不同基体材料保持架轴承引导间隙的试验分析

李文超 ,邓四二，李建华，孙小波，叶亚飞

(1.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003；2.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

轴承在工作时，尤其是在高温、高速下，保持架会发生高温膨胀和高速离心膨胀，使自身与引导挡边之间的间隙减小，甚至使轴承卡死，因此保持架引导间隙的设计至关重要。

1 工况对引导间隙的影响

从动力学观点来看，保持架是影响轴承运转稳定性的主要因素，所以保持架引导间隙和兜孔间隙的设计尤为重要[1-2]。尤其高温、高速轴承在工作时，保持架的高速旋转会引起自身外径面向外膨胀，使引导间隙变小；同时轴承工作温度升高，由于外圈和保持架材料线膨胀系数不同，也将使轴承引导间隙变小。轴承高速旋转时保持架引导间隙减小量为[3]

(1)

式中：ρc为保持架材料密度；ωc为保持架公转角速度；dc为保持架内径；Dc为保持架外径；νc为保持架材料泊松比；Ec为保持架材料弹性模量。

轴承工作时由温度引起的保持架引导间隙变化量δt为

δt=λc(T1-T0)Dc-λe(T1-T0)D2，

(2)

式中：λc为保持架材料线膨胀系数；λe为外圈材料线膨胀系数；D2为外圈挡边直径；T1为轴承工作温度；T0为室温。

通过(1)～(2)式可以看出，轴承工作中保持架的引导间隙除与轴承转速、工作温度等有关外，还与保持架材料密切相关。

2 试验

2.1 试验轴承

试验轴承是接触角为25°的P4双半内圈角接触球轴承QJS207，外圈挡边引导保持架，结构如图1所示，结构参数见表1。内、外套圈和钢球均采用Cr4Mo4V高温轴承钢制造，保持架材料为铝青铜、耐高温聚酰亚胺(下称PI)。

表1 QJS207轴承参数

图1 QJS207轴承

为确保试验的可对比性，设计并加工了一种尺寸的铝青铜和3种不同尺寸的PI保持架(PI-0,PI-1,PI-2)，结构参数及引导间隙见表2。

表2 保持架结构参数及引导间隙 mm

2.2 试验条件

在自行开发的高速、高温试验机上对QJS207轴承进行试验。试验时外圈固定，内圈旋转，喷油润滑，润滑油为4050，油喷入保持架与内圈之间的缝隙。轴承试验工况：转速为50 000 r/min，轴向载荷为6.5 kN，径向载荷为2 kN，给油量为0.9 L/min。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

试验过程中，装有PI-0，PI-1保持架的轴承在转速分别升到32 000，42 000 r/min时，主机电流迅速升高，试验机自动停车保护。拆解轴承检查发现，保持架外径一侧产生严重磨损，如图2a、图2b所示。

图2 试验后的保持架

装有PI-2及铝青铜保持架的轴承在试验过程中运转平稳，轴承外圈温度、主机电流及主机振动等测试参数示值稳定，保持架外径磨痕均匀、正常，如图2c、图2d所示。

3.2 对比分析

铝青铜材料具有高的强度、耐磨性和高温耐蚀性，为高温、高速轴承保持架常用材料；耐高温PI材料为新研制的适用于高温、高速轴承的保持架材料，具有耐高温、强度高和摩擦因数小的特点。2种材料的力学性能及物理性能对比见表3。

表3 2种材料的力学性能和物理性能对比

试验中，装有铝青铜保持架的QJS207轴承运转平稳，而装有同尺寸PI-0保持架的轴承可达的最高转速为32 000 r/min，拆套后发现PI-0保持架润滑油流出一侧严重磨损，说明PI保持架与铝青铜保持架的合理引导间隙不同。由(1)～(2)式可得铝青铜保持架和PI保持架引导间隙随转速的变化情况(图3)。

图3 保持架引导间隙随转速的变化

从图3可以看出，当轴承转速约为50 000 r/min时，由于保持架高速离心膨胀和高温膨胀，铝青铜保持架引导间隙减小量较小，而耐高温PI保持架引导间隙减小量较大，故设计时不能采用相同的引导间隙。

当轴承转速为32 000 r/min时，装有与铝青铜保持架结构参数完全相同的PI-0保持架的轴承引导间隙接近于0，导致保持架与引导挡边严重摩擦，主机电流迅速上升报警停车。

当PI-0保持架外径减小0.4 mm(PI-1保持架)，即轴承设计引导间隙增大0.4 mm，当轴承转速为42 000 r/min左右时，装有PI-1保持架的轴承引导间隙为0.39 mm，主机电流增大报警停车。推测主要是PI保持架的加工精度没有铝青铜保持架高；另外保持架高速旋转时，其质心不在轴承中心，而是在径向移动[4]。再将PI-1保持架外径减小0.2 mm(PI-2保持架)，即轴承设计引导间隙增大0.6 mm，当轴承转速约为50 000 r/min时，装有PI-2保持架的轴承引导间隙为0.58 mm，试验15 min，轴承运转平稳，外圈温度、主机电流和主机振动等测试参数示值稳定。所以PI保持架的设计引导间隙应为0.9 mm，而不能采用铝青铜保持架0.3 mm的引导间隙。

4 结束语

通过对QJS207轴承铝青铜保持架和不同引导间隙PI保持架的试验分析，认为高温、高速角接触球轴承的设计引导间隙不仅与轴承转速及工作温度等有关，还与保持架的材料密切相关。保持架材料决定着保持架的加工精度、离心膨胀、热膨胀和保持架质心移动量等。

针对QJS207轴承给定的工况，铝青铜保持架的设计引导间隙应为0.3 mm，PI保持架的设计引导间隙应为0.9 mm，但2种材料保持架的兜孔间隙则可取相同值，即均为0.3 mm。