滚动轴承技术发展综述

吕学基 李宁

(中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司,辽宁沈阳 110043)

滚动轴承技术发展综述

吕学基 李宁

(中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司,辽宁沈阳 110043)

滚动轴承是发动机关键组件,其摩擦力矩低,受力变化敏感性小,能同时承受轴向和径向联合载荷,且能适应较大范围的载荷和速度,因此国内外对其预研和发展十分重视。本文介绍了滚动轴承的种类、原材料、寿命、质量控制措施,展示了滚动轴承技术发展的现状以及未来前景。

滚动轴承 轴承钢

1 滚动轴承的基本概念

滚动轴承泛指利用球或滚子的滚动实现最小摩擦,并限制一个物体相对另一个物体运动的各种类型轴承。大多数滚动轴承用来使轴相对于某固定结构作旋转运动,而有些滚动轴承则用来作平移运动,即在静止轴上作往复直线运动,只有很少的轴承能同时使部件作相对直线运动和旋转运动。通常滚动轴承总具有一组钢球或滚子,用来支承轴并固定在轴承座中,作用是保持轴在径向空间的正确位置。一般来说轴承包括内圈和外圈,每个套圈都有一个淬硬的滚道,淬硬的钢球或滚子沿滚道滚动。球和滚子通常称为滚动体,一般由保持架使它们保持一定的周向间隔。

2 滚动轴承的种类

滚动轴承基本分为十大类：向心球轴承、双列向心球轴承、向心圆柱滚子轴承、向心球面滚子轴承、滚针轴承、螺旋滚子轴承、向心推力球轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承、推力滚子轴承。

滚动轴承依其是否增加防尘盖、密封圈,套圈是否剖分,保持架种类的不同,是否有装球缺口,轴承内部结构的不同等等又可派生出不同的轴承种类。有关资料表明,滚动轴承的种类已达数万种。

随着现代技术的发展,许多特殊类型轴承已经开始得到应用,例如空气轴承、箔片轴承、磁力轴承、流体静压轴承和流体动压轴承、薄壁轴承、单元轴承、空心滚动体轴承、陶瓷轴承、椭圆套圈轴承,智能轴承、自润滑轴承、非金属材轴承、高真空轴承、静音轴承、低温轴承、高精度轴承、高转速轴承等等。

3 滚动轴承的材料

滚动轴承的滚动体和套圈通常是用淬火硬度很高,至少是表面淬火硬度很高的钢材制造的。迄今为止世界轴承工业中使用的材料主要是高碳铬钢、碳素钢、渗碳钢、不锈钢、高温钢,也有塑料和陶瓷以及其它一些新型钢种。据统计,轴承行业用于制造轴承零件的钢号在100种左右。但不论采用什么材料,至少要求轴承零件工作表面有很高的硬度。

其中高碳铬轴承钢都是以GCr15钢号为基础,发展起来的一系列高淬透性钢,如美国的52100系列,德国的1000CrMo系列,日本的SUJ系列等,这种轴承钢既有渗碳钢渗碳淬火的优越性能,又节约了合金渗碳钢的钢材成本,目前应用最为广泛。

碳素轴承钢具有很好的纯洁性,如美国的1070钢,日本的S53C钢等。

渗碳轴承钢含碳量较低,断裂韧度好,如美国的CBS100和M315,英国的MSR6027等。

不锈轴承钢具有较好的耐腐蚀性,如美德联合研制的Cronidur30,法国研制的XD15N等。

高温轴承钢主要用于具有高温环境的航空航天发动机心脏部位,如美国的440C、M10,英国的MSRR6015,俄罗斯的P18、ЭИ347等。

当代轴承的材料已不仅仅局限于金属,非金属材料也已经开始大量应用,最近成功研制出的氮化硅陶瓷材料,就可用于代替轴承钢制造适用于高速、高温场合下的滚动体。这种材料具有质量轻、抗压强度高、耐磨损、耐腐蚀等优点,而且可以采用固体润滑剂润滑,即便短时间没有润滑也不会产生危险的胶合现象,可在真空环境下使用。虽然耐冲击性还较差,造价也偏高,但随着科技的进步,其在航空航天领域应用前景十分可观。

4 滚动轴承的寿命

滚动轴承虽有很多优点,但也有较大的缺点,即使轴承润滑良好、安装正确、防尘防水合理、运转正常,也会因滚动表面的疲劳而损坏。通常认为滚动轴承具有与灯泡和人类一样的统计寿命分布,即威布尔分布。国际标准化组织给出了滚动轴承的寿命方程。

Ls＝α1α2α3(C／P)ε。

其中C：基本额定动负荷,表示轴承在运转条件下的承载能力;P：当量动负荷;Ls：与使用概率S(即可靠性)对应的疲劳寿命：ε：球轴承时ε=3,滚子轴承时ε＝10／3;α1,：可靠性系数;α2：材料系数;α3：使用条件系数。从以上寿命方程可见,轴承的疲劳寿命不仅与轴承的承载能力有关,而且与轴承的使用工况和轴承的材料有关。如普通冶炼的轴承钢α2=1,而真空重熔的轴承钢α2＝5,轴承疲劳寿命提高了5倍。具有了很高的几何精度、极其平滑的滚动接触表面。

现代炼钢技术的发展提供了极其均匀的高纯度轴承钢;现代密封技术和润滑剂过滤技术有助于降低有害杂质进入轴承接触表面的可能性,所有这些技术都可以显著降低滚动轴承发生接触疲劳破坏的可能性。许多轻载应用场合,疲劳寿命已不是设计必须考虑的主要问题,如滚动体的最大接触应力计算值在2000MPa以下的,可不考虑轴承的疲劳寿命,即轴承寿命为无限寿命。

5 滚动轴承的质量控制措施

滚动轴承从原材料投产到最后的成品装配,须经过种种质量控制工序。在硬件方面,可靠性要求比较高的轴承,在原材料阶段,进厂要复验,要进行化学、低倍、夹杂物、退火组织试样的检查,合格后整批材料还要进行超声波无损探伤检查和外观目视检查。在热处理阶段,每一炉要进行取样检查淬回火组织、硬度、酸洗检查。在磨加工阶段,要进行两次酸洗检查和一次磁粉探伤,可靠性要求较高的还要进行荧火磁粉探伤和x射线探伤检查。在软件方面,轴承制造厂通过强化质量管理措施,施行特殊的控制程序,严格管理轴承原材料的采购、轴承批次、冷热加工、工、模、夹具、生产环境、加工设备、检验、测量、试验设备、检验和试验状态。以此来连续稳定地提供质量可靠的产品。随着发动机转速的不断提升,对滚动轴承的要求也越来越高。一些新的无损检测技术正投入使用：检测轴承工作表面残余应力的巴克豪森噪音分析法、检查表面以下裂纹、疲劳损伤和夹杂物的磁波法等。

6 结语

现代科学技术和新材料、新工艺、新装备、新技术的广泛应用,对滚动轴承产品技术的发展产生了革新性甚至革命性的重大影响。滚动轴承产品作为一种载体,无论在类型、品种和规格上,还是在质量、性能和寿命上,均将充分体现技术进步所带来的巨大变化,相信未来还会有许多更加先进的产品涌现。

[1]顿涌泉,吴鑫,王统建,王世锋,王世保.滚动轴承制造装备.机械工业出版社,2006年.

[2]哈里斯,科兹拉斯.滚动轴承分析：第2卷轴承技术的高等概念.机械工业出版社,2010年.