yīng)用，改變了長期以來機械傳動系統(tǒng)中以金屬構(gòu)件組成摩擦副的傳統(tǒng)觀念，不僅能節(jié)省大量油料和貴重有色金屬，而且可簡化軸系結(jié)構(gòu)，避免因油泄漏污染水環(huán)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(tǒng)的工作介質(zhì)，達到高效節(jié)能和環(huán)保的要求，是機械傳動系統(tǒng)研究領(lǐng)域的前沿課題。作為機械轉(zhuǎn)動或傳動用軸承[1]，目前水介質(zhì)主要應(yīng)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(zhì)金屬滾動軸承，由于受材料、設(shè)計理論等方面的影響，尤其金屬材料與水產(chǎn)生反應(yīng)將生成氧化物，對介質(zhì)產(chǎn)生不良影響，如鋼球與套圈的金屬接觸所產(chǎn)生的電化腐蝕，水的汽化壓力高很容易產(chǎn)生汽蝕，使材料受到侵蝕[2]等，在實踐中一直未能得到應(yīng)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(shù)的不斷發(fā)展，不銹鋼材料已得到廣泛應(yīng)用。文中針對水介質(zhì)的特點，設(shè)計了水介質(zhì)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(zhì)潤滑金屬滾動軸承的研究邁出探索性的一步。

1 水介質(zhì)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(shù)低、可大大簡化運轉(zhuǎn)介質(zhì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。水介質(zhì)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(fā)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(chǎn)生相互接觸，大多數(shù)情況下處于邊界潤滑和干摩擦狀態(tài)，因此，對水介質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、壓力等參數(shù)要求很高。

2 水試軸承設(shè)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(zhì)為循環(huán)水介質(zhì)，轉(zhuǎn)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(shè)計

為滿足水介質(zhì)高速軸承的性能要求，軸承外圈、雙半內(nèi)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(fù)合材料。軸承結(jié)構(gòu)主參數(shù)采用多目標評價函數(shù)，并依據(jù)擬動力學(xué)分析模型進行優(yōu)化，不同方案下軸承結(jié)構(gòu)主參數(shù)及性能參數(shù)見表1。

表1 水介質(zhì)軸承結(jié)構(gòu)主參數(shù)及性能參數(shù)

從方案2和4中可看出，其他結(jié)構(gòu)主參數(shù)相同，球徑不同，方案2最大接觸應(yīng)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(jié)構(gòu)主參數(shù)相同，外圈溝曲率系數(shù)大于內(nèi)圈溝曲率系數(shù)時的軸承最大旋滾比為0.346，外圈溝曲率系數(shù)小于內(nèi)圈時軸承最大旋滾比為0.290。旋滾比越大產(chǎn)生的熱量越多，這是高速軸承失效的主要原因，故設(shè)計時應(yīng)增大內(nèi)圈溝曲率系數(shù)以減小旋滾比。另外，比較方案2和3，其他結(jié)構(gòu)主參數(shù)相同，內(nèi)圈溝曲率系數(shù)不同，方案3中內(nèi)圈溝曲率系數(shù)大，旋滾比小，但最大接觸應(yīng)力大。

因此，軸承主參數(shù)優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)對接觸應(yīng)力和旋滾比綜合判斷。綜合以上分析，軸承的結(jié)構(gòu)主參數(shù)選用方案2。

保持架設(shè)計時，考慮水介質(zhì)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(dǎo)，橢圓形兜孔，以提高軸承的冷卻效果。

3 水試軸承試驗

根據(jù)水試軸承環(huán)境條件，研發(fā)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(qū)動端為33#，非驅(qū)動端為34#)，可同時實現(xiàn)軸承轉(zhuǎn)速、軸向載荷、溫度、振動和主機電流等主要性能參數(shù)的檢測。

3.1 試驗方法及目的

以實際軸承在水介質(zhì)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(zhuǎn)時間為30 s，而后在60 000 r/min下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)30 min。試驗旨在考核水介質(zhì)條件下高速混合陶瓷球軸承的綜合性能。

3.2 試驗參數(shù)的確定

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

圖2 水介質(zhì)流量對軸承振動的影響

由圖2可知，隨著水介質(zhì)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(zhì)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(huán)水介質(zhì)流量為21 L，且當溫度達到(30±1)℃時，應(yīng)停機更換水介質(zhì)。

3.3 水試軸承性能試驗

確定試驗過程中軸承各性能參數(shù)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(zhuǎn)平穩(wěn)，各試驗參數(shù)顯示正常，無明顯波動現(xiàn)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(zhì)，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(zhuǎn)速不斷升高，需要的水介質(zhì)流量相對較小；當轉(zhuǎn)速達到60 000 r/min并穩(wěn)定運行時，軸承振動和電流變化較小，且運轉(zhuǎn)趨于平穩(wěn)。

試驗表明，選用的水介質(zhì)流量可滿足該工況條件下水試軸承要求；軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，性能良好，可滿足使用要求。

3.4 試驗后軸承參數(shù)及內(nèi)表面分析

3.4.1 參數(shù)分析

水試軸承試驗后的相關(guān)檢測數(shù)據(jù)見表2，結(jié)果表明，各項指標均滿足設(shè)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(guī)定范圍內(nèi)。

表2 水試軸承試驗后檢測數(shù)據(jù)

3.4.2 試驗后零件表面形貌

試驗后33#和34#軸承內(nèi)外圈、保持架及陶瓷球表面狀態(tài)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(jié)果見表3。

表3 軸承外觀檢測結(jié)果

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

4 結(jié)論

(1)水介質(zhì)流量影響穩(wěn)速軸承振動；水介質(zhì)溫度較低時，對軸承振動影響不大，隨著水介質(zhì)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(zhuǎn)穩(wěn)定、可靠，水介質(zhì)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(guān)標準的要求，套圈表面沒有出現(xiàn)明顯的汽化及汽蝕現(xiàn)象。

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