混合陶瓷角接触球轴承高速性能分析

2012-07-20范雨晴张志恒梁培栋马莹

轴承 2012年3期

关键词：陶瓷球钢球陀螺

范雨晴，张志恒，梁培栋，马莹

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039；2.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001)

符号说明

Dpw——轴承节圆直径

F——球与沟道的法向接触力

Fc——离心力

h——润滑膜厚度

H——摩擦发热率

J——球的转动惯量

m——球质量

M——摩擦力矩

Mg——陀螺力矩

n——轴承转速

R——球径

sm——沟道表面粗糙度的均方根值

sR——球表面粗糙度的均方根值

v——自旋滑动速度

ω——球的自转角速度

Ω——球的公转角速度

ρ——密度

β——自转空间姿态角

μ——摩擦因数

τ——流体剪切力

η——流体黏度

Λ——油膜厚度参数

下标

b——球

c——陶瓷球

e——外圈

g——陀螺运动

i——内圈

m——公转

s——钢球

S——自旋滑动

在实际应用中，滚动体为氮化硅陶瓷球的混合陶瓷角接触球轴承与对应的全钢角接触球轴承相比，具有高速性能好、刚度高、摩擦发热低、寿命长和可靠性高等优点。在此，通过以下几个方面对混合陶瓷角接触球轴承的高速性能进行分析。

1 陀螺力矩

对于角接触球轴承，当球绕两相交的公转和自转轴线旋转时，受到一惯性力矩的作用，该惯性力矩称为陀螺力矩(图1)。陀螺力矩大小为

图1 轴承受陀螺力矩的示意图

Mg=JωbΩmsinβ，

(1)

混合陶瓷角接触球轴承的内部结构参数与全钢角接触球轴承相同的情况下，两者的陀螺力矩关系为

式中：ρc=3.15×103kg/m3；ρs=7.9×103kg/m3。则，Mgs=2.51Mgc。

摩擦发热率为

H=1.047×10-4Mn。

(2)

相同转速下，混合陶瓷角接触球轴承与全钢角接触球轴承因陀螺力矩引起的摩擦发热率的关系为

即Hgs=2.51Hgc。

陀螺力矩对于轴承是一个有害的因素，特别在高速、轻载下，陀螺力矩引起球相对沟道滑动，导致严重摩擦，使轴承内部出现发热、温升，影响轴承的使用性能，从而加速轴承损坏。由Mgs=2.51Mgc和Hgs=2.51Hgc可知，在相同转速和结构参数下，装有陶瓷球的混合陶瓷角接触球轴承比全钢角接触球轴承的摩擦小，对轴承滚动面的破坏相对较小，同时轴承内部发热、温升较小，极限转速较高，使用寿命较长。

2 自旋滑动

两接触的弹性体相对转动时，角速度矢量可以分解为沿接触点切线方向的分量ωR和法线方向分量ωS，如图2所示。切向分量ωR为滚动分量，运动形式为滚动；法向分量ωS为自旋分量，运动形式为自旋滑动。

图2 自旋分量和滚动分量示意图

为便于分析自旋滑动，忽略陀螺运动，对角接触球轴承进行分析。图3为高速角接触球轴承运动关系图。

根据图3表示的矢量方向，得到球对内、外沟道的自旋分量为

(3)

(4)

如果球相对某一沟道不发生自旋时，则相对该沟道的自旋分量必须为零。由图3可知，角接触球轴承至少在一个沟道存在自旋。由(3)和(4)式可知，相同转速和结构参数下，混合陶瓷角接触球轴承与全钢角接触球轴承的自旋速度相等。根据材料的性能可知，相同轴承结构参数下，陶瓷球与沟道之间的摩擦因数要小于钢球与沟道之间的摩擦因数，即μc<μs。自旋滑动下，摩擦发热率为

图3 高速角接触球轴承运动关系图

HSc=Fμcv，

(5)

HSs=Fμsv，

(6)

所以，HSs

3 高速下公转打滑

在高速下，由于离心力作用，球与内沟道的接触力小于球与外沟道的接触力，使得内沟道对球的拖动力不足，球的公转速度减小并与内沟道发生相对滑动。轴承在相同转速和结构参数下，陶瓷球与钢球两者离心力的关系为

(7)

即Fcs=ρsFcc/ρc=2.51Fcc。由上式可知，陶瓷球在高速下沿滚动方向的打滑较小，滚动表面的损伤和摩擦温升较小，轴承的极限转速较高，使用寿命较长。

4 硬度及粘着磨损

陶瓷球的硬度为1 700 HV，钢球的硬度为700 HV。所以，在同等摩擦力下，陶瓷球比钢球更能抵抗摩擦力对滚动表面的损伤，因此，混合陶瓷球轴承的极限转速较高，使用寿命较长。

相同金属或互溶性大(晶格类型、晶格常数、电子密度及电化学性能等相同或相近)的金属摩擦副，具有较强的粘着倾向，因而金属与非金属组成的摩擦副比金属与金属摩擦副抗粘着性能好，即陶瓷球与套圈沟道组成的摩擦副比钢球与套圈沟道组成的摩擦副抗粘着性能好。

5 表面粗糙度

当润滑油膜完全将滚动表面隔开时，可以假定形成Newton流体润滑，润滑油膜厚度可以简化为

(8)

油膜厚度参数Λ为

(9)

由(8)和(9)式可知，良好的表面粗糙度能提高轴承的润滑和耐磨损性能，减小磨粒磨损和摩擦温升，提高轴承的极限转速并延长轴承的使用寿命。

6 电阻率

当有电流通过轴承时，在非接触的钢球和沟道之间形成电弧，在其表面留下一连串微小的凹坑，连续运转就会导致表面出现刻痕的波纹，这种损伤被称为电弧损伤(或电蚀)。轴承遭受此种类型的损伤将产生振动和噪声，并将缩短轴承的疲劳寿命。电流流过轴承内部所经过的路线是滚道→滚动体→滚道，因而只要轴承一个零件为绝缘体就可以切断电流。根据材料的性质，氮化硅陶瓷球的电阻率为1017～1018Ω·mm2/m，钢球的电阻率为0.1～1 Ω·mm2/m。所以混合陶瓷角接触球轴承可以自身切断电流，防止电弧损伤的发生。