深溝球軸承冠形保持架結構參數對其性能的影響

賈曉芳，張文虎，趙濱海，崔永存，鄧四二,3

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；3.高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室，河南 洛陽 471023)

深溝球軸承冠形保持架結構參數對其使用性能至關重要。保持架結構上存在質量分布不均時，運行過程中會產生較大附加力矩，造成保持架運行不穩定；在承受鋼球作用載荷時，保持架兜孔爪部一側結構薄弱，其強度受到較大影響。保持架使用性能直接決定軸承可靠性，從而影響整機服役壽命。

國內外學者對滾動軸承保持架性能做了大量研究：文獻[1-2]對球軸承保持架在不同結構參數下的穩定性進行了理論分析與試驗研究，結果表明引導間隙增大會導致保持架不穩定性增加；文獻[3-5]分別考慮滾子和保持架動不平衡量，對高速圓柱滾子軸承保持架的穩定性進行分析；文獻[6]分析了高速角接觸球軸承載荷及保持架引導參數對保持架穩定性的影響，間隙比小于1時，保持架運動軌跡為圓形；文獻[7]研究了鼠籠一體化彈性支承軸承保持架穩定性，結果表明鼠籠式彈性支承軸承保持架在內引導和外引導下保持架打滑率均隨徑向載荷和轉速增大而增大，隨軸向載荷增大而減小；文獻[8]對高dn值滾子軸承保持架斷裂故障進行研究，提出造成斷裂的主要原因是保持架兜孔圓角過小；文獻[9]研究了圓錐滾子軸承停止階段保持架的應力變化，結果表明停止階段保持架應力主要由滾子碰撞產生，保持架材料及兜孔圓角對保持架應力有較大影響，兜孔圓角增大有利于減小保持架應力；文獻[10]研究了沖擊載荷對圓柱滾子軸承保持架性能的影響，隨沖擊加速度增大，滾子對保持架碰撞作用力及頻率顯著增加，沖擊加速度足夠高時，滾子相對保持架的沖擊動能會導致保持架過梁直接斷裂；文獻[11]對滾針保持架組件進行了強度計算，結果表明減小保持架內徑有利于減小保持架應力。

關于深溝球軸承冠形保持架結構參數的研究較少，鑒于此，建立冠形保持架深溝球軸承多體動力學模型，分析了保持架修形設計及爪部參數對保持架運轉平穩性和強度的影響。

1 深溝球軸承冠形保持架幾何結構

為減小冠形保持架軸向質量不均產生的附加力矩并提高保持架柔性，在遠離保持架爪部側端面進行修形設計，深溝球軸承冠形保持架單個兜孔截面如圖1所示，圖中：R為修形半徑，Mc(Mcx，Mcy，Mcz)為保持架軸向質心，X為軸向質心距保持架底部端面的距離，L為軸向質心距保持架兜孔中心平面的距離，W為爪部長度。

圖1 深溝球軸承冠形保持架單個兜孔截面

2 深溝球軸承動力學模型

基于開發的SARB滾動軸承動力學仿真軟件對軸承整體進行動力學仿真計算，分析保持架運轉平穩性。為方便描述軸承內部各零件的運動，建立圖2所示深溝球軸承坐標系:1)慣性坐標系Oxyz,各零件運動速度和位移可在該坐標系中度量；2)局部坐標系包括內圈坐標系Oixiyizi、保持架坐標系Ocxcyczc、第j個保持架兜孔中心坐標系Opjxpjypjzpj及第j個球中心坐標系Objxbjybjzbj，零件之間的相對速度、相對位移及相互作用力均可在局部坐標系中度量。

圖2 深溝球軸承坐標系

2.1 球動力學微分方程組

圖3 球受力示意圖

球動力學微分方程組為

(1)

(2)

2.2 保持架動力學微分方程組

保持架僅受球的作用力，如圖4所示，保持架在慣性坐標系下的動力學微分方程組為

圖4 保持架受力示意圖

(3)

(4)

2.3 內圈動力學微分方程組

軸承內圈受球和外部載荷共同作用，內圈動力學微分方程組為

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

3 實例分析

以6210深溝球軸承為例進行分析，軸承主要結構參數見表1，內外圈及鋼球材料為GCr15，保持架材料為尼龍66，材料參數見表2[12]。軸承受1 200 N的純徑向載荷，內圈旋轉，轉速為10 000 r/min。

表1 6210軸承主要結構參數

表2 6210軸承材料參數

保持架運轉平穩性直接影響保持架動態性能，力求保持架運動平穩是高速軸承設計的關鍵，一般認為保持架質心軌跡呈周期性或擬周期性變化時運動較為平穩。保持架結構參數對其運轉平穩性及強度有較大影響，下文將分析保持架修形半徑R、爪部長度W對其運轉平穩性和強度的影響。

3.1 保持架結構參數對其運轉平穩性的影響

3.1.1 修形半徑

當爪部長度為2.3 mm時，修形半徑對保持架質心軌跡的影響如圖5所示：1)無修形時保持架質心軌跡較為紊亂；2)隨修形半徑增大，保持架運轉穩定性先增大后減小，修形半徑為8.3 mm時，保持架質心軌跡呈周期性變化，保持架運轉最為穩定。說明修形設計有利于保持架平穩運轉。

圖5 修形半徑對保持架質心軌跡的影響

3.1.2 爪部長度

當修形半徑為8.3 mm時，爪部長度對保持架質心軌跡的影響如圖6所示，隨爪部長度增大，保持架質心軌跡無明顯變化，說明爪部長度對保持架運轉平穩性影響不大。

圖6 爪部長度對保持架質心軌跡的影響

3.2 保持架結構參數對其強度的影響

保持架強度分析采用ABAQUS有限元軟件，前處理階段將鋼球調整至與保持架兜孔位置相切。在鋼球與保持架間建立摩擦接觸，采用C3D8R六面體網格單元，邊界條件為固定保持架一側端面，并限制鋼球x，y向的平移，在球心施加軸向載荷(鋼球與保持架之間的作用載荷)。經SARB滾動軸承動力學仿真軟件分析計算可知，鋼球與保持架間的最大載荷為5 N,在球心施加5 N軸向載荷。修形半徑為8.3 mm，爪部長度為2.3 mm時保持架等效應力和變形云圖如圖7所示：保持架最大等效應力為27.74 MPa，在鋼球與保持架接觸邊線位置；最大變形為55 μm，在兜孔爪部位置。

圖7 保持架強度有限元分析結果

3.2.1 修形半徑

修形半徑對保持架等效應力和變形的影響如圖8所示：隨修形半徑增大，保持架等效應力呈先減小后增大的趨勢，變形量不斷增加。這是由于修形設計改變了保持架剛度，提高了保持架柔性，受載荷沖擊時，產生較大變形，使保持架等效應力減小。當修形半徑過大時，保持架柔性增大，但去除材料較多，導致相鄰結構壁厚薄弱，保持架等效應力增大。

圖8 修形半徑對保持架強度的影響

3.2.2 爪部長度

修形半徑為8.3 mm時，爪部長度對保持架強度的影響如圖9所示：隨爪部長度增大，保持架等效應力先減小后增大，變形量先增大后減小；在爪部長度為2.3 mm時，保持架應力最小，變形量最大。

圖9 爪部長度對保持架強度的影響

4 結束語

基于滾動軸承動力學理論，建立了冠形保持架深溝球軸承非線性微分方程組，采用預估-矯正變步長積分法對方程組進行求解，并分析了6210深溝球軸承保持架兜孔修形半徑、爪部長度對其運轉平穩性和強度的影響，結果表明：修形半徑為8.3 mm、爪部長度為2.3 mm時保持架運轉最穩定，應力最小。