常麗萍,常亞南,楊雷雷
(1.中車(chē)株洲電機(jī)有限公司,湖南 株洲 412000;2.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司,河南 洛陽(yáng) 471000;3.長(zhǎng)沙景嘉微電子股份有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000)
角接觸球軸承在武器裝備、軍用車(chē)輛等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,是關(guān)鍵零部件之一。隨著對(duì)主機(jī)性能要求的不斷提高,對(duì)與之配套的角接觸球軸承性能要求也越來(lái)越高。實(shí)際工程中,由于加工裝配誤差和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸的撓曲變形不可避免,導(dǎo)致軸承內(nèi)外套圈發(fā)生相對(duì)傾斜[1]。若軸承內(nèi)外圈之間存在傾斜角,則必將影響軸承動(dòng)態(tài)性能,降低軸承旋轉(zhuǎn)精度,從而影響軸承使用壽命,甚至造成軸承卡死,引起軸承早期失效[2]。
國(guó)外對(duì)套圈傾斜角接觸球軸承的研究開(kāi)始較早。Ellis[3]對(duì)球軸承套圈傾斜進(jìn)行了研究,并論述了套圈傾斜產(chǎn)生的原因、可能的影響及傾斜故障的診斷方法,提出避免傾斜問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)性措施。Hinton[4-5]對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)球軸承因保持架疲勞斷裂而失效的案例進(jìn)行了分析,通過(guò)大量實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)套圈傾斜是主要原因之一。Crawford[6]對(duì)套圈傾斜狀態(tài)下軸承保持架的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)當(dāng)套圈傾斜角從15.6′增加到36.6′時(shí),軸承保持架的應(yīng)力波動(dòng)量從1.8 MPa增加到35.2 MPa,進(jìn)一步證實(shí)了Hinton的結(jié)論。Ertas等[7]結(jié)合試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)仿真研究了套圈傾斜對(duì)軸承徑向剛度的影響,通過(guò)分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的特征頻率與臨界轉(zhuǎn)速,發(fā)現(xiàn)套圈固定的傾斜角會(huì)增加軸承的徑向剛度。Bugra等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)建模,給出了不同軸向載荷工況條件下套圈發(fā)生傾斜時(shí)的角接觸球軸承徑向剛度。Damian等[9]通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法研究了內(nèi)圈傾斜角對(duì)軸承載荷分布的影響。Oktaviana等[10]研究了內(nèi)圈傾斜角對(duì)角接觸球軸承打滑影響,發(fā)現(xiàn)在定位預(yù)緊下內(nèi)圈傾斜角不會(huì)增大軸承打滑。張學(xué)寧等[11]研究了套圈傾斜角對(duì)軸承接觸角的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)套圈傾斜時(shí)接觸角沿位置角分布不均,且這些現(xiàn)象隨套圈傾斜角的增大而愈發(fā)明顯。周陽(yáng)[12]編制了考慮安裝誤差的角接觸球軸承計(jì)算軟件。熊萬(wàn)里等[13]研究了高速角接觸球軸承套圈傾斜角允許范圍,但其未考慮工況因素的影響。張進(jìn)華等[14]和方斌等[15]研究了聯(lián)合載荷作用下高速角接觸球軸承快速計(jì)算方法并對(duì)接觸角變化進(jìn)行分析。盡管針對(duì)內(nèi)圈傾斜角問(wèn)題國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了上述工作,但大多數(shù)學(xué)者的分析均假設(shè)軸承在單一工況下運(yùn)行,沒(méi)有涉及轉(zhuǎn)速、軸向載荷、聯(lián)合載荷及滾珠材料等應(yīng)用條件改變時(shí)內(nèi)圈傾斜角對(duì)軸承動(dòng)態(tài)特性的影響分析。然而工程應(yīng)用條件十分復(fù)雜,軸承在單一工況下運(yùn)行的情況并不常見(jiàn),且近年來(lái)氮化硅陶瓷滾動(dòng)體軸承逐漸被廣泛應(yīng)用,因此迫切需要全面地研究不同工況條件下及滾動(dòng)體材料為氮化硅陶瓷時(shí)內(nèi)圈傾斜角對(duì)軸承動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律,為工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
本文使用赫茲接觸理論建立了一種綜合考慮內(nèi)圈傾斜角、高速離心效應(yīng)的軸承分析計(jì)算模型,采用Newton-Raphson迭代法對(duì)模型求解,開(kāi)發(fā)了適用于內(nèi)圈傾斜條件的高速角接觸球軸承動(dòng)態(tài)性能分析軟件。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了復(fù)雜工況內(nèi)圈傾斜角對(duì)軸承接觸角、套圈最大接觸應(yīng)力(簡(jiǎn)稱(chēng)接觸應(yīng)力)、旋滾比、滾珠公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速以及剛度的影響規(guī)律。
假定軸承外圈固定,隨軸旋轉(zhuǎn)的內(nèi)圈可相對(duì)外圈移動(dòng)。當(dāng)內(nèi)圈相對(duì)外圈傾斜時(shí),軸承一般會(huì)同時(shí)承受軸向負(fù)荷、徑向負(fù)荷和力矩,套圈不同位置處各組件之間的幾何關(guān)系將發(fā)生變化。軸承滾珠角位置如圖1所示。圖1中,dm為軸承中徑,軸承每個(gè)滾珠都對(duì)應(yīng)1個(gè)編號(hào),編號(hào)為j的滾珠位置角ψj=360(j-1)/Z,j≤Z,Z為滾珠數(shù)目。
圖1 滾珠角位置
圖2為位置角ψj處,軸承運(yùn)轉(zhuǎn)前后套圈滾道溝曲率中心與球心相對(duì)位置的變化。圖2中,δa表示軸向位移,δr表示徑向位移,θ表示內(nèi)圈傾斜角,A為外圈滾道溝曲率中心位置,保持固定不變,B點(diǎn)為球中心最初位置,B′為軸承運(yùn)動(dòng)平衡狀態(tài)球中心最終位置,C點(diǎn)為內(nèi)滾道溝曲率中心最初位置,C′點(diǎn)為軸承運(yùn)動(dòng)平衡狀態(tài)內(nèi)滾道溝曲率中心位置,α0為軸承初始接觸角,αij和αej分別為軸承運(yùn)動(dòng)平衡狀態(tài)滾珠內(nèi)、外接觸角,Aaj、Arj分別為軸承運(yùn)動(dòng)平衡狀態(tài)內(nèi)溝道曲率中心在軸向和徑向的分量,Xaj、Xrj分別為軸承運(yùn)動(dòng)平衡狀態(tài)球中心位置在軸向和徑向的分量,Δij為內(nèi)溝道曲率中心與球中心運(yùn)轉(zhuǎn)平衡位置之間的距離,Δej為外溝道曲率中心與球中心運(yùn)轉(zhuǎn)平衡位置之間的距離,Ri為內(nèi)滾道溝曲率中心軌跡的半徑,uc為軸承內(nèi)圈的離心膨脹量,BD為軸承靜止時(shí)內(nèi)、外溝道曲率中心的距離。
圖2 滾珠j位移圖
軸承內(nèi)圈高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心膨脹,軸承內(nèi)圈的離心膨脹量uc[16]表示為
(1)
式中:ρ為材料密度;ω為轉(zhuǎn)速;E為材料楊氏模量;d為軸承內(nèi)徑;υ為材料泊松比。
軸承運(yùn)行時(shí),內(nèi)外溝道曲率中心與球中心運(yùn)轉(zhuǎn)平衡位置之間的距離為
Δij=(fi-0.5)Dw+δij,
(2)
Δej=(fe-0.5)Dw+δej,
(3)
式中:fi、fe為內(nèi)、外滾道溝曲率半徑系數(shù);Dw為滾珠直徑;δij、δej為第j個(gè)滾珠與內(nèi)外滾道間的接觸變形。
變形后,軸承內(nèi)、外溝道曲率中心間距離在軸向和徑向分量分別表示為
Aaj=(fi+fe-1)Dwsinα0+δa+Riθsinψj,
(4)
Arj=(fi+fe-1)Dwcosα0+δrcosψj+uc,
(5)
運(yùn)行時(shí),第j個(gè)滾珠與內(nèi)、外滾道接觸角可通過(guò)(6)式得到
(6)
根據(jù)勾股定理,得到變形協(xié)調(diào)方程組如下:
(Aaj-Xaj)2+(Arj-Xrj)2-[(fi-0.5)Dw+δij]2=0,
(7)
(8)
高速角接觸球軸承中,球的離心力引起接觸變形和接觸角變化,加之球自轉(zhuǎn)軸線(xiàn)不斷變化引起陀螺力矩和相應(yīng)摩擦阻力,計(jì)算復(fù)雜。考慮通過(guò)軸承軸線(xiàn)和方位角ψj處球中心的平面,作用于球的載荷和力矩如圖3所示。圖3中:Mgj為第j個(gè)滾珠所受陀螺力矩,F(xiàn)cj為第j個(gè)滾珠的離心力,Qij、Qej分別為滾珠與滾道之間的法向接觸力;λij、λej為求解系數(shù)。
圖3 滾珠受力平衡
滾珠與滾道之間的法向接觸力表示為
(9)
式中:Kij、Kej為第j個(gè)滾珠與內(nèi)外滾道間的負(fù)荷變形系數(shù)。
根據(jù)圖3所示第j個(gè)滾珠的受力平衡情況,可以列出滾珠的平衡方程組為
(10)
Qijcosαij-Qejcosαej-
(11)
根據(jù)滾珠與軸承內(nèi)圈的力學(xué)關(guān)系,列出軸承內(nèi)圈的平衡方程為
(12)
(13)
式中:Fa為軸承所受軸向負(fù)荷;Fr為軸承所受徑向負(fù)荷。
根據(jù)第1節(jié)模型,采用Newton-Raphson迭代法對(duì)模型求解對(duì)該動(dòng)剛度模型進(jìn)行求解,按照?qǐng)D4算法設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了計(jì)算程序,求解精度ε=10-5.需要說(shuō)明的是,內(nèi)圈傾斜角θ并不是作為一個(gè)未知量經(jīng)迭代求解得出,而是通過(guò)預(yù)先給定它的值來(lái)研究?jī)?nèi)圈傾斜角對(duì)軸承動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律。采取這種處理方式有兩個(gè)原因:1)內(nèi)圈傾斜角通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法易于獲得;2)內(nèi)圈傾斜角對(duì)軸承動(dòng)態(tài)特性的影響很大,如果將其作為迭代求解的未知量,則很難得出收斂的結(jié)果。
圖4 角接觸球軸承算法設(shè)計(jì)
使用自編程序與ROMAX軟件對(duì)7206軸承(基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1)計(jì)算實(shí)例進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如圖5所示。由于ROMAX軟件輸出中不包含諸如軸承的旋滾比、滾珠公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和動(dòng)剛度等參數(shù)結(jié)果,僅對(duì)軸承接觸角和內(nèi)、外圈最大接觸應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。從表1中的對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)看,本文計(jì)算結(jié)果與ROMAX軟件的計(jì)算結(jié)果十分吻合,最大計(jì)算差距3.7%.由此表明,本文分析模型所編制的程序可用于后續(xù)的分析。
表1 軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)
圖5 計(jì)算結(jié)果對(duì)比
以7008軸承(基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1)為例開(kāi)展研究。通過(guò)對(duì)接觸角、接觸應(yīng)力、旋滾比、滾珠公轉(zhuǎn)速度、剛度5個(gè)項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析表征軸承動(dòng)態(tài)特性變化。
觀(guān)察圖6(a)、圖6(b)可知,內(nèi)圈傾斜角引起軸承內(nèi)、外圈接觸角波動(dòng)變化,不同轉(zhuǎn)速下波動(dòng)規(guī)律基本一致,表明內(nèi)、外圈接觸角波動(dòng)主要受內(nèi)圈傾斜角影響,轉(zhuǎn)速對(duì)其影響不大。
觀(guān)察圖6(c)、圖6(d)可知,隨轉(zhuǎn)速升高,內(nèi)圈傾斜角所引起的軸承接觸應(yīng)力波動(dòng)變?nèi)?。同樣?′傾斜角,當(dāng)轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時(shí),內(nèi)、外圈最大接觸應(yīng)力峰值較無(wú)內(nèi)圈傾斜角時(shí)分別變化8.0%、8.4%;當(dāng)轉(zhuǎn)速為30 000 r/min,內(nèi)、外圈最大接觸應(yīng)力峰值較無(wú)內(nèi)圈傾斜角時(shí)分別變化5.7%、3.8%.
觀(guān)察圖6(e)可知,軸承轉(zhuǎn)速升高,內(nèi)圈傾斜角引起旋滾比大幅增加。轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時(shí),有6′傾斜角旋滾比最大值較內(nèi)圈傾斜前增加了7.8%;轉(zhuǎn)速為30 000 r/min時(shí),有6′傾斜角旋滾比最大值較內(nèi)圈傾斜前增加了14.0%.旋滾比增大意味著軸承磨損發(fā)熱嚴(yán)重。
觀(guān)察圖6(f)滾珠公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨位置角的變化可知,軸承轉(zhuǎn)速愈高,內(nèi)圈傾斜角引起滾珠公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度愈大。轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時(shí),6′內(nèi)圈傾斜角引起滾珠公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)最大變化量為80 r/min,占比0.8%;轉(zhuǎn)速為30 000 r/min時(shí),6′內(nèi)圈傾斜角引起滾珠公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)最大變化量為570 r/min,占比1.9%.這意味著轉(zhuǎn)速為30 000 r/min時(shí)滾珠在公轉(zhuǎn)周期內(nèi)會(huì)經(jīng)歷更加劇烈的加速和減速過(guò)程。
由以上分析可知,軸承轉(zhuǎn)速升高,內(nèi)圈傾斜角所引起的軸承接觸應(yīng)力波動(dòng)變?nèi)?,但旋滾比、公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)變化均增強(qiáng)。這表明在高速下,內(nèi)圈傾斜角更易引發(fā)與軸承熱相關(guān)的失效模式,而非常見(jiàn)的疲勞失效。
圖6(g)為軸承動(dòng)態(tài)剛度隨轉(zhuǎn)速的變化曲線(xiàn),由圖6(g)可知:無(wú)論是否存在內(nèi)圈傾斜角,隨轉(zhuǎn)速升高,徑向剛度Kr、軸向剛度Ka和角剛度Kθ均呈下降趨勢(shì),且角剛度下降最快。
圖6 內(nèi)圈傾斜角對(duì)不同轉(zhuǎn)速軸承動(dòng)態(tài)特性的影響(Fa=1 kN,F(xiàn)r=0 kN)
圖7給出了內(nèi)圈傾斜角為6′時(shí)不同軸向載荷軸承動(dòng)態(tài)特性變化曲線(xiàn)。通過(guò)觀(guān)察可以發(fā)現(xiàn),軸向載荷增加顯著增大內(nèi)、外接觸角和最大接觸應(yīng)力,但幾乎不改變波動(dòng)規(guī)律,且隨著軸向載荷增大,增幅放緩。軸向載荷對(duì)內(nèi)圈旋滾比和滾珠公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速影響不大。無(wú)論是否存在內(nèi)圈傾斜角,隨軸向載荷增加,軸承動(dòng)態(tài)剛度變化規(guī)律一致[17]。
圖7 內(nèi)圈傾斜角對(duì)單軸向力工況下軸承動(dòng)態(tài)特性的影響(Fr=0 kN, 軸承轉(zhuǎn)速10 kr/min)
圖8給出了內(nèi)圈傾斜角對(duì)聯(lián)合載荷工況軸承動(dòng)態(tài)特性的影響。通過(guò)觀(guān)察可以發(fā)現(xiàn)徑向載荷的作用會(huì)引起軸承動(dòng)態(tài)特性波動(dòng),存在一個(gè)適當(dāng)?shù)膬?nèi)圈傾斜角將徑向載荷所帶來(lái)的接觸角、旋滾比、公轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)降至最低。圖8(g)為內(nèi)圈傾斜角對(duì)聯(lián)合載荷工況下軸承動(dòng)態(tài)剛度的影響曲線(xiàn),可以看到,內(nèi)圈傾斜角的存在增大了軸承徑向剛度和角剛度。以上這些變化對(duì)軸承穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)是有利的。然而,從圖8(c)、圖8(d)可知,內(nèi)圈傾斜角會(huì)引起軸承套圈最大應(yīng)力幅值增大,這削弱了軸承徑向承載能力。盡管如此,在對(duì)軸承徑向承載能力要求低的應(yīng)用場(chǎng)合,通過(guò)適當(dāng)初始內(nèi)圈傾斜角使軸承非均勻預(yù)緊[18],可降低軸承磨損和發(fā)熱,增大軸承動(dòng)態(tài)剛度,提高主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。
圖8 內(nèi)圈傾斜角對(duì)聯(lián)合載荷工況下軸承動(dòng)態(tài)特性的影響(軸承轉(zhuǎn)速10 kr/min)
內(nèi)圈傾斜角對(duì)不同材料滾動(dòng)體軸承動(dòng)態(tài)特性的影響如圖9所示。由圖9可知,受內(nèi)圈傾斜角影響,氮化硅陶瓷球軸承內(nèi)、外圈接觸角波動(dòng)較鋼球軸承小,氮化硅陶瓷球軸承旋滾比和滾珠公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也遠(yuǎn)小于鋼球軸承。圖9(g)、圖9(i)為不同滾珠材料軸承動(dòng)態(tài)剛度變化曲線(xiàn),從中可以看到,氮化硅陶瓷球軸承的動(dòng)態(tài)剛度大于鋼球軸承,隨轉(zhuǎn)速提高,氮化硅陶瓷球軸承動(dòng)態(tài)剛度下降速度小于鋼球軸承。此外,無(wú)論是鋼球軸承還是氮化硅陶瓷球軸承,軸承徑向剛度和角剛度因內(nèi)圈傾斜角作用而顯著增加,軸向剛度受內(nèi)圈傾斜角影響較小,幾乎沒(méi)有改變。相同的工況下,陶瓷球軸承比鋼球軸承有著相當(dāng)多的優(yōu)勢(shì),具有更低的磨損和發(fā)熱、更高的剛度及運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。
圖9 內(nèi)圈傾斜角對(duì)不同材料滾動(dòng)體軸承動(dòng)態(tài)特性的影響(Fa=1 kN, Fr=0 kN,軸承轉(zhuǎn)速30 kr/min)
盡管如此,從圖9(c)、圖9(d)可見(jiàn),氮化硅陶瓷球軸承接觸應(yīng)力對(duì)內(nèi)圈傾斜角更加敏感,受內(nèi)圈傾斜角影響接觸應(yīng)力波動(dòng)更強(qiáng)烈,徑向承載能力下降更多??梢钥吹剑?′傾斜角時(shí):氮化硅陶瓷球軸承內(nèi)、外圈最大接觸應(yīng)力峰值較無(wú)內(nèi)圈傾斜角時(shí)分別變化8.0%、7.2%;鋼球軸承內(nèi)、外圈最大接觸應(yīng)力峰值較無(wú)內(nèi)圈傾斜角時(shí)分別變化5.6%、3.8%.鑒于此,使用氮化硅陶瓷球軸承時(shí),應(yīng)更加嚴(yán)格地控制軸承配合件的形位公差,減小安裝后內(nèi)圈傾斜,否則易造成軸承提前失效。
本文給出一種綜合考慮內(nèi)圈傾斜角、高速離心效應(yīng)的軸承分析計(jì)算模型,采用Newton-Raphson法求解該模型,研究了內(nèi)圈傾斜角對(duì)高速角接觸球軸承接觸角、接觸應(yīng)力、旋滾比、滾珠公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速以及剛度的影響。得出如下主要結(jié)論:
1)軸承轉(zhuǎn)速升高,內(nèi)圈傾斜角所引起的軸承接觸應(yīng)力波動(dòng)變?nèi)?,但旋滾比、公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)變化均增強(qiáng)。這表明在高速下,內(nèi)圈傾斜角更易引發(fā)與軸承熱相關(guān)的失效模式,而非常見(jiàn)的疲勞失效。
2)對(duì)于承受聯(lián)合載荷的角接觸球軸承,適當(dāng)?shù)某跏純?nèi)圈傾斜角可大幅降低由徑向載荷所帶來(lái)的接觸角、旋滾比、公轉(zhuǎn)速度的波動(dòng),顯著增大軸承徑向剛度和角剛度,但同時(shí)也會(huì)減弱軸承徑向承載能力。因此,在某些對(duì)軸承徑向承載能力要求低的應(yīng)用場(chǎng)合,通過(guò)適當(dāng)初始內(nèi)圈傾斜角使軸承非均勻預(yù)緊,可在一定程度上降低軸承磨損和發(fā)熱,增大軸承動(dòng)態(tài)剛度,提高主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。對(duì)于本文所研究的軸承及對(duì)應(yīng)的工況,-4′的內(nèi)圈傾斜角可最大程度減弱由徑向載荷帶來(lái)的軸承動(dòng)態(tài)特性不均勻分布。
3)內(nèi)圈存在傾斜角時(shí),氮化硅陶瓷球軸承在接觸角、內(nèi)圈旋滾比、公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、動(dòng)態(tài)剛度方面表現(xiàn)均優(yōu)于鋼球軸承,但與鋼球軸承相比接觸應(yīng)力受內(nèi)圈傾斜角影響波動(dòng)更加劇烈,徑向承載下降較多。因此,使用氮化硅陶瓷球軸承時(shí),應(yīng)更加嚴(yán)格地控制軸承配合件的形位公差,減小安裝后內(nèi)圈傾斜,否則易造成軸承提前失效。