密珠式深沟球轴承轴向承载性能研究

2020-07-14殷琪湛卉王炳炎陈书华邓朝俊张弦董岱林

机械工程师 2020年6期

殷琪，湛卉，王炳炎，陈书华，邓朝俊，张弦，董岱林

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都610213）

0 引言

深沟球轴承具有高定位精度、高极限转速、低摩擦因数等特点，主要用于承受径向载荷，也可承受一定的轴向载荷，但较小的轴向承载能力限制了深沟球轴承的应用[1]。为解决深沟球轴承轴向承载较小的问题，通过取消保持架结构，增加滚动体数量，形成密珠式深沟球轴承的方式，进而实现有效增强深沟球轴承的轴向承载能力。其模型示意如图1所示。

密珠式深沟球轴承具有以下优点[2-3]：1）滚动体数量多，因此作用在每个滚动体上的载荷较小，使其承载能力增强；2）滚动体数目多，与滚道的接触面积大，可以很好地减弱滚动体与滚道在外部载荷变化时所引起的振动、冲击等对轴承的损伤，提高了轴承的定位精度，延长其使用寿命；3）密珠式深沟球轴承的接触面为简单形面，因此在加工精度上容易得到保证。

图1 密珠式深沟球轴承模型示意图

国内部分学者已经对密珠轴承的负载能力和定位精度开展了研究，并取得了一定的研究成果。王志新[4]提出按密珠轴承静负荷能力确定其径向游隙的观点，并研究了轴承静负荷能力与径向游隙的关系，得出了在不影响轴承运转灵活性和装配方便的条件下，采用小的径向游隙将有利于密珠轴承优点的发挥。叶家福[5]推导出了最大接触应力和径向游隙的计算表达式，并在此基础上给出考虑温差和表面粗糙度影响时的修正值。毛书越[6]以赫兹弹性接触理论对密珠球轴承过盈量进行了分析计算，论证了这种计算方法的可行性。

分析多位学者的研究可以发现，当密珠式深沟球轴承轴向承载时，轴承内外圈与滚动体之间形成一定的接触角，接触角的大小影响着轴承的轴向承载能力和轴向定位精度，而径向游隙是影响接触角的重要因素。为了探究轴承径向游隙对轴向承载能力及轴向定位精度的影响，本文开展了密珠式深沟球轴承的轴向承载性能研究。

1 计算模型建立

1.1 轴向承载能力计算

在低速条件下，密珠式深沟球轴承的轴向承载能力计算与深沟球轴承的轴向承载计算方法[7-10]相同，其轴向理论计算模型如图2所示。

外圈滚道的半中心角为

图2 密珠式深沟球轴承计算模型

1.2 轴向位移计算

2 计算流程建立

综合以上信息，对该密珠式深沟球轴承的轴向最大承载力及轴向位移计算流程如图3所示。

3 计算结果及分析

基于轴承的设计结构尺寸，计算所需的模型基本参数如表1所示。

图3 轴承轴向最大承载力及轴向位移计算流程

表1 轴承计算基本参数

3.1 轴向最大承载力计算

利用Matlab软件进行迭代计算，分别得到该轴承在不同径向游隙下的最大接触角和轴向最大承载力，并绘制关系曲线如图4所示。

图4 径向游隙对最大接触角和轴向最大承载力的影响

由图4可以看出，密珠式深沟球轴承的最大接触角与径向游隙成正比，而轴向最大承载力径向游隙成反比。其中主要原因在于轴承的径向游隙ur越大，其初始接触角α0越大，在同样大的轴向力作用下，其实际接触角α越大，滚动体越接近滚道边缘，此时轴向最大承载力就越小。因此减小轴承的径向游隙能显著增强轴承的轴向承载能力。

3.2 轴向位移计算

利用Matlab软件进行迭代计算，分别得到该轴承在不同的径向游隙下，轴向载荷对其轴向位移的影响关系，绘制曲线如图5所示。

图5 不同径向游隙下轴向载荷对轴向位移的影响

由图5可以看出，在轴向载荷作用下，密珠式深沟球轴承的轴向位移增量与径向游隙成反比，因此在一定的轴向载荷范围内，初始的径向游隙越大，轴承的轴向位移变化量越小，轴向定位精度也越高。在该轴承实际使用时，可设置一个2～3 kN级别的初始轴向预紧力，这样轴承在承受较大轴向外载荷时，其轴向位移量较小，可满足多数情况下的使用需求。