高速固體潤(rùn)滑軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

李亮，李鴻亮，胡明，金杰，胡甫

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，蘭州 730000；3.北京交通大學(xué)，北京 100091)

目前，固體潤(rùn)滑軸承以其無(wú)污染、寬溫、抗輻照等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于低速或間歇式運(yùn)轉(zhuǎn)的空間機(jī)構(gòu)領(lǐng)域，獲得了國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[1-9]。

固體潤(rùn)滑軸承的研究限于低速運(yùn)轉(zhuǎn)工況，文獻(xiàn)[10]開(kāi)展固體潤(rùn)滑軸承的壽命預(yù)測(cè)研究，最高速度為380 r/min。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，對(duì)固體潤(rùn)滑軸承的高速性能提出了更高要求。軸承轉(zhuǎn)速的不斷提升也帶來(lái)許多不利的影響：高速效應(yīng)引起鋼球的公轉(zhuǎn)滑動(dòng)和自旋滑動(dòng)增加，使鋼球與溝道的滑動(dòng)加劇，摩擦發(fā)熱增多，因其無(wú)冷卻系統(tǒng)，必然導(dǎo)致溫度升高，嚴(yán)重影響軸承運(yùn)轉(zhuǎn)性能和可靠性；高速效應(yīng)加劇了鋼球與保持架兜孔、溝道的摩擦磨損，易造成潤(rùn)滑膜堆積，使摩擦力矩增大，進(jìn)而導(dǎo)致軸承精度失效[11]， 甚至出現(xiàn)卡滯、卡死現(xiàn)象；高速效應(yīng)加大鋼球?qū)Ρ３旨芏悼准氨３旨芘c引導(dǎo)擋邊的沖擊、碰撞，引起保持架不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，磨損加劇，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致保持架斷裂[12]。

本文針對(duì)高速固體潤(rùn)滑軸承的工況條件及性能要求，分析了主參數(shù)對(duì)軸承性能的影響，優(yōu)化了719/7軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并開(kāi)展轉(zhuǎn)速為4 000 r/min的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 軸承設(shè)計(jì)分析

1.1 軸承工況條件及性能要求

高速固體潤(rùn)滑球軸承719/7外形尺寸為φ7 mm×φ17 mm×5 mm，轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，內(nèi)、外圈及鋼球采用G95Cr18不銹軸承鋼材料，內(nèi)、外圈溝道鍍WS2膜，保持架采用聚酰亞胺基復(fù)合材料，軸承預(yù)緊力8 N，真空度1×10-5Pa工況下，壽命要求4×108r。

1.2 主參數(shù)對(duì)軸承性能影響

固體潤(rùn)滑軸承實(shí)際工作載荷較小，一般不會(huì)疲勞失效，而是潤(rùn)滑失效或精度失效，與低速固體潤(rùn)滑軸承相比，高速工況下因鋼球的公轉(zhuǎn)滑動(dòng)和自旋滑動(dòng)增大，以及鋼球與保持架的高頻剪切作用造成磨損物增多、堆積，將會(huì)帶來(lái)摩擦發(fā)熱增大、溫度升高，從而影響軸承性能，為實(shí)現(xiàn)固體潤(rùn)滑軸承高速工況下的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，分析主參數(shù)對(duì)軸承性能的影響。

1.2.1 套圈溝曲率半徑

內(nèi)、外圈的溝曲率半徑對(duì)高速軸承鋼球的公轉(zhuǎn)滑動(dòng)速度和自旋滑動(dòng)速度影響顯著，應(yīng)合理地確定套圈的溝曲率半徑。文獻(xiàn)[13]表明高速軸承的套圈溝曲率半徑越大，利于降低鋼球的滑動(dòng)速度和自旋速度，從而減小摩擦發(fā)熱，同時(shí)考慮固體潤(rùn)滑軸承鋼球與套圈的接觸應(yīng)力不大于800 MPa(經(jīng)驗(yàn)值)，經(jīng)計(jì)算分析，套圈溝曲率半徑系數(shù)不能超過(guò)0.53，為此，給出了轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，內(nèi)圈溝曲率半徑系數(shù)fi=0.53，外圈溝曲率半徑系數(shù)fe=0.52和內(nèi)圈溝曲率半徑系數(shù)fi=0.52，外圈溝曲率半徑系數(shù)fe=0.53兩種狀態(tài)719/7軸承每粒鋼球的自旋角速度、滑動(dòng)速度以及滑滾比對(duì)比分析結(jié)果，如圖1所示。

(a)每粒鋼球自旋角速度變化

由圖1可知，內(nèi)圈溝曲率半徑較大時(shí)鋼球的滑動(dòng)速度、自旋速度和滑滾比小，因此采用內(nèi)圈溝曲率半徑大于外圈溝曲率半徑可有效降低高速軸承的滑動(dòng)速度、自旋速度和滑滾比，從而減少軸承發(fā)熱，利于軸承運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，優(yōu)化計(jì)算后719/7軸承內(nèi)圈溝曲率半徑系數(shù)fi取0.53，外圈溝曲率半徑系數(shù)fe取0.52。

1.2.2 球徑和球數(shù)

根據(jù)轉(zhuǎn)移膜形成機(jī)理可知，軸承轉(zhuǎn)一圈，鋼球自轉(zhuǎn)圈數(shù)越多越利于固體潤(rùn)滑膜的轉(zhuǎn)移和軸承的潤(rùn)滑，但對(duì)于高轉(zhuǎn)速工況，高頻剪切作用增強(qiáng)潤(rùn)滑膜的轉(zhuǎn)移能力，為避免潤(rùn)滑膜的堆積，影響軸承的性能，應(yīng)減小鋼球自轉(zhuǎn)圈數(shù)。為此，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，假定鋼球的自旋頻率相同，計(jì)算了不同球徑的鋼球自轉(zhuǎn)圈數(shù)，結(jié)果如圖2所示，可知軸承每轉(zhuǎn)一圈，球徑越小球自轉(zhuǎn)圈數(shù)越多，應(yīng)選取較大的球徑。由于軸承截面單邊厚度為5 mm，考慮套圈工藝性，優(yōu)化計(jì)算后取球徑為3 mm。

圖2 軸承轉(zhuǎn)一圈，鋼球自轉(zhuǎn)圈數(shù)變化

球徑一定，球數(shù)越多，軸承的徑向基本額定靜載荷越大，其工作接觸應(yīng)力越小，壽命越長(zhǎng)，經(jīng)優(yōu)化計(jì)算，球數(shù)最多取7，此時(shí)，鋼球與溝道的最大接觸應(yīng)力為715 MPa，滿足固體潤(rùn)滑軸承鋼球與溝道的接觸應(yīng)力不大于800 MPa(經(jīng)驗(yàn)值)的要求。

1.2.3 接觸角

接觸角是角接觸球軸承的重要性能參數(shù)，它對(duì)軸承的載荷分布、軸向剛度、運(yùn)動(dòng)關(guān)系等都有影響，一般取15°，25°，40°。取內(nèi)圈溝曲率半徑系數(shù)fi=0.53，外圈溝曲率半徑系數(shù)fe=0.52，球徑為3 mm，球數(shù)為7，分析鋼球最大旋滾比隨接觸角的變化及軸承轉(zhuǎn)一圈鋼球自轉(zhuǎn)圈數(shù)隨不同接觸角的變化，如圖3所示：接觸角越小，旋滾比越小；接觸角越小，軸承轉(zhuǎn)一圈鋼球自轉(zhuǎn)圈數(shù)越少。因此，接觸角取15°，得到較小的旋滾比和鋼球自轉(zhuǎn)圈數(shù)。

圖3 接觸角與鋼球運(yùn)轉(zhuǎn)性能的關(guān)系

1.3 保持架設(shè)計(jì)分析

保持架不直接承受外載荷，但軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，保持架轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，其與鋼球、套圈擋邊碰撞、摩擦將增大，增大的離心力引起保持架變形，影響軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮保持架的強(qiáng)度、耐磨特性；同時(shí)，還應(yīng)考慮因保持架與套圈、鋼球的材料不同，溫度變化環(huán)境下保持架的引導(dǎo)間隙和兜孔間隙對(duì)軸承性能的影響。經(jīng)計(jì)算分析，保持架采用外引導(dǎo)，外引導(dǎo)間隙與兜孔間隙的比值為1.5，利于保持架的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

1.4 軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

以接觸應(yīng)力和滑滾比為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 軸承結(jié)構(gòu)主參數(shù)及性能參數(shù)

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與條件

軸承試驗(yàn)在自主研制的高真空固體潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖4所示，可實(shí)現(xiàn)軸承在真空度范圍為1×10-5～1×10-3Pa，溫度范圍為10～90 ℃條件下的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 高真空固體潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)選用優(yōu)化后的719/7軸承(3#和4#)，背靠背成對(duì)使用，轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，不承受徑向載荷，軸向預(yù)緊力為8 N，對(duì)應(yīng)的接觸應(yīng)力為715 MPa。試驗(yàn)時(shí)，軸承首先進(jìn)行預(yù)跑合，當(dāng)軸承溫度穩(wěn)定后(試驗(yàn)初始溫度)開(kāi)始計(jì)算，監(jiān)測(cè)軸承的摩擦力矩、溫度等參數(shù)，考核軸承壽命。溫度超過(guò)50 ℃時(shí)判定軸承失效，終止試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù)達(dá)4.1×108r時(shí)，檢測(cè)的軸承溫度已超過(guò)50 ℃而終止試驗(yàn)，其溫度隨軸承運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù)的變化歷程如圖5所示。

圖5 軸承溫升隨試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù)的變化歷程

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

當(dāng)溫度超過(guò)50 ℃時(shí)終止試驗(yàn)停車，結(jié)果表明3#和4#軸承均通過(guò)了4×108r的長(zhǎng)壽命高速運(yùn)轉(zhuǎn)。試驗(yàn)后3#和4#軸承零件顯微檢查結(jié)果基本相同，4#軸承顯微結(jié)果如圖6所示，其內(nèi)圈運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡基本正常，鋼球和內(nèi)、外圈溝道表面有較多的無(wú)規(guī)則黑狀物，保持架外徑面摩擦磨損痕跡較深，兜孔嚴(yán)重磨損，尤其是周向磨損較大。其中顯微檢查的無(wú)規(guī)則較大黑狀物為保持架的磨損物，分析認(rèn)為隨著軸承運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù)的逐漸增多和保持架磨損量的逐漸增大，從保持架轉(zhuǎn)移至鋼球和溝道的自潤(rùn)滑材料逐漸超出了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)潤(rùn)滑的需要，逐漸增多的多余自潤(rùn)滑材料引起軸承摩擦力矩增大，進(jìn)而導(dǎo)致溫度升高，如圖5中運(yùn)轉(zhuǎn)到4×108r時(shí)，自潤(rùn)滑材料磨損物增多到一定程度后，因摩擦力矩增大使溫度急劇增大，達(dá)到停車的閾值。

(a)內(nèi)溝道

檢測(cè)試驗(yàn)軸承清洗后的旋轉(zhuǎn)精度，滿足軸承圖樣設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中鋼球與保持架的高頻剪切引起的磨損物增多、累積是影響軸承壽命的關(guān)鍵因素，因此要研制更高轉(zhuǎn)速、更長(zhǎng)壽命的固體潤(rùn)滑軸承，應(yīng)盡可能提高保持架的耐磨損性能，以減少運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中多余自潤(rùn)滑材料的堆積。

3 結(jié)論

針對(duì)影響高速固體潤(rùn)滑軸承性能的摩擦發(fā)熱及磨損物堆積問(wèn)題，分析了軸承結(jié)構(gòu)主參數(shù)對(duì)滑動(dòng)速度、自旋速度和滑滾比的影響，以接觸應(yīng)力和滑滾比為目標(biāo)優(yōu)化了719/7軸承，并進(jìn)行了試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1)通過(guò)降低鋼球的公轉(zhuǎn)滑動(dòng)速度和自旋滑動(dòng)速度，優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)主參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了固體潤(rùn)滑軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

2)研制的高速固體潤(rùn)滑軸承，通過(guò)了轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)4×108r的長(zhǎng)壽命試驗(yàn)考核。