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轴承知识
宝石轴承结构优化设计及应用
2016-08-16刘雪峰
（天津天复精密器件制造有限公司，天津，300000）
（天津天复精密器件制造有限公司，天津，300000）
摘 要：利用有限元法分析宝石轴承的接触应力，优选轴承设计方案，通过具体的实验验证轴承运行的有效性。结果显示与传统型的轴承相比，新型的双弧面球头结构在应用的过程中不仅可以降低接触应力，还可以克服告诉运行过程中对宝石的二次磨损。
关键词：宝石轴承；接触应力；优选设计
关键词：宝石轴承；接触应力；优选设计
在仪器仪表行业中，宝石轴承以其结构简单、制造成本低以及使用寿命长等特点被广泛应用。近年来随着它的高速化发展，逐渐在超高速旋转机械中广泛应用。传统的宝石轴承结构球头的半径比球窝小，在储能飞轮系统中应用传统的轴承容易发生较为严重的磨损现象，其主要原因是轴承的球窝在运行的过程中，由于磨损现象造成磨粒的堆积，如果在高速旋转的状态下会发生再次的磨损现象，损坏宝石的轴承。从润滑角度分析，宝石轴承的润滑主要以边界润滑的方式存在并且与润滑的强度有很大的关系，且取决于接触区pv值的大小。因此为了提高宝石轴承在高速旋转的状态下的抗磨损性能，优化设计轴承的结构，并通过实验验证其可行性。
一、结构优选设计
（一）新结构的提出
传统宝石轴承在高速运转的情况下会出现二次磨损的情况，为了降低二次磨损，本文设计一种新结构，其Z大的优势在于宝石轴承由点接触过渡到线接触，在过渡到中心区域呈现中心球面基础的状态，使轴承在高速运转的状态下，球头与球窝之间有足够的间隙能够将磨损的磨粒存储起来，减少再次磨损现象，如图1所示。
（一）新结构的提出
传统宝石轴承在高速运转的情况下会出现二次磨损的情况，为了降低二次磨损，本文设计一种新结构，其Z大的优势在于宝石轴承由点接触过渡到线接触，在过渡到中心区域呈现中心球面基础的状态，使轴承在高速运转的状态下，球头与球窝之间有足够的间隙能够将磨损的磨粒存储起来，减少再次磨损现象，如图1所示。
类结构也不是Z理想的结构，因为接触区域的应力比较集中，因此第二类的新结构，枢轴球头引入倒角弧面，将球头做成双弧面，既能够有效的减缓类设计带来的二次磨损，又能够大幅度的降低接触应力。
（二）优选设计
1.设计方法
该设计方案主要是先分析轴承球头与球窝之间的基础应力，并建立相应的模型，将其中的接触应力降到Z低，探讨出能够球头与球窝之间相匹配的几何规律，从而保障宝石轴承在高速旋转的状态下磨损程度Z小。
采用软件ANSYS联合有限元分析法建立接触应力模型。由于轴承在运行的过程中会受到正向力与轴转线之间的相互作用力，因此可以利用软件建立三维有限元模型进行分析。采用8节点的轴对称单元建模，这样便于结算结果进行比较。建立球头与球窝的接触面并将单元格以精度分级划分。
2 结果与讨论
枢轴宝石轴承的物理几何参数如下所示：球窝材料弹性模量E为407GPa，为人工宝石，泊松比V=0.2。用钢材制作轴承，弹性模量E=210GPa，泊松比V=0.3。球窝的外界边界条件作为全约束条件，对轴承在垂直方向施加一个负载力，宝石球窝的半径为R1=1.25mm，枢轴直径为1.2mm。
分析传统枢轴宝石轴承的球头接触应力，计算结果如图2所示。可知，随着球头半径R2的增大，其接触应力逐渐下降。
分析类新结构的球头接触应力可以得到与传统宝石轴承结构比较，传统宝石轴承的半径比类新结构的轴承半径要大，从而导致应力比较集中，且有明显增大的趋势，同时球头半径在1.30mm～1.60mm的范围内接触应力五明显的变化。
分析新型结构轴承为双弧面的球头的接触应力，球头双弧面相交圆直径为d=1.0mm，由此可以发现球头引入倒角圆弧后，接触应力值比150MPa要小，这样避免了类结构中球尖外缘集合应力的作用。新型结构轴承半径逐渐增大，接触应力呈现先变大后变小的趋势。倒角圆弧半径R3与球窝半径R1越接近，接触应力呈现下降的趋势。如果R2的值Z小，双弧面R2、R3相切方向的交角较大，那么这时的接触应力Z小。随着R2的逐渐增大，双弧面的交角变小，导致轴承的应力较大。随着R2的逐渐增大，R3湖面承载轴承的负载，接触应力逐渐减小。
1.设计方法
该设计方案主要是先分析轴承球头与球窝之间的基础应力，并建立相应的模型，将其中的接触应力降到Z低，探讨出能够球头与球窝之间相匹配的几何规律，从而保障宝石轴承在高速旋转的状态下磨损程度Z小。
采用软件ANSYS联合有限元分析法建立接触应力模型。由于轴承在运行的过程中会受到正向力与轴转线之间的相互作用力，因此可以利用软件建立三维有限元模型进行分析。采用8节点的轴对称单元建模，这样便于结算结果进行比较。建立球头与球窝的接触面并将单元格以精度分级划分。
2 结果与讨论
枢轴宝石轴承的物理几何参数如下所示：球窝材料弹性模量E为407GPa，为人工宝石，泊松比V=0.2。用钢材制作轴承，弹性模量E=210GPa，泊松比V=0.3。球窝的外界边界条件作为全约束条件，对轴承在垂直方向施加一个负载力，宝石球窝的半径为R1=1.25mm，枢轴直径为1.2mm。
分析传统枢轴宝石轴承的球头接触应力，计算结果如图2所示。可知，随着球头半径R2的增大，其接触应力逐渐下降。
分析类新结构的球头接触应力可以得到与传统宝石轴承结构比较，传统宝石轴承的半径比类新结构的轴承半径要大，从而导致应力比较集中，且有明显增大的趋势，同时球头半径在1.30mm～1.60mm的范围内接触应力五明显的变化。
分析新型结构轴承为双弧面的球头的接触应力，球头双弧面相交圆直径为d=1.0mm，由此可以发现球头引入倒角圆弧后，接触应力值比150MPa要小，这样避免了类结构中球尖外缘集合应力的作用。新型结构轴承半径逐渐增大，接触应力呈现先变大后变小的趋势。倒角圆弧半径R3与球窝半径R1越接近，接触应力呈现下降的趋势。如果R2的值Z小，双弧面R2、R3相切方向的交角较大，那么这时的接触应力Z小。随着R2的逐渐增大，双弧面的交角变小，导致轴承的应力较大。随着R2的逐渐增大，R3湖面承载轴承的负载，接触应力逐渐减小。
分析宝石轴承接触应力与直径d之间的关系，宝石轴承直径分别为R2=1.50mm、R3=1.20mm。随着直径的增加，接触应力逐渐减小，说明了随着直径的逐渐增大，球头与球窝的线接触周向长度呈πd倍增加，相应赫兹面积逐渐增加，致使接触应力逐渐减小。
二、宝石轴承的磨合磨损分析
（一）轴尖磨损量分析
良好的宝石轴承Z大的优势在于磨损的时间短，磨损量小，且具有抗磨损性能。设计Z优的轴尖应当达到磨损量Z小和磨损时间Z短的目标。因此需要满足轴尖磨损时间和磨损量。应当首先分析磨合磨损量。在相同的条件下，两种轴尖的磨合磨损区域拓展的速度大不相同，也就是在相同时间内不同磨损区域拓展的宽度有很大的不同。图3左侧为传统型轴尖表面几何轮廓，右侧为新型的轴尖几何轮廓。
其中R为轴尖表面曲率半径，r+dr为磨损区域投影的半径。由此可以得到几何关系为：
二、宝石轴承的磨合磨损分析
（一）轴尖磨损量分析
良好的宝石轴承Z大的优势在于磨损的时间短，磨损量小，且具有抗磨损性能。设计Z优的轴尖应当达到磨损量Z小和磨损时间Z短的目标。因此需要满足轴尖磨损时间和磨损量。应当首先分析磨合磨损量。在相同的条件下，两种轴尖的磨合磨损区域拓展的速度大不相同，也就是在相同时间内不同磨损区域拓展的宽度有很大的不同。图3左侧为传统型轴尖表面几何轮廓，右侧为新型的轴尖几何轮廓。
其中R为轴尖表面曲率半径，r+dr为磨损区域投影的半径。由此可以得到几何关系为：
那么在dt1时间内，轴尖表面材料的磨损体积为：
新型宝石轴承在时间dt2内磨损区域法向投影圆环内径由r变为dr，那么时间由h变为dh，那么轴尖表面材料的磨损体积为：
式子中轴尖半径与宝石轴承球窝半径越接近，k越小，将式子（2）和（3）联立得到：
（二）轴承磨合阶段的接触应力
在磨合期间，轴尖表面的几何轮廓会出现不同接触状态的变化，并随着接触状态改变接触应力发生变化，且两者之间相互作用。新型轴尖快速磨合的特性可以通过接触应力的计算得到。传统宝石轴承的轴尖曲率半径R1为1.9mm，球窝曲率半径R2=2.0mm，而新型宝石轴承曲率半径R1为2.1mm，球窝曲率半径R2为2.0mm。轴尖外缘R3为0.1mm，对两种轴承应用二维高阶单元Plane183建模，在实验中飞轮转子的质量为1kg，施加的负载力为10N，计算出接触刚度因子。由材料力学第四强度理论可以得到当材料超过应力时会发生塑性变形。经过建模分析可以得到荷载为10N时，两种轴承Z大的应力都没有达到强度要求，因此具有安全性。新型轴尖Z大的接触压力为651MPa，比传统型轴尖大，主要原因在于新型轴承轴尖接触曲率不过度光滑，具有很高的接触力，在抗磨损性能上不占有优势。新型的轴尖具有微量磨损和储存磨粒的作用，较高的接触应力能够去除轴尖外缘材料的磨损，在短暂的状态下，快速磨合迅速消失，从而很快过渡到共形面接触。
在磨合期间，轴尖表面的几何轮廓会出现不同接触状态的变化，并随着接触状态改变接触应力发生变化，且两者之间相互作用。新型轴尖快速磨合的特性可以通过接触应力的计算得到。传统宝石轴承的轴尖曲率半径R1为1.9mm，球窝曲率半径R2=2.0mm，而新型宝石轴承曲率半径R1为2.1mm，球窝曲率半径R2为2.0mm。轴尖外缘R3为0.1mm，对两种轴承应用二维高阶单元Plane183建模，在实验中飞轮转子的质量为1kg，施加的负载力为10N，计算出接触刚度因子。由材料力学第四强度理论可以得到当材料超过应力时会发生塑性变形。经过建模分析可以得到荷载为10N时，两种轴承Z大的应力都没有达到强度要求，因此具有安全性。新型轴尖Z大的接触压力为651MPa，比传统型轴尖大，主要原因在于新型轴承轴尖接触曲率不过度光滑，具有很高的接触力，在抗磨损性能上不占有优势。新型的轴尖具有微量磨损和储存磨粒的作用，较高的接触应力能够去除轴尖外缘材料的磨损，在短暂的状态下，快速磨合迅速消失，从而很快过渡到共形面接触。
三、试验研究
为了验证新结构宝石轴承在高速旋转状态下的性能，本次研究选用高速摩擦磨损试验机，其中宝石轴承参数为：
球窝半径R1=1.25mm。传统型球头半径R2=1.20mm。枢轴球头与球窝表面粗糙度Ra=0.025μm，实验之前选用真空泵油进行油浴润滑，使用精密天平称重计算出磨损率，使用扫描镜观察轴承磨损的形状。
经过实验得到传统型宝石轴承球面的磨损形式为疲劳磨损，磨损现象严重。新型宝石轴承表面十分光滑。实验表明新型宝石轴承结构设计科学，为高速运转下的轴承提供了可参考的技术基础。
结论
本文通过对宝石轴承结构进行优化设计，设计出一种新型的双弧面轴承，不仅比传统型轴承具有优势，还能够降低接触应力，克服轴承在高速运转状态下的磨损。与传统型宝石轴承相比磨损减小，轴尖磨合时间短，磨合磨损量小，具有抗磨损性能，因此可延长使用的寿命。设计中发现随着R2的变化，接触应力也出现明显得变化，这一规律为宝石轴承设计提供了重要的参考价值。
参考文献
[1]唐长亮，戴兴建.新型高速宝石枢轴承抗磨损性能优势分析[J].机械设计与研究，2010，26（05）：67-70.
[2]蒋书运.新型高速化枢轴宝石轴承结构优选设计[J].中国机械工程，2004，15（05）：381-383.
[3]谢军，吴宏章，陈大林，等.高速摩擦磨损试验机的研制[J].润滑与密封，2008，33（05）：97-99.
[4]谢红君.高速宝石轴承摩擦学性能试验研究[D].东南大学，2011.
为了验证新结构宝石轴承在高速旋转状态下的性能，本次研究选用高速摩擦磨损试验机，其中宝石轴承参数为：
球窝半径R1=1.25mm。传统型球头半径R2=1.20mm。枢轴球头与球窝表面粗糙度Ra=0.025μm，实验之前选用真空泵油进行油浴润滑，使用精密天平称重计算出磨损率，使用扫描镜观察轴承磨损的形状。
经过实验得到传统型宝石轴承球面的磨损形式为疲劳磨损，磨损现象严重。新型宝石轴承表面十分光滑。实验表明新型宝石轴承结构设计科学，为高速运转下的轴承提供了可参考的技术基础。
结论
本文通过对宝石轴承结构进行优化设计，设计出一种新型的双弧面轴承，不仅比传统型轴承具有优势，还能够降低接触应力，克服轴承在高速运转状态下的磨损。与传统型宝石轴承相比磨损减小，轴尖磨合时间短，磨合磨损量小，具有抗磨损性能，因此可延长使用的寿命。设计中发现随着R2的变化，接触应力也出现明显得变化，这一规律为宝石轴承设计提供了重要的参考价值。
参考文献
[1]唐长亮，戴兴建.新型高速宝石枢轴承抗磨损性能优势分析[J].机械设计与研究，2010，26（05）：67-70.
[2]蒋书运.新型高速化枢轴宝石轴承结构优选设计[J].中国机械工程，2004，15（05）：381-383.
[3]谢军，吴宏章，陈大林，等.高速摩擦磨损试验机的研制[J].润滑与密封，2008，33（05）：97-99.
[4]谢红君.高速宝石轴承摩擦学性能试验研究[D].东南大学，2011.
来源：《中国新技术新产品》2016年第8月
