四点接触球轴承接触特性研究

2020-05-13高丽

中国设备工程 2020年8期

高丽

（新疆铁道职业技术学院，新疆哈密 839000）

1 四点接触球轴承构造和优点

四点接触球轴承是一种分离型轴承，这种轴承的内圈沟道和外圈沟道是一种桃形的界面，在受到荷载作用时，接触角会发生变化，其接触面呈现为四点接触。以负游隙四点接触球轴承为例，四点接触球轴承由于具备同时承受轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩的特性，能有效消除轴承内部游隙，进而在承受荷载时能大大减少变形，提升刚度，并减轻自身体积和质量，在一些对运转速度要求较高、部件体积小的机械设备中应用较为广泛。

2 影响四点接触球轴承的接触特性因素

在实践中，四点接触球轴承的内部构造对其接触特性影响较大，具体从以下几点展开分析：

2.1 游隙值对四点接触球轴承的接触特性影响

四点接触球轴承游隙值的大小对接触角有重要影响。在设计时，应严格控制影响游隙值的因素。沟道的接触点直径、沟道曲率半径误差和处于同一套圈的内外沟道之间曲率的一致性都对游隙值产生重要影响。因此，只有严格控制内外沟道的加工误差，减少对钢球与沟道接触位置的影响，保证接触点直径稳定，才能保证合套率、游隙值和最终的接触角正确。

控制好游隙值还有助于减少沟曲率误差造成的接触点位置变化，使轴承的实际接触角大小更稳定，进而使得内部的载荷分布更合理。以负游隙四球轴承为例，由于负游隙无法由仪器直接测出，受空间限制，只能通过装配小尺寸球，建立一个将轴承处在正游隙值状态的理论模型中进行仿真计算，具体模型如图1 所示。

图1 球径变化对四点接触球轴承游隙的影响

在这一模型中，设定轴承内外沟道的垫片角都为β，将小尺寸适配球置于其中时测得的径向游隙值为Gt，而实际装配用球与适配用球之间的直径之差是 ΔWD ，则这两种装配用球导致的轴承径向游隙值变化如图1 所示，具体的变化量如公式（1）所示：

而轴承的理论径向游隙值的计算过程如公式2 所示：

所以，选择一个合适直径的适配用球对于游隙值的控制非常重要，在具体的应用过程中，应遵循这一公式，观察游隙值的变化，直至找出最佳理论仿真结果，并根据比例应用于实践。

2.2 轴承摩擦力矩对四点接触球轴承的接触特性影响

在高速运转过程中，轴承的摩擦力矩对其接触特性有重要影响。轴承因其工作原理是一种巧用滚动和滑动摩擦而形成的固体润滑，因此，转速比较低。由于工作时转速过低，球与内侧和外侧沟道之间受到预紧力的作用会形成四点接触，这些接触点又都存在较大的自旋滑动。球相对于内外沟道的转速可分解为绕接触点切线方向的角速度和绕接触点法线方向的角速度。这一转速可根据角速度矢量合成法进行计算。

2.3 采用预跑合测试轴承接触点润滑薄膜

球相对内外沟道的自旋分量所引起的滑动而产生的摩擦力矩是轴承旋转时摩擦力矩的最主要来源。由能量守恒定律可知，在忽略轴承内部影响较小的摩擦力的情况下，轴承的总摩擦损耗来自球与沟道接触点处自旋滑动引起的摩擦功耗之和。

本研究以镀膜MoS2的轴承在设定条件横向载荷为200N、转速为100rpm 的背景下，正面和反面各跑合30min，密切监测这一过程中的动态摩擦力矩大小，最后测试启动摩擦力矩。

MOS2膜最大的优点是多组元离子之间的协同效能，有助于使润滑膜的表面和断面组织结构致密化。通过沉积可以使得其与基体材料接触部位形成一层最致密的润滑薄膜，但是，当累积到一定厚度时，润滑薄膜的生长方式就可能出现比较明显的变化，例如，膜的顶层会生成诸如柱状或者是针状的疏松组织结构，极其容易受潮、氧化和脱落，会极大地影响轴承的润滑性能，严重的还会影响设备的正常运转，损坏价格昂贵的大型机械设备。

在实际应用前，先进行预跑合测试。跑合能将轴承与设备加以磨合，设定一段时间的磨合期有助于提升轴承的运行状态。进行跑合后，适配球会与沟道接触带部分的润滑膜进行接触，由于受到球不断滚动的挤压，二者交界处的顶层薄膜疏松结构会逐渐脱落，底层的薄膜在压力作用下愈加致密。

通过轴承跑合，可以获得理论性的负游隙值。由于忽略了一部分实际存在的摩擦力矩，所以，实测值往往会比理论值大。但是，在多次理论和实测的对比中发现，随着负游隙值的增大，理论计算值也会越来越趋近于实测值（一般会出现30%的浮动），实验数据如表1 所示。因此，这一模型具有一定的参考价值。

表1 不同游隙值状态下的摩擦力矩

2.4 接触过程的损耗对四点接触球轴承的接触特性影响

接触点部位的摩擦损耗关系着设备能否正常稳定运行。在转动过程中，轴承损耗可分为初期、中期、峰值和晚期4个阶段。初期阶段，属于正常损耗，一般不需要刻意维护，中期是损耗逐渐加剧的过程，这一过程中可以通过增加润滑、调整游隙值对设备进行初步维护，峰值和晚期非常值得关注。轴承运转了较长时间，设备的润滑效果大大降低，会发出较大的噪声，接触表面的薄膜和套合参数发生损耗和变化，需要及时更换润滑薄膜和调整参数，保证设备及时恢复正常状态，进而提升四点接触球轴承的接触特性，保证设备运行的稳定性，提升工作效率。这就要求对相关操作人员进行岗前培训，使其熟悉四点接触球轴承的接触特性和工作原理，提升自己的专业能力，保证生产和实践工作顺利开展。

3 四点接触球轴承在日常工作中的接触损耗和维修建议

根据实践数据，四点接触球轴承在运转过程中会产生振动，这是由于自身结构、钢球适配参数不合理和使用方法不当。本研究重点分析了在轴承磨损过程中出现的振动情况。轴承的接触表面受到的压力和转动速度对设备的损耗影响非常严重，一般会表现为在钢球与内外侧沟道或保持架直接出现压痕、裂纹等缺陷，进而引发振动，产生周期性噪声。在具体的应用过程中，工作人员应重视对噪声的分析，根据四点接触球轴承的润滑特性及时维修设备。可以尝试更换合适直径的钢球、采用致密性较好的润滑薄膜、上机前采用预跑合测定轴承的摩擦力矩，及时调整游隙值。