軸承熱裝工藝的計算與有限元分析*

□ 郭 召

西安大醫集團股份有限公司 西安 710018

1 分析背景

在重載、高精度、高轉速等工況下,軸承內圈需要和配合軸采用過盈連接。軸承內圈為薄壁件,正確安裝才能保證軸承內圈滾道的精度不受影響。軸承內圈與配合軸的常用安裝方法有錘擊法、壓裝法、冷裝法、熱裝法,現有文獻進行了詳細介紹[1-3]。錘擊法適用于配合量小,精度要求不高的場合。壓裝法適用于小配合量軸承安裝,對于大配合量軸承,在壓入過程中配合面及滾道有受損風險。冷裝法適用于軸承不易加熱的場合,如較大配合量的預裝脂密封軸承。通過采用液氮冷卻等方式對配合軸進行降溫冷縮后裝配,冷裝后升溫過程有冷凝現象,需要做好除水防銹處理。熱裝法膨脹均勻,現場操作方便,已成為精密軸承過盈裝配的一種主要手段[4-5]。

軸承熱裝需要制定合理的工藝參數。若溫度不足,則安裝時無法一次壓入,仍需要進行敲擊,無法發揮熱裝的優勢。若加熱溫度過高,則軸承精度受影響,嚴重時會導致軸承局部退火,影響軸承使用性能及壽命。對于采用非金屬保持架的軸承、帶防塵蓋的軸承、預裝潤滑脂的軸承,溫度選擇不合理會導致軸承中非金屬材質損壞變質[6-7]?；谏鲜鰡栴},筆者從工程應用的角度出發,分析軸承加熱后的變形趨勢,推導軸承內圈熱膨脹量計算公式,應用有限元方法進行驗證,并以一例精密圓錐滾子軸承的熱裝工藝驗證理論計算與仿真分析的正確性。

2 軸承內圈熱膨脹計算

軸承主要由內圈、外圈、滾動體、保持架等構成,內外圈均為薄壁件,內外圈和滾動體之間存在內部游隙。金屬為熱的良導體,溫度發生變化后,尺寸會隨之發生變化,長度方向的變化量ΔL為:

ΔL=αLΔT

(1)

式中:α為線性熱膨脹系數;L為初始長度;ΔT為溫度變化量。

軸承內圈為薄壁圓環,根據金屬熱變形規律,軸承均勻加熱后弧長將發生變化,內圈尺寸隨之均勻增大。將增大后的內圈內徑尺寸記為D1,內圈內徑尺寸變化量ΔD為:

ΔD=D1-D=αD(T1-T0)

(2)

式中:D為軸承初始內徑尺寸;T1為軸承內圈目標加熱溫度;T0為軸承內圈初始溫度。

軸承內圈受熱膨脹后內徑尺寸D1為:

D1=[απD(T1-T0)+πD]/π

=αD(T1-T0)+D

(3)

以當前應用廣泛的合金鋼為驗證對象,在溫度為20～100 ℃范圍內,合金鋼線性熱膨脹系數為12×10-6℃-1。建立內徑為80 mm的薄壁圓環模型,溫度由室溫20 ℃上升到80 ℃,由此計算得到合金鋼薄壁圓環受熱膨脹后內徑尺寸變化量ΔD為0.057 6 mm。在有限元分析軟件中,建立φ80 mm×φ95 mm×20 mm空心圓柱模型,計算溫度由室溫20 ℃上升到80 ℃時的內徑變化量,得到合金鋼薄壁圓環熱變形云圖,如圖1所示。

由圖1可知,薄壁圓環內徑受熱膨脹均勻,徑向膨脹量為0.027 88 mm,內徑尺寸變化量ΔD為0.055 76 mm,理論計算值為0.057 6 mm,仿真計算與理論計算偏差為0.001 84 mm,證明理論計算是可信的。

圖1 合金鋼薄壁圓環熱變形云圖

3 軸承預熱方法選擇

軸承熱裝的加熱方法主要有油浴加熱、明火加熱、電磁感應加熱等。油浴加熱方法需要嚴格控制油品清潔度,避免軸承受到污染。對于預裝脂及非金屬保持架軸承,應避免采用這一加熱方法。乙炔等明火加熱方法適用于戶外礦用等受條件限制及不要求精度的場合。電磁感應加熱方法利用金屬在交變磁場中產生渦流,生成熱效應,從而實現對軸承加熱。軸承電磁感應加熱原理如圖2所示,加熱桿與鐵心組成閉合磁回路,軸承安裝在加熱桿上,磁回路在軸承中產生渦流熱效應,從而對軸承進行加熱。電磁感應加熱溫度可控,操作簡便,清潔度高,適用范圍廣,已成為目前精密軸承熱裝工藝的主要預熱方法[8-10]。

圖2 軸承電磁感應加熱原理

4 精密圓錐滾子軸承熱裝工藝

筆者研制的大型旋轉機架采用摩擦輪驅動,摩擦輪由一對精密圓錐滾子軸承支撐。軸承與傳動軸為過盈配合,最大過盈量為0.045 mm,軸承參數見表1。對于軸孔配合,通常間隙量約為0.01 mm就可方便裝入。為了將軸承內圈加熱至間隙狀態裝配,按公式計算軸承需加熱至80 ℃,軸承加熱后內圈內徑約為80.064 mm。應用有限元分析軟件對軸承內圈熱膨脹量進行仿真分析計算,模型劃分網格后共有190 466個單元、303 121個節點。圓錐滾子軸承有限元模型如圖3所示。

表1 圓錐滾子軸承參數

圖3 圓錐滾子軸承有限元模型

對軸承施加溫度邊界條件,模擬軸承溫度均勻加熱至80 ℃狀態。對軸承整體施加溫度載荷,設定值為80 ℃。圓錐滾子軸承加熱后內圈變形云圖如圖4所示,圓錐滾子軸承加熱后應力云圖如圖5所示。圓錐滾子軸承內圈為錐環,采用電磁感應加熱后內圈整體溫度達到80 ℃,內圈沿軸向在徑向方向上變形量有一定梯度。由圖4可知,在內圈內徑中截面處變形量約為0.03 mm,此時內圈內徑為80.06 mm,理論計算值為80.064 mm,偏差為0.004 mm。由圖5可知,最大應力產生在外圈小端面處,值為121.59 MPa,遠低于材料GCr15軸承鋼的屈服極限518 MPa,不會對軸承精度造成影響。

圖4 圓錐滾子軸承加熱后內圈變形云圖

圖5 圓錐滾子軸承加熱后應力云圖

根據理論計算及仿真分析,溫度80 ℃的預熱目標值是可信的。精密圓錐滾子軸承熱裝如圖6所示,采用電磁感應加熱方式對圓錐滾子軸承進行加熱。加熱溫度控制為85±5 ℃,達到目標溫度后保持加熱1～3 min,保證圓錐滾子軸承溫度均勻。圓錐滾子軸承取下后迅速進行熱裝,與裝配軸對中后可輕松壓入,證明為小間隙狀態,所分析計算的熱裝工藝參數正確。在裝配時需要注意,軸承熱裝壓入到達軸向定位位置后,在軸承內圈上需持續施加軸向力,直到完全冷卻,以此避免軸承冷卻過程中沿軸向發生微量竄動,導致軸承內圈軸向定位面存在間隙。冷卻后需要應用塞尺進行檢測確認,如圖7所示。

圖6 精密圓錐滾子軸承熱裝

圖7 塞尺檢測

5 結束語

精密軸承為薄壁零件,采用熱裝工藝可以有效避免過盈配合面及軸承滾道面損傷。筆者通過有限元分析驗證了所推導計算公式的可信性,結合一例精密圓錐滾子軸承的熱裝操作,對所計算預熱溫度的正確性進行了驗證。軸承過盈熱裝需要選擇正確的預熱溫度,建議控制在目標溫度至目標溫度+10 ℃范圍內,達到目標值之后保持數分鐘,保證軸承內圈升溫均勻。熱裝壓入后,需要對軸承內圈進行軸向施壓,保持至軸承內圈完全冷卻。對軸向定位肩面應用塞尺進行檢測,確認軸承軸向是否裝配到位。