寶石軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉雪峰

摘 要：利用有限元法分析寶石軸承的接觸應(yīng)力，優(yōu)選軸承設(shè)計(jì)方案，通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證軸承運(yùn)行的有效性。結(jié)果顯示與傳統(tǒng)型的軸承相比，新型的雙弧面球頭結(jié)構(gòu)在應(yīng)用的過(guò)程中不僅可以降低接觸應(yīng)力，還可以克服告訴運(yùn)行過(guò)程中對(duì)寶石的二次磨損。

關(guān)鍵詞：寶石軸承；接觸應(yīng)力；優(yōu)選設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH133 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在儀器儀表行業(yè)中，寶石軸承以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。近年來(lái)隨著它的高速化發(fā)展，逐漸在超高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的寶石軸承結(jié)構(gòu)球頭的半徑比球窩小，在儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中應(yīng)用傳統(tǒng)的軸承容易發(fā)生較為嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，其主要原因是軸承的球窩在運(yùn)行的過(guò)程中，由于磨損現(xiàn)象造成磨粒的堆積，如果在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下會(huì)發(fā)生再次的磨損現(xiàn)象，損壞寶石的軸承。從潤(rùn)滑角度分析，寶石軸承的潤(rùn)滑主要以邊界潤(rùn)滑的方式存在并且與潤(rùn)滑的強(qiáng)度有很大的關(guān)系，且取決于接觸區(qū)pv值的大小。因此為了提高寶石軸承在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下的抗磨損性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)軸承的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。

一、結(jié)構(gòu)優(yōu)選設(shè)計(jì)

（一）新結(jié)構(gòu)的提出

傳統(tǒng)寶石軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下會(huì)出現(xiàn)二次磨損的情況，為了降低二次磨損，本文設(shè)計(jì)一種新結(jié)構(gòu)，其最大的優(yōu)勢(shì)在于寶石軸承由點(diǎn)接觸過(guò)渡到線(xiàn)接觸，在過(guò)渡到中心區(qū)域呈現(xiàn)中心球面基礎(chǔ)的狀態(tài)，使軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，球頭與球窩之間有足夠的間隙能夠?qū)⒛p的磨粒存儲(chǔ)起來(lái)，減少再次磨損現(xiàn)象，如圖1所示。

第一類(lèi)結(jié)構(gòu)也不是最理想的結(jié)構(gòu)，因?yàn)榻佑|區(qū)域的應(yīng)力比較集中，因此第二類(lèi)的新結(jié)構(gòu)，樞軸球頭引入倒角弧面，將球頭做成雙弧面，既能夠有效的減緩第一類(lèi)設(shè)計(jì)帶來(lái)的二次磨損，又能夠大幅度的降低接觸應(yīng)力。

（二）優(yōu)選設(shè)計(jì)

1 設(shè)計(jì)方法

該設(shè)計(jì)方案主要是先分析軸承球頭與球窩之間的基礎(chǔ)應(yīng)力，并建立相應(yīng)的模型，將其中的接觸應(yīng)力降到最低，探討出能夠球頭與球窩之間相匹配的幾何規(guī)律，從而保障寶石軸承在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下磨損程度最小。

采用軟件ANSYS聯(lián)合有限元分析法建立接觸應(yīng)力模型。由于軸承在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)受到正向力與軸轉(zhuǎn)線(xiàn)之間的相互作用力，因此可以利用軟件建立三維有限元模型進(jìn)行分析。采用8節(jié)點(diǎn)的軸對(duì)稱(chēng)單元建模，這樣便于結(jié)算結(jié)果進(jìn)行比較。建立球頭與球窩的接觸面并將單元格以精度分級(jí)劃分。

2 結(jié)果與討論

樞軸寶石軸承的物理幾何參數(shù)如下所示：球窩材料彈性模量E為407GPa，為人工寶石，泊松比V=0.2。用鋼材制作軸承，彈性模量E=210GPa，泊松比V=0.3。球窩的外界邊界條件作為全約束條件，對(duì)軸承在垂直方向施加一個(gè)負(fù)載力，寶石球窩的半徑為R1=1.25mm，樞軸直徑為1.2mm。

分析傳統(tǒng)樞軸寶石軸承的球頭接觸應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。可知，隨著球頭半徑R2的增大，其接觸應(yīng)力逐漸下降。

分析第一類(lèi)新結(jié)構(gòu)的球頭接觸應(yīng)力可以得到與傳統(tǒng)寶石軸承結(jié)構(gòu)比較，傳統(tǒng)寶石軸承的半徑比第一類(lèi)新結(jié)構(gòu)的軸承半徑要大，從而導(dǎo)致應(yīng)力比較集中，且有明顯增大的趨勢(shì)，同時(shí)球頭半徑在1.30mm～1.60mm的范圍內(nèi)接觸應(yīng)力五明顯的變化。

分析新型結(jié)構(gòu)軸承為雙弧面的球頭的接觸應(yīng)力，球頭雙弧面相交圓直徑為d=1.0mm，由此可以發(fā)現(xiàn)球頭引入倒角圓弧后，接觸應(yīng)力值比150MPa要小，這樣避免了第一類(lèi)結(jié)構(gòu)中球尖外緣集合應(yīng)力的作用。新型結(jié)構(gòu)軸承半徑逐漸增大，接觸應(yīng)力呈現(xiàn)先變大后變小的趨勢(shì)。倒角圓弧半徑R3與球窩半徑R1越接近，接觸應(yīng)力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。如果R2的值最小，雙弧面R2、R3相切方向的交角較大，那么這時(shí)的接觸應(yīng)力最小。隨著R2的逐漸增大，雙弧面的交角變小，導(dǎo)致軸承的應(yīng)力較大。隨著R2的逐漸增大，R3湖面承載軸承的負(fù)載，接觸應(yīng)力逐漸減小。

分析寶石軸承接觸應(yīng)力與直徑d之間的關(guān)系，寶石軸承直徑分別為R2= 1.50mm、R3=1.20mm。隨著直徑的增加，接觸應(yīng)力逐漸減小，說(shuō)明了隨著直徑的逐漸增大，球頭與球窩的線(xiàn)接觸周向長(zhǎng)度呈πd倍增加，相應(yīng)赫茲面積逐漸增加，致使接觸應(yīng)力逐漸減小。

二、寶石軸承的磨合磨損分析

（一）軸尖磨損量分析

良好的寶石軸承最大的優(yōu)勢(shì)在于磨損的時(shí)間短，磨損量小，且具有抗磨損性能。設(shè)計(jì)最優(yōu)的軸尖應(yīng)當(dāng)達(dá)到磨損量最小和磨損時(shí)間最短的目標(biāo)。因此需要滿(mǎn)足軸尖磨損時(shí)間和磨損量。應(yīng)當(dāng)首先分析磨合磨損量。在相同的條件下，兩種軸尖的磨合磨損區(qū)域拓展的速度大不相同，也就是在相同時(shí)間內(nèi)不同磨損區(qū)域拓展的寬度有很大的不同。圖3左側(cè)為傳統(tǒng)型軸尖表面幾何輪廓，右側(cè)為新型的軸尖幾何輪廓。

（二）軸承磨合階段的接觸應(yīng)力

在磨合期間，軸尖表面的幾何輪廓會(huì)出現(xiàn)不同接觸狀態(tài)的變化，并隨著接觸狀態(tài)改變接觸應(yīng)力發(fā)生變化，且兩者之間相互作用。新型軸尖快速磨合的特性可以通過(guò)接觸應(yīng)力的計(jì)算得到。傳統(tǒng)寶石軸承的軸尖曲率半徑R1為1.9mm，球窩曲率半徑R2=2.0mm，而新型寶石軸承曲率半徑R1為2.1mm，球窩曲率半徑R2為2.0mm，軸尖外緣R3為0.1mm，對(duì)兩種軸承應(yīng)用二維高階單元Plane183建模，在實(shí)驗(yàn)中飛輪轉(zhuǎn)子的質(zhì)量為1kg，施加的負(fù)載力為10N，計(jì)算出接觸剛度因子。由材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論可以得到當(dāng)材料超過(guò)應(yīng)力時(shí)會(huì)發(fā)生塑性變形。經(jīng)過(guò)建模分析可以得到荷載為10N時(shí)，兩種軸承最大的應(yīng)力都沒(méi)有達(dá)到強(qiáng)度要求，因此具有安全性。新型軸尖最大的接觸壓力為651MPa，比傳統(tǒng)型軸尖大，主要原因在于新型軸承軸尖接觸曲率不過(guò)度光滑，具有很高的接觸力，在抗磨損性能上不占有優(yōu)勢(shì)。新型的軸尖具有微量磨損和儲(chǔ)存磨粒的作用，較高的接觸應(yīng)力能夠去除軸尖外緣材料的磨損，在短暫的狀態(tài)下，快速磨合迅速消失，從而很快過(guò)渡到共形面接觸。

三、試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)寶石軸承在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的性能，本次研究選用高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其中寶石軸承參數(shù)為：球窩半徑R1=1.25mm。傳統(tǒng)型球頭半徑R2=1.20mm。樞軸球頭與球窩表面粗糙度Ra=0.025μm，實(shí)驗(yàn)之前選用真空泵油進(jìn)行油浴潤(rùn)滑，使用精密天平稱(chēng)重計(jì)算出磨損率，使用掃描鏡觀(guān)察軸承磨損的形狀。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到傳統(tǒng)型寶石軸承球面的磨損形式為疲勞磨損，磨損現(xiàn)象嚴(yán)重。新型寶石軸承表面十分光滑。實(shí)驗(yàn)表明新型寶石軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)，為高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的軸承提供了可參考的技術(shù)基礎(chǔ)。

結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)寶石軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種新型的雙弧面軸承，不僅比傳統(tǒng)型軸承具有優(yōu)勢(shì)，還能夠降低接觸應(yīng)力，克服軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的磨損。與傳統(tǒng)型寶石軸承相比磨損減小，軸尖磨合時(shí)間短，磨合磨損量小，具有抗磨損性能，因此可延長(zhǎng)使用的壽命。設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)隨著R2的變化，接觸應(yīng)力也出現(xiàn)明顯得變化，這一規(guī)律為寶石軸承設(shè)計(jì)提供了重要的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]唐長(zhǎng)亮，戴興建.新型高速寶石樞軸承抗磨損性能優(yōu)勢(shì)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2010，26（05）：67-70.

[2]蔣書(shū)運(yùn).新型高速化樞軸寶石軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)選設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2004，15（05）：381-383.

[3]謝軍，吳宏章，陳大林，等.高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的研制[J].潤(rùn)滑與密封，2008，33（05）：97-99.

[4]謝紅君.高速寶石軸承摩擦學(xué)性能試驗(yàn)研究[D].東南大學(xué)，2011.