內圈與軸過盈量對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；2.萬向集團公司，杭州 311215；3.河南新平科煙草機械有限公司，河南 新鄉 453002)

軸承通常采用過盈配合安裝在軸上，以防止因軸承內圈與軸之間的相對運動而產生微動磨損。但內圈與軸之間的過盈配合會引起內圈輕微膨脹，導致軸承徑向游隙減小[1]。游隙通常影響軸承內部的載荷分布和壽命，也與軸承的抗斷油能力密切相關。軸承抗斷油能力是軸承重要工作性能之一，通常通過斷油試驗進行考核，即在軸承潤滑油出現瞬時供油中斷或不足的情況下進行的特殊性能試驗，是軸承在極端狀態下的一種破壞性試驗，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徑向游隙的影響，并以QJS207軸承為例，分別在內圈與軸不同過盈量的情況下進行了軸承斷油試驗，考核過盈量對軸承斷油性能的影響。

1 過盈量對軸承徑向游隙的影響

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

(1)

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

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

(2)

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

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

(3)

2 試驗軸承和設備

試驗軸承為內徑35 mm、接觸角25°的雙半內圈角接觸球軸承，其結構如圖1所示，結構參數見表1。軸承內、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軸承結構圖

表1 QJS207軸承參數

試驗設備為高速高溫試驗機，試驗軸系采用簡支梁結構，每次可同時安裝2套QJS207軸承(一套為陪試軸承，另一套為試驗軸承)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。電主軸通過柔性聯軸器與試驗主軸的軸伸端相連，拖動軸系高速旋轉；試驗軸系下方為提供端面噴射潤滑的噴嘴體，潤滑油噴向保持架與內圈之間的縫隙處。高速高溫試驗機軸系結構如圖2所示。

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

每套試驗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 mm

3 試驗

每套軸承正式試驗前先進行30 min的磨合試驗，按照表3斷油試驗載荷譜斷油30 s后，恢復供油繼續運轉30 min，試驗用潤滑油為4050高溫合成航空潤滑油。3組斷油試驗僅改變軸承內圈與軸的過盈量，其他試驗參數不變。

表3 斷油試驗載荷譜

試驗過程中，1#軸承斷油試驗至19 s時，主機電流超限報警，停止試驗；2#軸承斷油試驗至17 s時，主機電流超限報警，停止試驗；3#軸承順利通過30 s的斷油試驗。

試驗結束拆下軸承觀察發現，1#和2#軸承手動旋轉卡滯，產生了如圖3和圖4所示的嚴重磨損情況；而3#軸承手動旋轉靈活，外觀完好，磨痕均勻、正常，尺寸及旋轉精度檢測均正常，各零件外觀形貌如圖5所示。斷油試驗過程中各被試軸承外圈溫度曲線如圖6所示。

圖3 試驗后1#軸承內圈外觀形貌

圖4 試驗后2#軸承內圈外觀形貌

圖5 試驗后3#軸承零件外觀形貌

由上述分析并結合圖6可以看出：1#和2#軸承內圈與軸配合過盈量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滑油冷卻和潤滑，軸承溫度迅速升高，外圈溫度在4 s內升高了15 ℃，且內圈溫度高于外圈，存在溫度梯度，致使軸承內部產生較大的附加載荷，軸承迅速磨損，主機電流超限報警試驗機停車；3#軸承內圈與軸配合過盈量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，溫度梯度使軸承內部產生的附加載荷明顯減小，故3#軸承通過了30 s的斷油試驗要求。

圖6 斷油試驗中軸承外圈溫度曲線

4 結論

軸承通常均可以通過10 s左右的斷油試驗，此后沒有了潤滑油的冷卻和潤滑作用，根據工作游隙，軸承可通過的斷油試驗時間不等，工作游隙大，軸承可通過的斷油試驗時間長，反之則短；內圈與軸過盈量為0.014～0.015 mm時，軸承可斷油運轉10～19 s，內圈與軸過盈量為0.005～0.006 mm時，軸承可斷油運轉30 s。