滾動軸承摩擦力矩的計算模型及其影響因素分析

徐永智

摘要：隨著機械技術(shù)的進一步發(fā)展，現(xiàn)代制造行業(yè)正朝著高速、高精度和高可靠性方向發(fā)展，自動化數(shù)控機床作為機械制造行業(yè)的重要設(shè)備，越來越多智能化數(shù)控機床得到廣泛應(yīng)用。但是數(shù)控機床的智能化、信息化發(fā)展下一些硬件設(shè)施呈現(xiàn)出后勁不足的狀態(tài)。如，滾動軸承摩擦力矩大小無法滿足軸承現(xiàn)有的功率消耗和發(fā)熱量大小需求。此問題嚴重影響現(xiàn)代機械制造加工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?；诖讼挛恼归_對滾動軸承摩擦力矩的計算模型搭建，提出影響軸承摩擦力矩的相關(guān)因素，旨在能夠起到保護滾動軸承，提升滾動軸承的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：滾動軸承;摩擦力矩;計算模型;影響因素

0? 引言

滾動軸承是運轉(zhuǎn)的軸和軸座之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密機械元件。在數(shù)控機床機械設(shè)備中，機床主軸支承需要根據(jù)主軸部件的轉(zhuǎn)速、承載能力和回轉(zhuǎn)靜度等要求而采用不同標準的滾動軸承。可以說，滾動軸承起到帶動數(shù)控機床加工主軸轉(zhuǎn)動滾動完成各種加工作業(yè)的關(guān)鍵作用。而事實上在數(shù)控機床的機械元件維護管理中，經(jīng)常會出現(xiàn)滾動軸承摩擦失效等故障問題，一旦出現(xiàn)滾動軸承故障，將會影響整個制造加工行業(yè)的效率和質(zhì)量。對此重視并推動滾動軸承的管理和技術(shù)優(yōu)化順理成章。目前許多技術(shù)研發(fā)人員對于滾動軸承摩擦力矩的計算以及影響展開深入的探索，對于本文的研究提供了豐富的參考和借鑒。站在前人的研究基礎(chǔ)上。下文主要從數(shù)控機床中的滾動軸承摩擦力矩的計算模型構(gòu)件，旨在能夠提升數(shù)控機床工作效果，改善機床運行狀態(tài)。

1? 滾動軸承摩擦力矩的分析

1.1 滾動軸承摩擦力矩的作用

①滾動軸承。

滾動軸承一般是由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四個部分組成。如圖1所示。內(nèi)圈主要是裝在軸上，同主軸同步轉(zhuǎn)動;外圈裝在數(shù)控機床的機體上或是安裝在軸承座內(nèi)，固定不動;滾動體安裝在內(nèi)外圈之間的滾道中，有滾珠、滾柱等各種類型的滾動體，一般隨著數(shù)控機床設(shè)備加工工藝要求采用不同滾動體的滾動軸承;而保持架主要是用來均勻分隔滾動體，防止?jié)L動體之間相互摩擦碰撞，引起滾動軸承摩擦失效。在數(shù)控機床加工中，滾動軸承能支持專業(yè)的軸承加工工藝，確保數(shù)控機床的自動化生產(chǎn)加工的有序展開。當前在機械設(shè)備中安裝滾動軸承元件，其能夠使自身的摩擦力遠遠小于滑動軸承，起到減少消耗在摩擦阻力上的功耗，將滾動軸承的各種作用力應(yīng)用于推動軸承機械設(shè)備的運作中，可以說在滾動軸承中，其摩擦阻力較小，機械效率越高，應(yīng)用范圍更為廣泛。

②滾動軸承摩擦力矩。

事實上，在滾動軸承運行時，滾動軸承的各個零部件都可以產(chǎn)生相對運動，同時也產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動方向相反的阻礙運動的綜合力矩。這就是摩擦力矩。當滾動軸承摩擦阻力增大，則其所具有的優(yōu)勢將消失，影響軸承機械設(shè)備的失效，嚴重的會影響到數(shù)控機床加工生產(chǎn)的經(jīng)濟效益和社會效益。當前導(dǎo)入滾動軸承摩擦力矩的概念，通過對摩擦力矩的計算，展開對滾動軸承的旋轉(zhuǎn)的靈活性，靈敏度?？梢哉f摩擦力矩同滾動軸承的靈活性成反比。一般情況下，在評價滾動軸承的摩擦力大小的時候，會通過摩擦力矩和摩擦系數(shù)兩個指標來顯示。摩擦力矩（M）等于滾動軸承的摩擦系數(shù)（u）同滾動軸承的軸承負荷力（p）還有滾動軸承的軸徑長度（d）的乘積的一半。該公司主要適用于滑動軸承的摩擦力矩的計算。而對于滾動軸承而言，其摩擦力矩的計算模式是非線性函數(shù)關(guān)系。具體如第2節(jié)所示。

1.2 滾動軸承摩擦力矩計算的重要性

歸根究底滾動軸承的摩擦力矩的產(chǎn)生是因為軸承在運動中各處發(fā)生摩擦運動所引起的結(jié)果。在數(shù)控機床的滾動軸承中，其會受到垂直方向的載荷和沖擊負荷，由此產(chǎn)生較強的耐沖擊性和抗腐蝕性，從而產(chǎn)生一個無法控制的動態(tài)參數(shù)，對于滾動軸承的運行起到重要的影響。因此通過對滾動軸承摩擦力矩的計算，將影響到摩擦力矩的相關(guān)因素進行測試分析，得出一個滾動軸承摩擦力矩的計算模型，對于未來如何降低摩擦力矩的軸承研制提供了豐富的參考。能夠更好地把握好現(xiàn)有的數(shù)控機床滾動軸承的應(yīng)用的穩(wěn)定性。

2? 滾動軸承摩擦力矩的影響因素分析

滾動軸承摩擦力矩對于軸承正常運行起到重要的影響作用，當前關(guān)于滾動軸承摩擦力矩的計算研究數(shù)量較多。這些研究為本文提供了參考和借鑒。下文正是對滾動軸承摩擦力矩的一般計算方式的探索，提出影響滾動軸承摩擦力矩的影響因素，并且通過對影響因素的參數(shù)的考慮和設(shè)置，從而導(dǎo)出一種全新的計算模型，提高滾動軸承摩擦力矩的計算準確率和計算的效率。

2.1 滾動軸承摩擦力矩的一般計算方式

基于一般函數(shù)計算理念，滾動軸承的總摩擦力矩M的計算方式較為單一化，主要是將軸承載荷大小、潤滑劑用量研以及滾動體與滾道之間的彈性變形量等進行微分方程設(shè)置和解答的過程。其具體的計算模型：

其中，M0是由軸承載荷力大小、潤滑劑用量、潤滑劑的粘度以及滾動軸承轉(zhuǎn)速相關(guān)的摩擦力矩分量;M1主要是同軸承荷載大小、滾動體和滾道間接觸彈性變形量及滑動摩擦等系數(shù)相關(guān)的摩擦力矩分量;？蘩1是荷載系數(shù);P1為摩擦力矩下影響產(chǎn)生的軸承載荷力;dm是軸承的直徑大小。dm=0.5（d+D）。d為軸承內(nèi)徑，D為軸承外徑。n為軸承轉(zhuǎn)速，v為潤滑劑的運動粘度，還有？蘩0為軸承結(jié)構(gòu)所受到的潤滑方法影響下的系數(shù)情況。在一般計算方式中，需要考慮到參數(shù)以及變量較多，且經(jīng)過一般計算所測算出來的滾動軸承摩擦力矩未能夠考慮到滾動軸承在靜止或是低速運動下的摩擦力矩情況。因此展開的摩擦力矩計算較為繁瑣，且未能夠展開非線性解答。

2.2 滾動軸承摩擦力矩的影響因素

經(jīng)過上文提到滾動軸承摩擦力矩的一般計算公式可知，影響摩擦力矩的因子較為復(fù)雜。

①滾動軸承自身結(jié)構(gòu)的影響。

摩擦力矩本身是對于滾動軸承各個零部件在運作中所產(chǎn)生的反作用摩擦力的計算。因此滾動軸承所采用的不同元件參數(shù)所帶來的摩擦力矩效果不同。如，當滾動軸承的出現(xiàn)套圈偏斜的話，則整個滾動軸承的載荷力大大降低，對于M0的影響較大。

②滾動軸承所采用的潤滑劑的系數(shù)影響。

潤滑劑對于整個滾動軸承的摩擦力大小產(chǎn)生巨大的影響，而不同參數(shù)的潤滑劑粘度不同，在潤滑劑的粘度以及基油的粘度影響下，其帶來的速度大小以及？蘩0大小會發(fā)生巨大的變化。不同的潤滑劑影響下，導(dǎo)致滾動軸承的運動速度大小受到限制。如，潤滑劑的粘度越高，則對于設(shè)備的軸承結(jié)構(gòu)的的潤滑更強，可以帶來較高的摩擦效果。

另外不同的滾動軸承摩擦力矩的大小同滾動軸承自身的規(guī)格大小也具有密切關(guān)系。若是滾動軸承的軸承平均直徑極大，則帶來的摩擦力大小出現(xiàn)變化，整個滾動軸承所擁有的摩擦力矩大小隨之發(fā)生變化。

總之，可以發(fā)現(xiàn)，滾動軸承摩擦力矩計算模型受到諸多因素的影響，但是在一般的計算方式下，缺少對滾動軸承的荷載情況的判斷分析。如，在重載情況下的滾動軸承的結(jié)構(gòu)運作、潤滑液的粘度效果等都會產(chǎn)生變化，原本靜態(tài)計算得到的摩擦力矩不再適用。因此要求能夠?qū)胍环N全新的滾動軸承摩擦力矩計算模型，展開對滾動軸承重載和低速等的特殊運行條件下的摩擦力矩計算?？梢园l(fā)現(xiàn)SKF所推出的計算模型所計算出來的結(jié)果更加準確，具體的計算模型如第3節(jié)所示。

3? 滾動軸承摩擦力矩的計算模型分析

新的滾動軸承摩擦力矩的計算模型主要為：

M=？覫ish？覫rsMrr+Mst+Mseal+Mdrag

其中，Mrr為滾動摩擦力矩，主要是通過不同軸承類型所具有的滾動摩擦變量參數(shù)所計算得到的。？覫ish為切入發(fā)熱減少系數(shù)，該系數(shù)是由軸承中的潤滑劑粘度等決定的。只有軸承中有充分的潤滑劑，此時接觸到滾動軸承的各零部件的潤滑油能夠形成油膜，對于其他再進入到滾動軸承的各部位的潤滑油起到抵御的作用，潤滑油發(fā)生倒流情況，滾動軸承內(nèi)部的潤滑油的粘度由此降低，極大地減少因為油膜厚度所帶來的摩擦分量，更能夠大大減少發(fā)熱系數(shù)。該系數(shù)可以實現(xiàn)對滾動軸承的各種潤滑油粘度下的摩擦力矩的計算，且都不會受到潤滑油粘度以及潤滑油相關(guān)系數(shù)的影響。Mst是滑動摩擦力矩，根據(jù)軸承類型發(fā)生參數(shù)變化;Mseal為密封件的摩擦力矩大小。在滾動軸承的密封圈軸承，密封圈會引起較大的摩擦耗損，在一般計算中忽視該參數(shù)變化，而此時通過對軸承密封圈的摩擦力矩的計算，可以大大提高對滾動軸承的摩擦力矩的計算的準確率。

4? 結(jié)束語

綜上所述，本文在介紹了滾動軸承的摩擦力矩的失效影響機理后，提出構(gòu)建起完整科學(xué)的滾動軸承摩擦力矩計算模型的重要性和必要性。旨在確保滾動軸承的性能能夠滿足現(xiàn)代社會的發(fā)展需求，有效地提高滾動軸承在各行各業(yè)的應(yīng)用效率，有效地避免因為滾動軸承摩擦力矩失效的情況所帶來的經(jīng)濟損失和社會損失。

參考文獻：

[1]王穩(wěn)，李維.考慮接觸特性的滾動軸承系統(tǒng)建模與仿真分析[J].現(xiàn)代制造工程，2020，03：72-76.

[2]涂文兵，楊錦雯，羅丫，王朝兵，張龍.轉(zhuǎn)速波動工況滾動軸承打滑動力學(xué)特性分析[J].振動.測試與診斷，2018，38（06）：1193-1198，1294.

[3]涂文兵，何海斌，羅丫，肖乾.滾動軸承穩(wěn)定工況下的滾動體打滑動力學(xué)分析[J].振動與沖擊，2019，38（06）：94-99.

[4]運俠倫，梅雪松，姜歌東，李玉亭，袁世玨.高速主軸角接觸球軸承動剛度分析及測試方法[J].振動.測試與診斷，2019，39（04）：892-897，912.

[5]殷愛平，王浩淼，趙明宣，崔琦峰，楊金平.空間伺服機構(gòu)裝配過程中軸承預(yù)緊力的控制[J].光學(xué)精密工程，2019，27（11）：2384-2391.