滚滑轴承及其试验研究

2011-07-25卢黎明

轴承 2011年9期

关键词：动压滚子内圈

卢黎明

(华东交通大学机电工程学院，南昌 330013)

在重载冲击工况下造成的疲劳磨损严重影响着轴承寿命[1]。曾对运行2年的C76型25 t轴重敞车进行解体，发现46辆敞车的368套轴承中已有347套产生了不同程度的损伤，具体情况见表1。

表1 轴承损伤情况

分析其原因主要是由于敞车经过钢轨间的连接缝隙、道岔、转弯及急刹车时激增比平时大许多倍的冲击力作用在轴承上造成的。然而有关重载循环冲击下轴承疲劳磨损问题的研究报道很少[2]，因此有必要深入寻找有效解决轴承疲劳磨损问题的办法。

1 滚滑轴承的构建

滚动轴承的优点主要表现在启动摩擦阻力小，摩擦系数低，维护方便，适用于宽转速范围内工作，最大缺点是承受冲击载荷能力差；动压滑动轴承的优点主要表现在承受冲击载荷能力强，摩擦系数小，结构简单，适用于中、高速状态下工作，最大缺点是启动和低速时摩擦阻力大。

比较这2类轴承不难发现，2类轴承都含有内圈(动压滑动轴承的内圈可看作轴颈表面)和外圈，不同之处在于滚动轴承的内、外圈之间是滚动体和保持架，而动压滑动轴承的内、外圈之间是1层较厚的油膜(也可在内、外圈之间加1个活动圈而形成双层油膜)，正因为中间层的不同而形成了不同的工作机制和优、缺点。如能将滚动轴承的滚动体(具有弱弹性)和滑动轴承的滑动体(起支承作用的油膜只在最小间隙处，故可将双层油膜间的活动圈分割成数块滑动体)结合起来，即可在滚动轴承和动压滑动轴承的基础上构成一种新型轴承——滚滑轴承。

构建的滚滑轴承结构如图1所示，主要由内圈、外圈、圆柱滚子和滑块组成，滑块的长度与滚子的长度一样，滑块的厚度、宽度与滚子的直径按一定关系匹配。这种轴承通过滑块来承担一部分载荷，能降低滚子与轴和孔的接触应力；同时，由于滑块与滚子是相隔分布，与内、外圈的滑动摩擦是间断性的，散热性好，摩擦热不会很高，而且能较好地保持原滚动轴承的高速特性[3]。

图1 滚滑轴承的结构示意图

2 滚动轴承、滑动轴承和滚滑轴承的理论分析

文献[4]运用Hertz公式对石油钻井牙轮钻头上的1套滚动轴承进行计算，该轴承有16个圆柱滚子，滚子有效长为13.8 mm，滚子直径为12 mm，轴承内径为49.85 mm，轴承径向游隙为0.15 mm，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。求得其在40 kN载荷作用下滚动体承受的最大载荷为16 193 N，最大接触应力为2.958 GPa，平均应力为0.987 GPa。对与上述尺寸基本相同的滚动轴承，轴径为54 mm、长度为23 mm的滑动轴承以及滚子和滑块长度为23 mm、滚子直径和滑块厚度都为11.8 mm、内圈外径为54 mm、外圈内径为77.8 mm、滑块与滚子的数量比为8∶8的滚滑轴承三者在承受40 kN载荷作用下，运用ANSYS元件对滚子最大接触应力进行有限元计算分析，结果见表2。

由表2可知：滚滑轴承滚子上的应力峰值和均值分别只有滚动轴承的17.4%和36%，轴上的应力峰值和均值分别只有滚动轴承的67%和58.5%，应力值下降非常明显。滚滑轴承轴上的应力峰值和均值虽然比滑动轴承分别提高38%和64%，但由于其应力数值偏小，不足以引起滚滑轴承的严重疲劳磨损，而且还可以通过调整滑块与滚子的数量比例或尺寸匹配关系来降低其应力峰值。因此，滚滑轴承能很好地适用于重载循环冲击工作条件，有效降低疲劳磨损程度。

表2 接触应力比较 MPa

3 滚动轴承、滑动轴承和滚滑轴承的试验分析

3.1 滚动轴承的试验

轴承转速为326 r/min，给轴承施加30，40和50 kN的径向载荷，摩擦副测试温度在60 ℃左右；轴承在50 kN静载荷下运转25～30 h后，滚子表面和轴孔两端发生了严重的疲劳点蚀和破损剥落，导致轴承失效，轴承仅有约50万转的寿命。

3.2 滑动轴承的试验

在166 r/min的转速下，可以达到40～90 kN的咬合点载荷，在40 kN左右的载荷下可较长时间运行，摩擦副温度一般在120 ℃左右，摩擦副处于边界润滑摩擦状态。在326 r/min的转速下，一般在40 kN以下载荷就会因180 ℃(测试温度，实际温度估计在200 ℃以上)以上高温破坏润滑而咬死，平均寿命大约为39 h(96万转)。

3.3 滚滑轴承的试验

用CrWMn材料作滑块，热处理硬度为55～58 HRC，在330 r/min的转速下做咬合试验，咬合点载荷为70～92 kN，具有滚动轴承不易咬合的特点。在转速为330 r/min、载荷为50 kN下运行40 h后，摩擦副温度大约在80℃，滚子没有明显的点蚀现象，表面光滑，滑块内、外弧面摩擦得非常光亮，如图2所示，轴承寿命基本上可达到70～100万转。