高速精密角接触球轴承保持架优化设计

汪凯，张迅雷，李兴林

(1．浙江五洲新春集团股份有限公司，浙江 新昌 312500；2. 杭州轴承试验研究中心有限公司，杭州 310022)

高速精密角接触球轴承是新型纺织机械的关键零部件之一，一旦轴承失效，将同时破坏纺织机械的主轴，且轴承安装更换时间长，严重影响产量。高速精密角接触球轴承失效主要由缺油引起的摩擦磨损造成[1]，轴承的摩擦力矩是一项重要性能指标，其主要来源有：滚动中材料的弹性滞后带来的摩擦；钢球沿接触面中心法线的自旋滑动摩擦及纯滚动摩擦；润滑剂的黏滞摩擦；滚动接触面上的差动滑动摩擦。前几种摩擦与轴承的材料、内部空间结构及润滑脂选取相关，已经能做到与国外相当水平，但对滚动中差动滑动引起的摩擦，即保持架与钢球之间的运动摩擦的分析和改进尚不足。文中通过对保持架优化设计以期降低该摩擦，同时降低阻碍保持架运动的润滑剂的黏滞摩擦力。这有利于提高高速精密纺机轴承的使用寿命及可靠性。

1 保持架结构优化

高速精密角接触球轴承往往会由于钢球与套圈和保持架之间的过度磨损导致轴承精度降低，进而影响主机的工作性能。当轴承高速旋转时，由于离心力的作用，钢球与外圈接触角减小，与内圈接触角增大。转速越高，其接触角差越大，从而造成钢球与保持架的碰撞、冲击，使保持架产生磨损。保持架不但受摩擦力、张力、离心力和惯性力等机械应力的作用，而且还要承受润滑油及其添加剂或其老化产物的化学作用。因此，对于高速角接触球轴承，除在安装使用中施加一定的轴向预载荷来尽量减小轴承旋转时内、外圈接触角之差外，在设计时，应采用有利于高速旋转的轴承结构，尽可能减小摩擦力矩、改善润滑等[2]。

为降低钢球与保持架的运动摩擦，可对保持架兜孔内部结构进行改进，如减少保持架与钢球的接触面积，可将保持架的直兜孔中部设计成圆弧凹槽(图1)，以改善润滑，降低润滑脂的切断阻力，有利于降低摩擦力矩，提高轴承寿命。

图1 保持架兜孔的改进

在轴承高速转动的过程中，由于轴承内部润滑脂的黏滞作用及离心力作用，钢球与保持架之间摩擦力增加，可通过改进保持架结构来提升润滑性能，减小摩擦。如在不影响保持架强度的基础上，在保持架的内径面兜孔位置上增加引导角(图2)，更有利于润滑脂的流动，以降低黏滞阻力，延长轴承的使用寿命。

图2 保持架兜孔凹槽

为使该结构保持架能得到应用，不但要对该结构的引导角及兜孔槽进行优化设计，还要改进保持架的注塑模具，确保保持架内部的过渡区域平滑。可采用投影仪及轮廓仪进行检测来控制批量生产的产品。

2 保持架材料

高速精密角接触球轴承保持架要求材料具有低硬度和高耐磨性，必要的弹性和韧性，并具有一定的吸振和自润滑能力。一般采用工程塑料实体保持架，以保证轴承在高速旋转状态下保持架具有较小的离心力及较高的尺寸稳定性。

不同工程塑料材料保持架的性能特点见表1。根据保持架材料性能的对比，一般选择玻璃纤维增强聚酰胺PA66-GF30用于较低速轴承，选择酚醛层压布管保持架用于高速轴承；聚醚醚酮(PEEK)保持架适用于超高速轴承，设计者可根据具体情况来适当选取[3-6]。

表1 保持架材料性能特点

3 优化效果

对结构改进后的酚醛层压布管材料的保持架进行了小批试制，将其装入轴承进行跑合及台架试验。对8组样品持续一年多的监控表明：轴承温升为5～15 ℃，最小寿命达到8 592 h，完全满足客户的要求。