轴向预载荷对变速运转球轴承保持架动态性能的影响分析

洛阳轴承研究所有限公司 于晓凯 谢鹏飞 朱川峰

河南科技大学 屈驰飞

轴向预载荷对变速运转球轴承保持架动态性能的影响分析

洛阳轴承研究所有限公司 于晓凯 谢鹏飞 朱川峰

河南科技大学 屈驰飞

某型号特种电机在工作状态下需反复在极短的时间内完成加速、减速或过零运转，该种工况下轴承内钢球会出现打滑，造成保持架与钢球及套圈的碰撞力急剧增加，引起保持架运转不稳定，通过增大轴承的轴向预载荷可缓解钢球打滑现象。通过仿真分析不同轴向预载荷下轴承的保持架打滑率、与引导套圈间的作用力以及保持架质心轨迹，确定了最佳轴向预载荷控制范围。

一、前言

某型号特种电机采用一对角接触球轴承作为旋转支承，该电机在工作时需反复进行加速、减速或过零运转，该种工况下，轴承的工作状态更加复杂，变转速以及转速过零过程中，钢球会出现打滑，造成保持架与钢球及套圈的碰撞力急剧增加，引起保持架运转不稳定。通过增大轴承的轴向预载荷可缓解钢球打滑现象，但轴向预载荷过大会造成轴承摩擦力矩增大，从而造成电机功耗超标，因此，轴向预载荷需控制在合理的范围内。

鉴于此，本文利用动力学仿真分析软件建立了变转速轴承仿真分析模型，对比分析了不同轴向预载荷下轴承保持架的动态性能，并确定了轴向预载荷的最佳控制范围。

二、仿真分析模型

1.仿真分析数学模型

（1）保持架-钢球的作用力模型。

保持架兜孔与钢球法向作用力Qcj的计算公式[2，3]为：

式中：Kc—试验数据确定的线性逼近常数，对于球轴承取Kc=11/Cp（N/m）；Cp—保持架兜孔间隙，Cp=0.5（Dp-Dw）（m）；Dp—保持架兜孔名义直径；Dw—钢球直径；Kn—钢球和保持架兜孔接触处的负荷-变形常数，其值可取为：

（2）保持架-引导套圈的作用力模型。

由于流体动压效应的存在，引导套圈与保持架之间会产生相互作用力及力矩，根据保持架与引导套圈的几何构形，套圈引导表面与保持架定心表面可以看成是有限短的厚膜作用轴颈轴承的一个特例，如图1所示，由油膜分布压力产生的合力Fc，可用两个正交分量Fcy'，Fcz'来描述，产生的摩擦力矩用Mcx'来表示[1，2]。

图1 引导套圈与保持架的接触几何关系

式中：R1—保持架定心表面半径，m；L—保持架定心表面宽度，m；C1—保持架引导间隙，m；ε—保持架中心的相对轴承中心偏心量，ε=e/C1，m；u1—润滑油拖动速度，u1=R1（ω1(2)+ωc），m/s；V1—两表面相对滑动速度，V1=R1（ω1(2)+ωc），m/s。

Fcy'、Fcz'以及力矩Mcx'是在保持架坐标系Sc中度量的，在建立保持架平衡方程时，需将这些力以及力矩投影到轴承静止坐标系中：

式中：ψc= a rctan(Δzc/Δyc)。

2.仿真分析求解过程

利用ADAMS系统CMD语言开发了参数化变转速球轴承保持架动态仿真分析模型[3，4]，基于前述的数学模型以及钢球与套圈的相互作用模型[4-6]，用FORTRAN语言编写轴承元件相互作用力子程序，并编译生成动态链接库文件与ADAMS求解器模块连接。FORTRAN程序通过调用功能子程序SYSARY读取ADAMS中每个时间步长的系统状态值，计算出初始解，再通过数组RESULT传递给ADAMS求解器，完成每个步长的积分求解。

三、仿真分析结果

利用变转速轴承仿真分析模型，模拟了7004轴承从+1000r/min→0r/min→-1000r/min变速过程中的动态特性。7004轴承结构如图2所示，其主要结构参数如表1所示。轴承工作状态下的转速变化曲线如图3所示。

图2 轴承结构图

表1 轴承主要参数

图3 轴承转速曲线

选取了5种轴向预载荷方案：50N、52.5N、55N、57.5N、60N，对比分析不同轴向预载荷下轴承在转速过零瞬间的保持架打滑率、与引导套圈间的作用力以及保持架质心轨迹。

1.轴向预载对保持架打滑率及与引导套圈作用力的影响分析

轴承保持架打滑率反映了保持架实际转速与理论转速间的差值，打滑率越小，保持架实际转速跟理论转速越接近，此时，钢球与沟道间的滚动成分越多，滑动成分越少，由滑动导致的摩擦与磨损越小，越利于保持架运转稳定；相反，打滑率越大，将给保持架运转稳定性带来不利影响。

图3为在轴承转速过零瞬间保持架打滑率随轴向预载荷增大的变化曲线。图4为在轴承转速过零瞬间保持架与引导套圈作用力随轴向预载增大的变化曲线。

2.轴向预载对保持架打滑率及与引导套圈作用力的影响分析

轴承保持架打滑率反映了保持架实际转速与理论转速间的差值，打滑率越小，保持架实际转速跟理论转速越接近，此时，钢球与沟道间的滚动成分越多，滑动成分越少，由滑动导致的摩擦与磨损越小，越利于保持架运转稳定；相反，打滑率越大，将给保持架运转稳定性带来不利影响。

图4为在轴承转速过零瞬间保持架打滑率随轴向预载荷增大的变化曲线。图5为在轴承转速过零瞬间保持架与引导套圈作用力随轴向预载增大的变化曲线。

图4 保持架打滑率变化曲线

图5 保持架与引导套圈作用力变化曲线

由图4和图5可以看出：轴向预载荷大于50N后，保持架打滑率基本相当，说明增大轴向预载荷可有效降低保持架打滑率，从而抑制轴承变速运转过程中钢球的滑动摩擦；保持架与套圈的作用力在轴承预载荷为60N时最大，约为31N，这是由于轴向预载荷增大后，钢球的滑动摩擦减小，在轴承从正转向反转切换过程中，钢球换向时间变短，造成保持架与套圈之间的瞬时冲击力增加，从而造成保持架与套圈的作用力增大。综合对比，轴向预载控制在52.5N～57.5N时，保持架在过零瞬间的打滑率、与套圈的作用力均相对较小。

3.轴向预载对保持架质心轨迹的影响分析

保持架质心运动轨迹的发散和平滑程度，可以反映保持架的运转稳定性，质心轨迹越规则越平滑，说明保持架运转越稳定，反之，保持架运转稳定性较差。不同轴向预载荷下轴承保持架的质心轨迹如图6所示。

由图6可以看出：轴承从+1000r/min到-1000r/min的切换过程中，保持架的质心轨迹比较紊乱，质心有较大的斜向位移，出现了类似菱形的质心轨迹，这说明保持架受到了较大的冲击力，造成保持架质心位置突然发生变化；相比之下，轴向预载荷为57.5N时，保持架的质心轨迹较为平滑。

图6 保持架质心轨迹图

四、结语

本文利用动力学仿真分析软件实现了变转速轴承的仿真分析，通过对比分析不同轴向预载荷下7004轴承的保持架打滑率、与引导套圈间的作用力以及保持架质心轨迹，得出如下结论：对于变速运转的7004轴承，轴向预载荷的最佳控制范围为52.5N～57.5N，其中轴向预载荷取57.5N时，保持架的动态性能最佳。