内圈与轴过盈量对高速轴承抗断油能力的影响

李文超，刘良勇，杨建虹，李彦，李庆喜

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.万向集团公司，杭州 311215；3.河南新平科烟草机械有限公司，河南 新乡 453002)

轴承通常采用过盈配合安装在轴上，以防止因轴承内圈与轴之间的相对运动而产生微动磨损。但内圈与轴之间的过盈配合会引起内圈轻微膨胀，导致轴承径向游隙减小[1]。游隙通常影响轴承内部的载荷分布和寿命，也与轴承的抗断油能力密切相关。轴承抗断油能力是轴承重要工作性能之一，通常通过断油试验进行考核，即在轴承润滑油出现瞬时供油中断或不足的情况下进行的特殊性能试验，是轴承在极端状态下的一种破坏性试验，考核其断油耐受能力(抗断油能力)。

下文从理论上分析了过盈量对径向游隙的影响，并以QJS207轴承为例，分别在内圈与轴不同过盈量的情况下进行了轴承断油试验，考核过盈量对轴承断油性能的影响。

1 过盈量对轴承径向游隙的影响

滚子轴承中，内圈可以等效作为薄壁空心圆柱体；但球轴承内圈包含沟道，不能直接视为薄壁空心圆柱，内圈等效转换外径d2i为[2]

(1)

式中：d2为内圈挡边直径；Kd为内圈挡边直径系数；Dw为钢球直径；B为内圈宽度；A为内圈沟道横截面面积，可由几何关系计算得出。

轴承内圈与轴以有效过盈量Isi配合时，内圈膨胀，内沟道直径也将增大，其径向增大量，即径向游隙减小量δsi为[1]

(2)

式中：d为轴承内径；ds为轴孔直径；Ei为内圈材料弹性模量；Es为轴材料弹性模量；νi为内圈材料泊松比；νs为轴材料泊松比。

如果内圈与轴的材质相同，且轴为实心轴，则(2)式中Ei=Es，νi=νs，故有

(3)

2 试验轴承和设备

试验轴承为内径35 mm、接触角25°的双半内圈角接触球轴承，其结构如图1所示，结构参数见表1。轴承内、外圈和钢球材料均为Cr4Mo4V高温轴承钢，保持架材料为铝青铜。

图1 QJS207轴承结构图

表1 QJS207轴承参数

试验设备为高速高温试验机，试验轴系采用简支梁结构，每次可同时安装2套QJS207轴承(一套为陪试轴承，另一套为试验轴承)和1套圆柱滚子轴承(加载轴承)，径向载荷施加于加载轴承、并通过试验轴传递到两端支承轴承上，轴向载荷由加载活塞通过加载杆直接施加于试验轴承外圈上，要求外圈与轴承座之间为间隙配合。电主轴通过柔性联轴器与试验主轴的轴伸端相连，拖动轴系高速旋转；试验轴系下方为提供端面喷射润滑的喷嘴体，润滑油喷向保持架与内圈之间的缝隙处。高速高温试验机轴系结构如图2所示。

1—轴向载荷；2—QJS207试验轴承；3—径向载荷；4—NU1007轴承；5—QJS207陪试轴承

每套试验轴承与轴和轴承座的配合值见表2。外圈与轴承座均为间隙配合，间隙量为0.015～0.017 mm，内圈与轴均为过盈配合，且过盈量差异较大。

表2 轴承与轴和轴承座的配合参数 mm

3 试验

每套轴承正式试验前先进行30 min的磨合试验，按照表3断油试验载荷谱断油30 s后，恢复供油继续运转30 min，试验用润滑油为4050高温合成航空润滑油。3组断油试验仅改变轴承内圈与轴的过盈量，其他试验参数不变。

表3 断油试验载荷谱

试验过程中，1#轴承断油试验至19 s时，主机电流超限报警，停止试验；2#轴承断油试验至17 s时，主机电流超限报警，停止试验；3#轴承顺利通过30 s的断油试验。

试验结束拆下轴承观察发现，1#和2#轴承手动旋转卡滞，产生了如图3和图4所示的严重磨损情况；而3#轴承手动旋转灵活，外观完好，磨痕均匀、正常，尺寸及旋转精度检测均正常，各零件外观形貌如图5所示。断油试验过程中各被试轴承外圈温度曲线如图6所示。

图3 试验后1#轴承内圈外观形貌

图4 试验后2#轴承内圈外观形貌

图5 试验后3#轴承零件外观形貌

由上述分析并结合图6可以看出：1#和2#轴承内圈与轴配合过盈量0.014～0.015 mm，轴承安装后径向游隙减小了0.011 mm左右，断油后缺乏有效的润滑油冷却和润滑，轴承温度迅速升高，外圈温度在4 s内升高了15 ℃，且内圈温度高于外圈，存在温度梯度，致使轴承内部产生较大的附加载荷，轴承迅速磨损，主机电流超限报警试验机停车；3#轴承内圈与轴配合过盈量0.005～0.006 mm，轴承径向游隙减小了0.004 mm左右，比1#和2#轴承径向游隙少减小了0.008 mm，温度梯度使轴承内部产生的附加载荷明显减小，故3#轴承通过了30 s的断油试验要求。

图6 断油试验中轴承外圈温度曲线

4 结论

轴承通常均可以通过10 s左右的断油试验，此后没有了润滑油的冷却和润滑作用，根据工作游隙，轴承可通过的断油试验时间不等，工作游隙大，轴承可通过的断油试验时间长，反之则短；内圈与轴过盈量为0.014～0.015 mm时，轴承可断油运转10～19 s，内圈与轴过盈量为0.005～0.006 mm时，轴承可断油运转30 s。