低溫對滾動軸承運行的影響

江慧敏 姚艷

摘 要：針對低溫狀況下軸承徑向變形量變化對設備工作狀態的影響情況，分析了發生問題的原因，提出了解決問題的方法，設計出了滿足用戶要求的結構方式。

關鍵詞：溫度；轉動

1 前言

設計人員設計時需要考慮的一項重要因素就是必須要滿足環境的使用要求，本文主要分析了一種設備，觀察它在低溫環境中轉動力矩偏大的現象，并詳細分析計算了它的結構因素，然后設計了一種新的結構形式，以滿足用戶的需求，實驗證明，這種新的結構形式能夠滿足設備的每一項技術要求。

2 結構形式

設備轉動部分結構形式如圖1所示，設備外殼為鑄鋁合金件，設備外殼內部安裝有軸承，軸承的材料是鉻鋼，設備外殼內部尺寸是590mm。

根據GB275-84（滾動軸承和外殼配合）中的軸承安裝具體要求，我們可以選擇以下幾種尺寸的差數值：

設備外殼型號和尺寸為：Φ590H7（0，+0.07）軸承外圈的尺寸為：Φ590h6（-0.04，0）

設備的配合形式為精密配合，這種設備遇到低溫的環境，其中的鋼和鋁由于熱脹冷縮會出現收縮變形的現象，從而導致設備軸承外圈不得不擠壓滾珠，進而減小軸承之間縫隙，增大軸承轉動的靜摩擦力，引起轉動力矩偏大。

3 理論分析

3.1 溫度變化引起尺寸變形分析

由于鑄鋁合金的線膨脹系數（18.44～24.5×10-6/℃）是一個變動范圍，以下按鑄鋁合金的線膨脹系數最小、最大和平均值來分別計算當溫度變化時外殼、軸承外圈的尺寸變形量。方位殼體和軸承外圈溫度變化為-40℃時的尺寸變形量見表1。

3.2 理論尺寸分析

方法一：從表1可以看出，如果不考慮材料的彈性模量，當環境溫度降低到-40℃時，設備外殼會向內收縮-0.65mm，軸承向內收縮-0.4mm，如果按照最大的加工量進行計算，那么尺寸差距為

-0.65-（-0.4）+0.07-（-0.04）=-0.14mm

上述計算證明在不考慮材料彈性模量的情況下，設備的外殼會向內收縮0.14mm，這樣軸承之間的間隙則為0.01～0.04mm，變形使軸承的縫隙減少，進而增大了軸承轉動的力矩。

方法二：各種材料均有彈性模量，大于軸承外圈的收縮量，這時殼體將給軸承外圈施加擠壓力，從而引起軸承外圈收縮變形，軸承外圈將產生一個反擠壓力，當求出擠壓力和反擠壓力達到平衡時兩者的變形量，就可知道這時軸承外圈的收縮變形量，也就知道軸承游隙的減少量。

軸承外圈的收縮變形量的近似計算方法如下：確定材料線脹系數軸承為鉻鋼α1=11.2×10-6，殼體為鋁合金取平均值α2=21.47×10-6；

軸承厚度為t1=32.5mm，殼體厚度為t2=35mm；

彈性模量鉻鋼為E1=206GPa，殼體為E2=69GPa；

按常溫20℃，低溫-40℃計算，環境溫度變化量為=20-（-40）=60℃，

根據材料力學定理，計算如下：

軸承的線應變為：

軸承的徑向變形量為：×590= -0.096mm。因為軸承之間的游隙為0.01～0.04mm，那么處于-40℃的環境中時，軸承的徑向變形量開始超過軸承游隙的減少量。對上述的計算數據進行分析，并結合設備的裝配實踐經驗，我們可以發現：設備外殼的收縮變形量在溫度降低的時候會大于軸承外圈的收縮變形量，設備外殼的殼體會對內部施壓，從而導致軸承外圈收縮變形，進而引起軸承游隙的減小，同時使軸承的靜摩擦力矩加大。

當溫度相同時，還要分析軸承的個別化現象。常溫下，軸承的靜摩擦力矩變大，在低溫環境中，軸承之間的游隙會變小，同時軸承的靜摩擦力矩也會隨之增大。這些都是導致軸承轉動困難的主要原因。

4 結論

根據前述的分析及試驗得出以下結論：

a.低溫下鑄鋁合金件和軸承在降溫過程中由于不同材料的線膨脹系數使零件產生的變形量不同而引起的軸承游隙減小是設備靜摩擦力矩增大的關鍵原因，即使在負游隙下軸承仍然能夠正常工作，但由于軸承的摩擦力矩太大就會造成軸承的轉動困難。

b.影響軸承摩擦力矩的因素有很多，主要有軸承徑向游隙、軸承之間的配合間隙以及設備的外殼等。軸承之間的游隙和配合間隙增加，軸承在常溫下的靜摩擦力矩就會變小，而在低溫的環境中，軸承轉動會更加靈活。

5 設計改進

為了滿足低溫環境中設備的正常使用，還需要對軸承的加工離散型進行設計，以消除設備在不同環境中的不適應性，改進并完善設備的局部構造，盡可能減小由于溫度變化而造成的軸承游隙改變。下面對具體的設計作如下介紹：

設備的材料不同，線脹系數也不同，當設備外殼出現收縮變形時，就會對內部的軸承進行擠壓，導致軸承外圈出現變形，減小軸承游隙，進而使軸承的轉動出現困難。只要注意控制軸承外圈的變形量就可以使軸承的轉動更加靈活。

如果設備外殼開始擠壓內部的軸承外圈，軸承外圈的收縮變形會隨著接觸面積的變化而變化，具體的減小軸承外圈變形量的方案為：由徑向壓強false，其中：

false代表壓強

t代表設備的外殼壁厚

d代表設備外殼直徑

false代表軸承徑向壓應力（溫度保持不變，那么數值也不會出現變化）

可知：設備的外殼和軸承之間的壓強始終保持不變。

從壓力F=false中得知，如果減小接觸面的面積，那么接觸壓力也會隨之減小，軸承外圈徑向的變形量也會減小，直到接觸面積減小到原來的十分之一時，軸承的形變量為0.095xfalse=0.0095mm，這個時候，軸承的游隙大于軸承的徑向變形量，而且設備可以實現靈活轉動。

設備的軸承直徑是590mm，周長為πd=3.14×590= 1853.53mm，要保證軸承連接具有足夠的強度，然后沿著圓周方向開出八處缺口，將八處的弧面進行保留，每一處的弧面長度為1853.53/10/8=23.1，圓取整數為20mm。具體見圖2。

按圖對設備外殼和軸承配合部分進行改進設計，在不影響配合定位精度的前提下，減小了軸承由于設備外殼和軸承線脹系數不一致所承受的壓縮面積，使軸承游隙在低溫下的變化量控制在一定范圍，進而盡可能消除軸承特性的離散性對設備性能的影響。

6 試驗

按照上述方法來加工設備的殼體，并對設備進行低溫驗證，-40℃時測試的力矩比較，見表2。

在低溫的環境下，按照圖示進行加工可以有效減少殼體的轉動力矩，并說明在設備的正常工作范圍內，使用此設計方法，從而達到用戶的要求。

參考文獻

[1]張新占.材料力學原理[M].西北工業大學出版社，2006.

[2]徐灝.機械設計手冊[M].機械工業出版社，2003.

（作者單位：西安陜鼓動力股份有限公司）