內(nèi)圈與軸過盈量對(duì)高速軸承抗斷油能力的影響

李文超，劉良勇，楊建虹，李彥，李慶喜

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.萬向集團(tuán)公司，杭州 311215；3.河南新平科煙草機(jī)械有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453002)

軸承通常采用過盈配合安裝在軸上，以防止因軸承內(nèi)圈與軸之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生微動(dòng)磨損。但內(nèi)圈與軸之間的過盈配合會(huì)引起內(nèi)圈輕微膨脹，導(dǎo)致軸承徑向游隙減小[1]。游隙通常影響軸承內(nèi)部的載荷分布和壽命，也與軸承的抗斷油能力密切相關(guān)。軸承抗斷油能力是軸承重要工作性能之一，通常通過斷油試驗(yàn)進(jìn)行考核，即在軸承潤(rùn)滑油出現(xiàn)瞬時(shí)供油中斷或不足的情況下進(jìn)行的特殊性能試驗(yàn)，是軸承在極端狀態(tài)下的一種破壞性試驗(yàn)，考核其斷油耐受能力(抗斷油能力)。

下文從理論上分析了過盈量對(duì)徑向游隙的影響，并以QJS207軸承為例，分別在內(nèi)圈與軸不同過盈量的情況下進(jìn)行了軸承斷油試驗(yàn)，考核過盈量對(duì)軸承斷油性能的影響。

1 過盈量對(duì)軸承徑向游隙的影響

滾子軸承中，內(nèi)圈可以等效作為薄壁空心圓柱體；但球軸承內(nèi)圈包含溝道，不能直接視為薄壁空心圓柱，內(nèi)圈等效轉(zhuǎn)換外徑d2i為[2]

(1)

式中：d2為內(nèi)圈擋邊直徑；Kd為內(nèi)圈擋邊直徑系數(shù)；Dw為鋼球直徑；B為內(nèi)圈寬度；A為內(nèi)圈溝道橫截面面積，可由幾何關(guān)系計(jì)算得出。

軸承內(nèi)圈與軸以有效過盈量Isi配合時(shí)，內(nèi)圈膨脹，內(nèi)溝道直徑也將增大，其徑向增大量，即徑向游隙減小量δsi為[1]

(2)

式中：d為軸承內(nèi)徑；ds為軸孔直徑；Ei為內(nèi)圈材料彈性模量；Es為軸材料彈性模量；νi為內(nèi)圈材料泊松比；νs為軸材料泊松比。

如果內(nèi)圈與軸的材質(zhì)相同，且軸為實(shí)心軸，則(2)式中Ei=Es，νi=νs，故有

(3)

2 試驗(yàn)軸承和設(shè)備

試驗(yàn)軸承為內(nèi)徑35 mm、接觸角25°的雙半內(nèi)圈角接觸球軸承，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。軸承內(nèi)、外圈和鋼球材料均為Cr4Mo4V高溫軸承鋼，保持架材料為鋁青銅。

圖1 QJS207軸承結(jié)構(gòu)圖

表1 QJS207軸承參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備為高速高溫試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)軸系采用簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，每次可同時(shí)安裝2套QJS207軸承(一套為陪試軸承，另一套為試驗(yàn)軸承)和1套圓柱滾子軸承(加載軸承)，徑向載荷施加于加載軸承、并通過試驗(yàn)軸傳遞到兩端支承軸承上，軸向載荷由加載活塞通過加載桿直接施加于試驗(yàn)軸承外圈上，要求外圈與軸承座之間為間隙配合。電主軸通過柔性聯(lián)軸器與試驗(yàn)主軸的軸伸端相連，拖動(dòng)軸系高速旋轉(zhuǎn)；試驗(yàn)軸系下方為提供端面噴射潤(rùn)滑的噴嘴體，潤(rùn)滑油噴向保持架與內(nèi)圈之間的縫隙處。高速高溫試驗(yàn)機(jī)軸系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—軸向載荷；2—QJS207試驗(yàn)軸承；3—徑向載荷；4—NU1007軸承；5—QJS207陪試軸承

每套試驗(yàn)軸承與軸和軸承座的配合值見表2。外圈與軸承座均為間隙配合，間隙量為0.015～0.017 mm，內(nèi)圈與軸均為過盈配合，且過盈量差異較大。

表2 軸承與軸和軸承座的配合參數(shù) mm

3 試驗(yàn)

每套軸承正式試驗(yàn)前先進(jìn)行30 min的磨合試驗(yàn)，按照表3斷油試驗(yàn)載荷譜斷油30 s后，恢復(fù)供油繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)30 min，試驗(yàn)用潤(rùn)滑油為4050高溫合成航空潤(rùn)滑油。3組斷油試驗(yàn)僅改變軸承內(nèi)圈與軸的過盈量，其他試驗(yàn)參數(shù)不變。

表3 斷油試驗(yàn)載荷譜

試驗(yàn)過程中，1#軸承斷油試驗(yàn)至19 s時(shí)，主機(jī)電流超限報(bào)警，停止試驗(yàn)；2#軸承斷油試驗(yàn)至17 s時(shí)，主機(jī)電流超限報(bào)警，停止試驗(yàn)；3#軸承順利通過30 s的斷油試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)束拆下軸承觀察發(fā)現(xiàn)，1#和2#軸承手動(dòng)旋轉(zhuǎn)卡滯，產(chǎn)生了如圖3和圖4所示的嚴(yán)重磨損情況；而3#軸承手動(dòng)旋轉(zhuǎn)靈活，外觀完好，磨痕均勻、正常，尺寸及旋轉(zhuǎn)精度檢測(cè)均正常，各零件外觀形貌如圖5所示。斷油試驗(yàn)過程中各被試軸承外圈溫度曲線如圖6所示。

圖3 試驗(yàn)后1#軸承內(nèi)圈外觀形貌

圖4 試驗(yàn)后2#軸承內(nèi)圈外觀形貌

圖5 試驗(yàn)后3#軸承零件外觀形貌

由上述分析并結(jié)合圖6可以看出：1#和2#軸承內(nèi)圈與軸配合過盈量0.014～0.015 mm，軸承安裝后徑向游隙減小了0.011 mm左右，斷油后缺乏有效的潤(rùn)滑油冷卻和潤(rùn)滑，軸承溫度迅速升高，外圈溫度在4 s內(nèi)升高了15 ℃，且內(nèi)圈溫度高于外圈，存在溫度梯度，致使軸承內(nèi)部產(chǎn)生較大的附加載荷，軸承迅速磨損，主機(jī)電流超限報(bào)警試驗(yàn)機(jī)停車；3#軸承內(nèi)圈與軸配合過盈量0.005～0.006 mm，軸承徑向游隙減小了0.004 mm左右，比1#和2#軸承徑向游隙少減小了0.008 mm，溫度梯度使軸承內(nèi)部產(chǎn)生的附加載荷明顯減小，故3#軸承通過了30 s的斷油試驗(yàn)要求。

圖6 斷油試驗(yàn)中軸承外圈溫度曲線

4 結(jié)論

軸承通常均可以通過10 s左右的斷油試驗(yàn)，此后沒有了潤(rùn)滑油的冷卻和潤(rùn)滑作用，根據(jù)工作游隙，軸承可通過的斷油試驗(yàn)時(shí)間不等，工作游隙大，軸承可通過的斷油試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，反之則短；內(nèi)圈與軸過盈量為0.014～0.015 mm時(shí)，軸承可斷油運(yùn)轉(zhuǎn)10～19 s，內(nèi)圈與軸過盈量為0.005～0.006 mm時(shí)，軸承可斷油運(yùn)轉(zhuǎn)30 s。