盧黎明

(華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330013)

在重載沖擊工況下造成的疲勞磨損嚴(yán)重影響著軸承壽命[1]。曾對(duì)運(yùn)行2年的C76型25 t軸重敞車進(jìn)行解體，發(fā)現(xiàn)46輛敞車的368套軸承中已有347套產(chǎn)生了不同程度的損傷，具體情況見表1。

表1 軸承損傷情況

分析其原因主要是由于敞車經(jīng)過鋼軌間的連接縫隙、道岔、轉(zhuǎn)彎及急剎車時(shí)激增比平時(shí)大許多倍的沖擊力作用在軸承上造成的。然而有關(guān)重載循環(huán)沖擊下軸承疲勞磨損問題的研究報(bào)道很少[2]，因此有必要深入尋找有效解決軸承疲勞磨損問題的辦法。

1 滾滑軸承的構(gòu)建

滾動(dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在啟動(dòng)摩擦阻力小，摩擦系數(shù)低，維護(hù)方便，適用于寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，最大缺點(diǎn)是承受沖擊載荷能力差；動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在承受沖擊載荷能力強(qiáng)，摩擦系數(shù)小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于中、高速狀態(tài)下工作，最大缺點(diǎn)是啟動(dòng)和低速時(shí)摩擦阻力大。

比較這2類軸承不難發(fā)現(xiàn)，2類軸承都含有內(nèi)圈(動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的內(nèi)圈可看作軸頸表面)和外圈，不同之處在于滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外圈之間是滾動(dòng)體和保持架，而動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的內(nèi)、外圈之間是1層較厚的油膜(也可在內(nèi)、外圈之間加1個(gè)活動(dòng)圈而形成雙層油膜)，正因?yàn)橹虚g層的不同而形成了不同的工作機(jī)制和優(yōu)、缺點(diǎn)。如能將滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體(具有弱彈性)和滑動(dòng)軸承的滑動(dòng)體(起支承作用的油膜只在最小間隙處，故可將雙層油膜間的活動(dòng)圈分割成數(shù)塊滑動(dòng)體)結(jié)合起來，即可在滾動(dòng)軸承和動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的基礎(chǔ)上構(gòu)成一種新型軸承——滾滑軸承。

構(gòu)建的滾滑軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由內(nèi)圈、外圈、圓柱滾子和滑塊組成，滑塊的長(zhǎng)度與滾子的長(zhǎng)度一樣，滑塊的厚度、寬度與滾子的直徑按一定關(guān)系匹配。這種軸承通過滑塊來承擔(dān)一部分載荷，能降低滾子與軸和孔的接觸應(yīng)力；同時(shí)，由于滑塊與滾子是相隔分布，與內(nèi)、外圈的滑動(dòng)摩擦是間斷性的，散熱性好，摩擦熱不會(huì)很高，而且能較好地保持原滾動(dòng)軸承的高速特性[3]。

圖1 滾滑軸承的結(jié)構(gòu)示意圖

2 滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承和滾滑軸承的理論分析

文獻(xiàn)[4]運(yùn)用Hertz公式對(duì)石油鉆井牙輪鉆頭上的1套滾動(dòng)軸承進(jìn)行計(jì)算，該軸承有16個(gè)圓柱滾子，滾子有效長(zhǎng)為13.8 mm，滾子直徑為12 mm，軸承內(nèi)徑為49.85 mm，軸承徑向游隙為0.15 mm，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。求得其在40 kN載荷作用下滾動(dòng)體承受的最大載荷為16 193 N，最大接觸應(yīng)力為2.958 GPa，平均應(yīng)力為0.987 GPa。對(duì)與上述尺寸基本相同的滾動(dòng)軸承，軸徑為54 mm、長(zhǎng)度為23 mm的滑動(dòng)軸承以及滾子和滑塊長(zhǎng)度為23 mm、滾子直徑和滑塊厚度都為11.8 mm、內(nèi)圈外徑為54 mm、外圈內(nèi)徑為77.8 mm、滑塊與滾子的數(shù)量比為8∶8的滾滑軸承三者在承受40 kN載荷作用下，運(yùn)用ANSYS元件對(duì)滾子最大接觸應(yīng)力進(jìn)行有限元計(jì)算分析，結(jié)果見表2。

由表2可知：滾滑軸承滾子上的應(yīng)力峰值和均值分別只有滾動(dòng)軸承的17.4%和36%，軸上的應(yīng)力峰值和均值分別只有滾動(dòng)軸承的67%和58.5%，應(yīng)力值下降非常明顯。滾滑軸承軸上的應(yīng)力峰值和均值雖然比滑動(dòng)軸承分別提高38%和64%，但由于其應(yīng)力數(shù)值偏小，不足以引起滾滑軸承的嚴(yán)重疲勞磨損，而且還可以通過調(diào)整滑塊與滾子的數(shù)量比例或尺寸匹配關(guān)系來降低其應(yīng)力峰值。因此，滾滑軸承能很好地適用于重載循環(huán)沖擊工作條件，有效降低疲勞磨損程度。

表2 接觸應(yīng)力比較 MPa

3 滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承和滾滑軸承的試驗(yàn)分析

3.1 滾動(dòng)軸承的試驗(yàn)

軸承轉(zhuǎn)速為326 r/min，給軸承施加30，40和50 kN的徑向載荷，摩擦副測(cè)試溫度在60 ℃左右；軸承在50 kN靜載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)25～30 h后，滾子表面和軸孔兩端發(fā)生了嚴(yán)重的疲勞點(diǎn)蝕和破損剝落，導(dǎo)致軸承失效，軸承僅有約50萬轉(zhuǎn)的壽命。

3.2 滑動(dòng)軸承的試驗(yàn)

在166 r/min的轉(zhuǎn)速下，可以達(dá)到40～90 kN的咬合點(diǎn)載荷，在40 kN左右的載荷下可較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，摩擦副溫度一般在120 ℃左右，摩擦副處于邊界潤(rùn)滑摩擦狀態(tài)。在326 r/min的轉(zhuǎn)速下，一般在40 kN以下載荷就會(huì)因180 ℃(測(cè)試溫度，實(shí)際溫度估計(jì)在200 ℃以上)以上高溫破壞潤(rùn)滑而咬死，平均壽命大約為39 h(96萬轉(zhuǎn))。

3.3 滾滑軸承的試驗(yàn)

用CrWMn材料作滑塊，熱處理硬度為55～58 HRC，在330 r/min的轉(zhuǎn)速下做咬合試驗(yàn)，咬合點(diǎn)載荷為70～92 kN，具有滾動(dòng)軸承不易咬合的特點(diǎn)。在轉(zhuǎn)速為330 r/min、載荷為50 kN下運(yùn)行40 h后，摩擦副溫度大約在80℃，滾子沒有明顯的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，表面光滑，滑塊內(nèi)、外弧面摩擦得非常光亮，如圖2所示，軸承壽命基本上可達(dá)到70～100萬轉(zhuǎn)。

圖2 滾子滑塊在50 kN作用下工作40 h的實(shí)物照

4 結(jié)束語

通過滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承和滾滑軸承的理論分析和對(duì)比試驗(yàn)研究表明，滾滑軸承是一種結(jié)構(gòu)合理且性能優(yōu)良的軸承。相對(duì)滑動(dòng)軸承，滾滑軸承具有啟動(dòng)和顯著的高速性能優(yōu)勢(shì)；相對(duì)滾動(dòng)軸承，滾滑軸承能有效降低滾子的接觸應(yīng)力，在保持滾動(dòng)軸承高速性能的同時(shí)，軸承的承載能力得到明顯提高。