不同引導方式下保持架運動特性分析*

賴永亮，吳來歡

(甘肅省機械科學研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

滾動軸承是高速旋轉機械的主要支承部件，其元件間的滾動接觸支撐著零件轉動。而保持架作為滾動軸承的主要元件之一，在軸承運動中起著至關重要的作用。Yi等[1]研究了不同軸向預緊力、不同轉速條件下的角接觸球軸承剛度，并通過做試驗來測量內外圈的位移驗證模型的準確性。趙春江等[2]研究角接觸球軸承鋼球在高速條件下的陀螺力矩和外部負載以及摩擦系數的關系。Wu等[3]和Li等[4]研究角接觸球軸承生熱以及載荷分布受不均勻軸向載荷的影響。Yoshida等[5]在Harris的基礎上考慮了潤滑油的非牛頓流體特性及溫升效應、分析在不同軸向載荷作用下的保持架打滑率與溫度變化規律。陳渭等[6]對渦動進行分析并建立了軸承擬動力學模型，分析了渦動半徑、頻率等對軸承的打滑影響。鄧四二在著作中[7]詳細描述了鋼球六自由度、內圈五自由度、三自由度保持架的角接觸球軸承擬動力學模型,并分析了軸承的工況參數和結構參數對保持架運動特性的影響，歸納總結出工況參數和結構參數的最佳取值范圍[8]。葉振環[9]建立了保持架四自由度的角接觸球軸承和圓柱滾子軸承的動力學模型與滾動體六自由度的角接觸球軸承和圓柱滾子軸承的動力學模型，針對航空發動機軸承啟動、加速和加力三種過渡狀態的軸承保持架運動特性以及穩定性進行分析。張樂宇等[10]建立軸承動力學模型分，析了軸向載荷、轉速等對保持架運動的影響。姚廷強等[11]分析了變轉速、變載荷工況下角接觸球軸承保持架的運動軌跡及其穩定性，發現受徑向力時保持架運動軌跡呈近似圓柱渦動。葉振環等[12-13]建立高速球軸承的動力學模型，分析了引導間隙及兜孔間隙對保持架穩定性的影響規律，仿真結果表明減小兜孔間隙和增大引導間隙均能提升保持架的穩定性。吉博文等[14]基于ADAMS研究了球軸承在不同工況及不同結構設計參數下保持架的振動特性。目前對于角接觸球軸承保持架的研究主要多集中在球引導保持架時的滾動軸承進行分析，對于保持架不同引導方式下的保持架的質心動態特性研究較少。鑒于此，筆者以7008C高速角接觸球軸承為研究對象，運用ADAMS動力學仿真軟件，建立了軸承動力學模型，分析了不同保持架引導方式下軸承腔內的運動特性，以期對軸承的工況和結構設計參數、對保持架穩定性的影響進行探究具有重要意義。

1 引導方式與數值計算模型

1.1 保持架引導方式

保持架是滾動軸承的重要組成部分，其作用為:一方面使滾動體相互之間保持合適距離，防止相鄰滾動體之間直接接觸，將摩擦產生的熱量保持在最低水平;另一方面使滾動體均勻地分布在整個軸承內，使負荷能更均勻地分布和降低噪聲。滾動軸承保持架從引導方式上可分為三種:滾動體引導、內圈引導和外圈引導，具體結構如圖1所示。外圈引導是指保持架依靠外圈擋邊引導其正常運轉；球引導是指保持架依靠其兜孔與滾動體之間的間隙實現正常運轉；內圈引導是指保持架依靠內圈擋邊來引導其正常運轉。引導的目的是使保持架在周向和徑向方向有所“依靠”，使在這些方向上的運動趨穩不產生渦動。

圖1 保持架引導方式

1.2 滾動軸承參數與三維建模

以7008C角接觸球軸承為研究對象，建立軸承動力學仿真模型分析在保持架不同引導方式下受間隙、轉速等情況對軸承動態性能的影響。軸承的結構參數如表1所列。

表1 7005C軸承參數

使用三維軟件對7005C軸承內圈、外圈、保持架以及滾動體進行建模，并將各部分在保持架不同引導方式下進行裝配，由于球引導保持架比較常見，因此這里只給出內、外圈引導保持架的三維裝配模型。如圖2所示。

圖2 軸承三維裝配模型

1.3 控制方程與邊界條件的設定

將建好的Solidworks三維模型通過與ADAMS的接口導入ADAMS中，對其各元件進行材料參數設置如表2所示。并對軸承元件進行接觸設置如表3所示，設置外圈相對于大地固定，內圈先對與外圈建立轉動，并對轉動副施加驅動，建立軸承動力學分析模型進行分析，其分析模型如圖3所示，隨模型建立坐標系。

表2 角接觸球軸承7008C的材料參數

圖3 ADAMS分析模型

2 結果分析

2.1 保持架打滑分析

圖4為不同兜孔間隙和保持架與引導套圈間隙之比下保持架的打滑率，從圖中可以看出相同引導方式時不同間隙比之下保持架打滑率基本穩定，但是相同間隙比下時，球引導保持架打滑率最大，三者之間間隔接近于0.5，這是因為內圈引導時，保持架受到內圈高速轉動的影響，保持架與引導套圈接觸很短，球引導時，滾動體的自轉與公轉使得其與保持架多次發生不連續的接觸碰撞。

圖4 保持架打滑率

2.2 球引導保持架質心運動特性

圖5為在不同轉速時保持架球引導方式下徑向保持架質心軌跡。轉速較低(4 000 r/min)時，保持架質心運動范圍比較小。隨轉速的提高，到達8 000 r/min時，保持架漸漸趨于穩定狀態，質心軌跡有呈現近似橢圓形的趨勢，軌跡較為集中，但仍比較混亂。當到達12 000 r/min時，近似的圓形的渦動比較明顯，軌跡基本穩定。對于在不同轉速時的保持架質心軌跡圖中比較的軌跡線，主要是由于軸承在初始運動時打滑造成的，隨著運轉一段時間后進入較穩定狀態，與文獻[14]結論一致。

圖5 球引導方式下徑向保持架質心軌跡

2.3 不同引導方式下保持架質心軌跡

圖6與圖7分別為不同轉速下徑向內圈引導與外圈引導的質心軌跡。相對比與球引導時保持架質心軌跡(見圖5)，內圈引導保持架質心軌跡混亂程度較大。這是因為內圈引導保持架靠近內圈，受內圈擾動最大。

圖6 內圈引導方式下徑向保持架質心軌跡

圖7 外圈引導方式下徑向保持架質心軌跡

外圈引導時保持架的質心軌跡穩定程度居于其他二者之間，這是因為保持架受到的離心力增大，與滾動體和外圈接觸碰撞。此結果與2.1中相互映證。

2.4 不同引導方式保持架質心速度與加速度的影響分析

圖8～10分別為三種保持架引導方式下不同轉速時保持架的徑向質心速度分布圖。

圖8 外圈引導方式下徑向保持架質心速度

圖9 內圈引導方式下徑向保持架質心速度

圖10 球引導方式下徑向保持架質心速度

不同保持架引導方式下保持架質心的速度范圍隨著轉速的升高而增大。其中，內圈引導保持架時質心增幅最小，其次是外圈引導保持架時的質心速度增幅，球引導保持架時質心速度增幅最大且一開始遠動就離開運動中心。說明內圈引導保持架質心速度最為穩定，其次是外圈引導，球引導時保持架質心速度變化最大，這是因為保持架與滾動的無規則接觸高于其他兩種引導方式，使得速度大小及方向發生突變。

圖11～13分別為三種保持架引導方式下不同轉速時保持架的徑向質心加速度分布圖。

圖11 外圈引導方式徑向保持架質心加速度

圖12 內圈引導方式徑向保持架質心加速度

圖13 球引導方式徑向保持架質心加速度

不同保持架引導方式下保持架質心加速度的范圍隨著轉速的升高而增大。其中，球引導保持架時質心加速度變化幅度最大，其次是外圈引導，內圈引導保持架時質心質心加速度變化最小、最為穩定。這是因為不內外圈引導方式下保持架主要依靠內外圈擋邊進行正常運轉，受力較為均勻。球引導方式下滾動體與內外圈溝道接觸發生摩擦，使得對保持架的力變化較大，引起保持架的震蕩。

3 結 論

對保持架不同引導方式進行了闡述，進行軸承三維模型的建立，最終建立保持架不同引導方式下的動力學模型進行仿真。得出結論如下。

(1) 相同引導方式時不同間隙比之下保持架打滑率基本穩定。不同引導方式相同間隙比下時，球引導保持架打滑率最大，三者之間間隔接近于0.5。

(2) 隨著轉速的升高，保持架質心軌跡逐漸集中，當轉速達到12 000 r/min時，保持架質心軌跡基本穩定。相對比與球引導時保持架質心軌跡，相同轉速時，球引導保持架的質心軌跡最為穩定，其次是外圈引導，內圈引導保持架質心軌跡最不穩定。

(3) 保持架質心的速度范圍隨著轉速的升高而增大。其中，球引導保持架時質心速度增幅最大，其次是外圈引導保持架時的質心速度增幅，內圈引導保持架時質心增幅最小。保持架引導方式對質心加速度影響明顯。

(4) 不同保持架引導方式下保持架質心加速度的范圍隨著轉速的升高而增大。其中，球引導時質心加速度變化幅度最大，內圈引導時質心質心加速度變化最小。綜合打滑率、質心軌跡、質心速度與加速度，在中低速時，適合用外圈與球引導保持架運轉。高速時內圈引導保持架穩定性最優。