深沟球轴承冠形保持架结构参数对其性能的影响

2021-07-22贾晓芳张文虎赵滨海崔永存邓四二

轴承 2021年12期

贾晓芳，张文虎，赵滨海，崔永存，邓四二,3

(1.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003；2.洛阳轴承研究所有限公司，河南洛阳 471039；3.高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，河南洛阳 471023)

深沟球轴承冠形保持架结构参数对其使用性能至关重要。保持架结构上存在质量分布不均时，运行过程中会产生较大附加力矩，造成保持架运行不稳定；在承受钢球作用载荷时，保持架兜孔爪部一侧结构薄弱，其强度受到较大影响。保持架使用性能直接决定轴承可靠性，从而影响整机服役寿命。

国内外学者对滚动轴承保持架性能做了大量研究：文献[1-2]对球轴承保持架在不同结构参数下的稳定性进行了理论分析与试验研究，结果表明引导间隙增大会导致保持架不稳定性增加；文献[3-5]分别考虑滚子和保持架动不平衡量，对高速圆柱滚子轴承保持架的稳定性进行分析；文献[6]分析了高速角接触球轴承载荷及保持架引导参数对保持架稳定性的影响，间隙比小于1时，保持架运动轨迹为圆形；文献[7]研究了鼠笼一体化弹性支承轴承保持架稳定性，结果表明鼠笼式弹性支承轴承保持架在内引导和外引导下保持架打滑率均随径向载荷和转速增大而增大，随轴向载荷增大而减小；文献[8]对高dn值滚子轴承保持架断裂故障进行研究，提出造成断裂的主要原因是保持架兜孔圆角过小；文献[9]研究了圆锥滚子轴承停止阶段保持架的应力变化，结果表明停止阶段保持架应力主要由滚子碰撞产生，保持架材料及兜孔圆角对保持架应力有较大影响，兜孔圆角增大有利于减小保持架应力；文献[10]研究了冲击载荷对圆柱滚子轴承保持架性能的影响，随冲击加速度增大，滚子对保持架碰撞作用力及频率显著增加，冲击加速度足够高时，滚子相对保持架的冲击动能会导致保持架过梁直接断裂；文献[11]对滚针保持架组件进行了强度计算，结果表明减小保持架内径有利于减小保持架应力。

关于深沟球轴承冠形保持架结构参数的研究较少，鉴于此，建立冠形保持架深沟球轴承多体动力学模型，分析了保持架修形设计及爪部参数对保持架运转平稳性和强度的影响。

1 深沟球轴承冠形保持架几何结构

为减小冠形保持架轴向质量不均产生的附加力矩并提高保持架柔性，在远离保持架爪部侧端面进行修形设计，深沟球轴承冠形保持架单个兜孔截面如图1所示，图中：R为修形半径，Mc(Mcx，Mcy，Mcz)为保持架轴向质心，X为轴向质心距保持架底部端面的距离，L为轴向质心距保持架兜孔中心平面的距离，W为爪部长度。

图1 深沟球轴承冠形保持架单个兜孔截面

2 深沟球轴承动力学模型

基于开发的SARB滚动轴承动力学仿真软件对轴承整体进行动力学仿真计算，分析保持架运转平稳性。为方便描述轴承内部各零件的运动，建立图2所示深沟球轴承坐标系:1)惯性坐标系Oxyz,各零件运动速度和位移可在该坐标系中度量；2)局部坐标系包括内圈坐标系Oixiyizi、保持架坐标系Ocxcyczc、第j个保持架兜孔中心坐标系Opjxpjypjzpj及第j个球中心坐标系Objxbjybjzbj，零件之间的相对速度、相对位移及相互作用力均可在局部坐标系中度量。

图2 深沟球轴承坐标系

2.1 球动力学微分方程组

图3 球受力示意图

球动力学微分方程组为

(1)

(2)

2.2 保持架动力学微分方程组

保持架仅受球的作用力，如图4所示，保持架在惯性坐标系下的动力学微分方程组为

图4 保持架受力示意图

(3)

(4)

2.3 内圈动力学微分方程组

轴承内圈受球和外部载荷共同作用，内圈动力学微分方程组为

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

3 实例分析

以6210深沟球轴承为例进行分析，轴承主要结构参数见表1，内外圈及钢球材料为GCr15，保持架材料为尼龙66，材料参数见表2[12]。轴承受1 200 N的纯径向载荷，内圈旋转，转速为10 000 r/min。

表1 6210轴承主要结构参数

表2 6210轴承材料参数

保持架运转平稳性直接影响保持架动态性能，力求保持架运动平稳是高速轴承设计的关键，一般认为保持架质心轨迹呈周期性或拟周期性变化时运动较为平稳。保持架结构参数对其运转平稳性及强度有较大影响，下文将分析保持架修形半径R、爪部长度W对其运转平稳性和强度的影响。

3.1 保持架结构参数对其运转平稳性的影响

3.1.1 修形半径

当爪部长度为2.3 mm时，修形半径对保持架质心轨迹的影响如图5所示：1)无修形时保持架质心轨迹较为紊乱；2)随修形半径增大，保持架运转稳定性先增大后减小，修形半径为8.3 mm时，保持架质心轨迹呈周期性变化，保持架运转最为稳定。说明修形设计有利于保持架平稳运转。

图5 修形半径对保持架质心轨迹的影响

3.1.2 爪部长度

当修形半径为8.3 mm时，爪部长度对保持架质心轨迹的影响如图6所示，随爪部长度增大，保持架质心轨迹无明显变化，说明爪部长度对保持架运转平稳性影响不大。

图6 爪部长度对保持架质心轨迹的影响

3.2 保持架结构参数对其强度的影响

保持架强度分析采用ABAQUS有限元软件，前处理阶段将钢球调整至与保持架兜孔位置相切。在钢球与保持架间建立摩擦接触，采用C3D8R六面体网格单元，边界条件为固定保持架一侧端面，并限制钢球x，y向的平移，在球心施加轴向载荷(钢球与保持架之间的作用载荷)。经SARB滚动轴承动力学仿真软件分析计算可知，钢球与保持架间的最大载荷为5 N,在球心施加5 N轴向载荷。修形半径为8.3 mm，爪部长度为2.3 mm时保持架等效应力和变形云图如图7所示：保持架最大等效应力为27.74 MPa，在钢球与保持架接触边线位置；最大变形为55 μm，在兜孔爪部位置。

图7 保持架强度有限元分析结果

3.2.1 修形半径

修形半径对保持架等效应力和变形的影响如图8所示：随修形半径增大，保持架等效应力呈先减小后增大的趋势，变形量不断增加。这是由于修形设计改变了保持架刚度，提高了保持架柔性，受载荷冲击时，产生较大变形，使保持架等效应力减小。当修形半径过大时，保持架柔性增大，但去除材料较多，导致相邻结构壁厚薄弱，保持架等效应力增大。