密珠式深溝球軸承軸向承載性能研究

殷琪， 湛卉， 王炳炎， 陳書華， 鄧朝俊， 張弦， 董岱林

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都610213）

0 引 言

深溝球軸承具有高定位精度、高極限轉速、低摩擦因數等特點，主要用于承受徑向載荷，也可承受一定的軸向載荷，但較小的軸向承載能力限制了深溝球軸承的應用[1]。為解決深溝球軸承軸向承載較小的問題，通過取消保持架結構，增加滾動體數量，形成密珠式深溝球軸承的方式，進而實現有效增強深溝球軸承的軸向承載能力。其模型示意如圖1所示。

密珠式深溝球軸承具有以下優點[2-3]：1）滾動體數量多，因此作用在每個滾動體上的載荷較小，使其承載能力增強；2）滾動體數目多，與滾道的接觸面積大，可以很好地減弱滾動體與滾道在外部載荷變化時所引起的振動、沖擊等對軸承的損傷，提高了軸承的定位精度，延長其使用壽命；3）密珠式深溝球軸承的接觸面為簡單形面，因此在加工精度上容易得到保證。

圖1 密珠式深溝球軸承模型示意圖

國內部分學者已經對密珠軸承的負載能力和定位精度開展了研究，并取得了一定的研究成果。王志新[4]提出按密珠軸承靜負荷能力確定其徑向游隙的觀點，并研究了軸承靜負荷能力與徑向游隙的關系，得出了在不影響軸承運轉靈活性和裝配方便的條件下，采用小的徑向游隙將有利于密珠軸承優點的發揮。葉家福[5]推導出了最大接觸應力和徑向游隙的計算表達式，并在此基礎上給出考慮溫差和表面粗糙度影響時的修正值。毛書越[6]以赫茲彈性接觸理論對密珠球軸承過盈量進行了分析計算，論證了這種計算方法的可行性。

分析多位學者的研究可以發現，當密珠式深溝球軸承軸向承載時，軸承內外圈與滾動體之間形成一定的接觸角，接觸角的大小影響著軸承的軸向承載能力和軸向定位精度，而徑向游隙是影響接觸角的重要因素。為了探究軸承徑向游隙對軸向承載能力及軸向定位精度的影響，本文開展了密珠式深溝球軸承的軸向承載性能研究。

1 計算模型建立

1.1 軸向承載能力計算

在低速條件下，密珠式深溝球軸承的軸向承載能力計算與深溝球軸承的軸向承載計算方法[7-10]相同，其軸向理論計算模型如圖2所示。

外圈滾道的半中心角為

圖2 密珠式深溝球軸承計算模型

1.2 軸向位移計算

2 計算流程建立

綜合以上信息，對該密珠式深溝球軸承的軸向最大承載力及軸向位移計算流程如圖3所示。

3 計算結果及分析

基于軸承的設計結構尺寸，計算所需的模型基本參數如表1所示。

圖3 軸承軸向最大承載力及軸向位移計算流程

表1 軸承計算基本參數

3.1 軸向最大承載力計算

利用Matlab軟件進行迭代計算，分別得到該軸承在不同徑向游隙下的最大接觸角和軸向最大承載力，并繪制關系曲線如圖4所示。

圖4 徑向游隙對最大接觸角和軸向最大承載力的影響

由圖4可以看出，密珠式深溝球軸承的最大接觸角與徑向游隙成正比，而軸向最大承載力徑向游隙成反比。其中主要原因在于軸承的徑向游隙ur越大，其初始接觸角α0越大，在同樣大的軸向力作用下，其實際接觸角α越大，滾動體越接近滾道邊緣，此時軸向最大承載力就越小。因此減小軸承的徑向游隙能顯著增強軸承的軸向承載能力。

3.2 軸向位移計算

利用Matlab軟件進行迭代計算，分別得到該軸承在不同的徑向游隙下，軸向載荷對其軸向位移的影響關系，繪制曲線如圖5所示。

圖5 不同徑向游隙下軸向載荷對軸向位移的影響

由圖5可以看出，在軸向載荷作用下，密珠式深溝球軸承的軸向位移增量與徑向游隙成反比，因此在一定的軸向載荷范圍內，初始的徑向游隙越大，軸承的軸向位移變化量越小，軸向定位精度也越高。在該軸承實際使用時，可設置一個2～3 kN級別的初始軸向預緊力，這樣軸承在承受較大軸向外載荷時，其軸向位移量較小，可滿足多數情況下的使用需求。

4 結 論

本文針對某型密珠式深溝球軸承進行了軸向承載性能的研究，建立了該型軸承的軸向承載能力和軸向位移計算模型，利用Matlab軟件計算得到了該型軸承在不同徑向游隙時的軸向承載能力與軸向位移。

通過分析計算結果，可得以下結論：1）軸承的軸向最大承載能力與徑向游隙成反比關系，減小軸承的徑向游隙能顯著增強軸承的軸向承載能力。2）軸承在有軸向預緊的條件下，軸向定位精度與徑向游隙成正比關系，增加軸承的徑向游隙能有效改善軸承的軸向定位精度。