| 单词 | 空心圆柱滚子轴承及其磨损问题 |
| 释义 | 【空心圆柱滚子轴承及其磨损问题】 W．L．Miller早在1897年就发现金属带绕成的滚动体有较好的柔性，用其制造滚动轴承可减轻冲击载荷的影响。1947年，M．F．Steffenin曾对空心滚子轴承进行了更深入的研究，发明了带预负荷的空心滚子轴承，即在空心滚动体与内、外滚道间存在预应力。本世纪70年代初，美国国家航空航天局(NASA)的研究人员也曾进行了一系列的试验研究，主要是将空心滚动体应用于高速轴承，靠预负荷来防止滚动体在高加速度和大离心力下打滑。W．L．Bowen(1976，1977)指出预加负荷的空心圆柱滚子轴承除有这种优点外，还首先发现其具有高回转精度和高刚度的特性，特别适用于机床主轴轴承。我国也开展了有关的研究，并发明了具有更佳性能的多列空心圆柱滚子轴承。已有几十个单位将这种轴承成功地应用在多种机应产品或旧设备的改造上。空心圆柱滚子轴承的优点与其承受的预负荷密切相关，但随着轴承的运转，过盈量会因磨损而逐渐减小，最终使轴承失效。特别是润滑介质不洁净或润滑条件不理想时，磨损将成为主要的失效形式。 空心圆柱滚子轴承具有以下的结构与特性。空心圆柱滚子轴承由带挡边的外圈、空心圆柱滚子和不带挡边的内圈所组成(也可以是内圈有挡边而外圈无挡边)，无保持架。内圈滚道的直径比装在外圈滚道滚动体体内的接圆的直径稍大。因此，轴承装配之后空心滚动体因受预负荷的作用而略呈椭圆形。W．L．Bowen(1980)研究了在装配应力和外载作用下，空心度(即滚动内孔直径与外径之比的百分数)对滚动体变形和内孔最太弯曲应力的影响。这里所说的变形，既包括滚动体的弯曲变形，也包括接触处的接触变形。因为50%空心度之滚动体的变形主要是接触变形，所以这更接近于实心滚子，而80%空心度的滚动由于柔性太大，承载能力低，故此实际使用的空心度一般为60%～70%。多列空心圆滚子轴承增加了滚动体的列数，因而采用较大的空心度不会降低其刚性。提高滚动体的柔性不仅能够增大轴承的阻尼特性，而且更有利于吸收加工误差。根据理论推导，空心滚动体的长径比L／D≤1，08时，其滚动力矩大于扭转力矩，因而可以取消中挡边，以利于提高多列滚道的同轴度及其直径的一致性。采用多列空心圆柱滚子轴承的最大优点是，可以进一步降低轴承原始滚道的中心偏移量。刚度是指轴承内圈相对于轴承外圈移动单位距离所需要的载荷。在额定的负荷条件下，空心圆柱滚子轴承的刚度比实心滚子轴承的大。这是因为除了空心圆柱滚子轴承满装滚子，具有更多的滚动承受载荷以外，而更主要的则是其存在预应力，使所有的滚动体均承受载荷；相反，由于实心滚子轴承存在间隙，在比较低的载荷下只有少数的滚动体承受载荷，故其接触变形比较大。随着载荷的不断增加，进入接触状态的滚动体逐渐增多，刚性的增加速度变快，导致其比空心滚子轴承的更大。但是，对于机床主轴负荷来说，空心圆柱的轴承的刚度是足够的。由于实心滚子轴承存在着径向间隙，各种制造误差都直接反映到轴的径摆上，故其回转精度低；而空心圆柱滚子轴承无游隙，零件的各种制造误差大部分可以凭借滚动体的柔性被吸收掉：如果采用相同尺寸精度的零件进行装配，则空心圆柱滚子轴承的回转精度可比实心滚子轴承的高两级。C．P．Bhateja等(1981)曾经指出，只要控制好零件的加工精度和适当的设计参数，就很容易使主轴径摆小于1μm。据刘尔膺等(1989)报道，反映空心圆柱滚子轴承回转精度的指标为轴承原始滚道的中心偏移量。对其影响最大的因素是滚动体的尺寸偏差，然而当加工精度达到一定水平后，再继续提高加工精度或降低滚动的尺寸分组误差等，对减小轴承原始滚道中心道偏移量的作用却都不大。最有效的途径是增加轴承滚动体的列数，因为多列的偏移量比单列的小1．0～0．7n－1倍(n为滚动体列数)。采用多列空心圆柱滚子轴承，回转精度可以满足精密机床0．2～0．80μm轴心偏移的要求，而且刚度也比静压轴承大约为同尺寸实心滚子轴承的1．5～2．0倍。这对于机床主轴具有重要的意义。影响滚动轴承极限转速的因素很多，其中最重要的是使用温度，因为它对轴承润滑产生着很大的影响。轴承中的热量主要来自两个方面，即保持架摩擦和油的搅动。空心圆柱滚子轴承没有保护架，减少了热源，因而更适合于高速下工作。在高速试验时，空心圆柱滚子轴承很容易达到3．45×106PN值。这主要是由于以下原因(Bowen，1980)：空心滚动体的重轻，其离心力约为实心滚动体的60%；空心滚动体的表面积大，冷却条件好；没有保持架，油可以在轴承中充分地流动；预应力的存在使滚动体不易滑动，相邻滚动体可保持一定的间隙；空心滚动体具有很好的柔性，滚动中可以形成油膜而不会将油排出。国外高速高心圆柱滚子轴承的3×106DN值下连续运转1000也没有发生过热和明显的磨损。一般空心滚子轴承的DN值比实心轴承的高两倍。空心圆柱滚子轴承的应力分析与失效特征分别叙述如下。1．滚动体内孔弯曲应力分析滚动体的弯曲疲劳寿命是受内孔应力控制的。对于高速轴承(超过1×106DN值)，由于油膜较厚而且空心滚动体重量轻，以及滚动体的柔性增大而使接触应力得到改善，故此接触疲劳寿命往往可比弯曲疲劳寿命长。如空心球轴承在3×106DN值下进行试验，内孔最大切向应力从470MPa的拉应力到153MPa的压应力之间变化，内孔即在某些加工或材料缺陷处萌生疲劳裂纹，最后造成滚动体弯曲疲劳失效。L．J．Nypan等(1975)曾采用有限元应力分析与试验相结合，对空心球轴承进行了测算，结果表明当内孔拉应力在480～550MPa时，球出现断裂失效，而在280～340MPa时未发生弯曲疲劳断裂。E．N．Bamberger等(1978)曾进一步采用空心圆柱试样进行了试验，发现内孔拉应力在小于379MPa时不出现弯曲疲劳，失效形式为接触疲劳断裂；而当内孔拉应力大于490MPa时则发生弯曲疲劳断裂。在一般机床轴承的设计中，滚动体内孔拉应力均不超过345MPa，因而空心圆柱滚子轴承可以保持比较高的工作寿命。在使用过程中不允许出现空心滚动体的断裂。影响其断裂的因素包括空心度、使用载荷、材料性能和内孔表面状况等，其中影响最大的是滚动体的空心度。不同空心度下滚动体内孔弯曲应力随载荷而变化，许用载荷是随空心度的增大而减小，特别是空心度超过70%以后，这种影响更加明显。2．轴承接触应力分析 当轴承在超过1．5×106DN值下运转时，滚动体所产生的离心力是不可忽视的，它能导致滚动体与外滚道间的赫兹应力增高，显著降低接触疲劳寿命。例如，内径为150mm的实心滚子轴承在3×106DN值下转动，当载荷从8900N增加到17800N，内、外滚道的赫兹应力将由1138MPa和1413MPa分别增加到1331MPa和1579MPa；但在相同条件下，如果采用空心滚动体，则其与外滚道的接触应力可以减小7%。H．W．Scibbe(1974)曾研究了内径150mm实心球轴承和50%空心度球轴承在不同载荷下的理论疲劳寿命随DN值的变化(通过疲劳寿命计算所得的DN值对轴承寿命的影响)，结果表明在3×106DN值和17800N载荷下，体积减小50%的空心球轴的疲劳寿命比实心轴承的高50%。C．S．Chandraskara Murthy等(1983)采用相同材料(0．2%C钢软氮化处理)以及相同外形尺寸的空心和实心试棒进行了接触疲劳试验，发现实心圆柱试样和空心圆柱试样的接触疲劳极限分别为900N·mm－2和1300N·mm－2。两者的失效形式均为疲劳麻点剥落。3．失效特征 (1)磨损失效：由于空心圆柱滚子轴承的允许磨损量远比普通轴承的小，在未出现接触疲劳的情况下，只要表面发生了微量磨损，就可使轴承因过盈量消失而换效。因此，材料耐磨性已上升为主要的性能指标。空心圆柱滚子轴承的磨损形式为滑动磨损，其磨粒主要来自材料脱落的碳化物以及润滑油中污染物。引起滑动磨损的因素包括接触应力、角加速度和滚动体的组件质量等。特别是对满装滚子轴承，由于相邻滚动体在节圆处的速度方向相反，只能形成物理吸附油膜。当平衡间隙被破坏时，相邻滚动体就可能发生摩擦。如果润滑介质中有磨粒存在，当其从滚动体之间通过时，即使平衡间隙未遭破坏也会造成磨损。(2)滚动体断裂失效：由于空心圆柱滚子轴承的结构特点，其在高速度条件下的接触疲劳寿命往往大于内孔弯曲疲劳寿命。例如，内径为150mm的空心圆柱滚子轴承在3．22×1066DN值和26688N载荷下旋转了108h没有出现接触疲劳，但是却有3粒滚动体因内孔表面的非金属夹杂物而引起了变曲疲劳断裂。研究结果表明，滚动体的空心度是影响失效的一个重要的因素。E．N．Bamberger(1978)曾采用外径为9．5mm的空心圆柱试样进行接触疲劳试验，结果表明，在提高空心度的条件下，即使把载荷降低54．4%，滚动体也仍然在很低的寿命下就发生了弯曲疲劳断裂。除此以外，内孔的加工粗糙度同样也是一个相当重要的影响因素，过大的粗糙度会引起应力集中。G．Sachs等(1960)曾经指出，在表面粗糙度Ra=0．15～0．20μm的情况下，AISI52100钢的室温弯曲疲劳极限为620MPa(108周次)，而上述试验中的内孔平均粗糙度为0．33μm，由此可以看出其影响之显著。据C．P．Bhateja等报道，当把空心圆柱滚子轴承应用于机床主轴时，其使用寿命是受磨损控制的。因此，采取各种手段来保持轴承正常工作所需要的过盈量，显然是进行空心圆柱滚子轴承应用研究的关键。1．试验表明，常规热处理GGr15钢的滑动磨损机制主要是犁削，而造成表面犁沟的磨粒主要是碳化物颗粒。针对这种情况，罗虹等(1991)曾对空心圆柱滚子轴承采用了新的热处理工艺。这种新工艺的突出特点是不仅基本消除了碳化物颗粒，而且组织中还含有大量的残余奥氏体可以提高耐磨性。据N．P．Suh(1973，1977)磨损试验结果，耐磨性有比较大的提高，磨损机制由犁削向疲劳磨损转化。其中，马氏体等温工艺与氮碳共渗工艺残余奥氏体量在磨损过程中的变化趋势互不相同。这是因为表面残余奥氏体量的变化是受到两个因素的影响，一是由于应变诱发马氏体相致使残余磨体量降低，二是裂纹容易在马氏体组织中扩展，进而发生剥落。导致残余奥氏体在表面发生相对“富集”。显然，马氏体等温工艺在磨损过程中受前一因素的影响比较严重。对共渗组织来说，由于渗入的氮原子提高了残余奥氏体的稳定性，其结果是使后一因素的影响明显增大。与等温组织相比，共渗组织的残余奥氏体量有比较大的增长，但是两者的耐磨性即彼此相当。以上所述结果说明，耐磨性的提高除取决于残余奥氏体量以外，还与应变诱发马氏体的数量有关(S．Shepperson等，1988)。2．罗虹等(1992)曾对空心圆柱滚动体分别进行冷处理、常规处理和马氏体等温处理，获得了不同含量的残余奥氏体组织，然后进行接触疲劳试验。失效形式均为表面疲劳麻点剥落。据试验结果，空心滚动体的接触疲劳寿命是随残余奥氏体量的增加而提高。根据传统的观点，对于精密轴承，为了消除残余奥氏体对尺寸的不稳定影响，一般需要进行冷处理以减少残余奥氏体的含量。但是，对于空心滚子轴承来说，由于滚动体具有很好的柔性，残余奥氏体对尺寸的不稳定影响却不会很大。空心圆柱滚子轴承的优点与其承受的预负荷相关，随着磨损的进行，预负荷将逐渐减小并最终消失而使轴承失效。GGr15钢采用马氏体等温工艺处理可以获得较大量的残余奥氏体组织，在弯曲应力和接触应力的作用下将发生马氏体相变，因其体积比容差，可对预负荷的损失作出一定的补偿，而且这一过程与磨损相伴产生，这有助于提高轴承的使用寿命。综合以上所述可以认为，空心圆柱滚子轴承的主要失效形式是磨损和滚动体的弯曲疲劳断裂。通过改变材料的热处理方法，可以使空心圆柱滚子轴承的工作寿命和可靠性都得到改善。但是，随着轴承的应用不断向高速发展，对轴承零件的耐磨性及润滑等都提出了更高的要求，这些都还有待于今后的研究工作来进一步解决，以使空心圆柱滚子轴承能够得到更加广泛的应用。(清华大学摩擦学研究所罗虹、刘家浚撰) |
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