高溫、高速深溝球保持架的開發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證

近年來，以新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承為代表的高溫、高速應(yīng)用工況，對(duì)軸承的使用性能提出了更高的要求，制造難度也大大增加。

軸承的應(yīng)用特點(diǎn)主要包括：

1）長(zhǎng)壽命。壽命要求由原來的8年10萬公里，提高到10年30萬公里（油潤(rùn)滑軸承要求達(dá)到80萬公里）。

2）高轉(zhuǎn)速。乘用車最常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子支承軸承6206-2RS、6207-2RS等，平均轉(zhuǎn)速由原先的12000r/min，提升到16000r/min，最新又提出24000r/min的要求；以特斯拉、比亞迪為代表的電動(dòng)汽車的應(yīng)用轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到20000r/min，d_m·n值超過了110萬，達(dá)到極限轉(zhuǎn)速的3倍以上。

3）急加速，百公里加速由原來的20～30s提高到2～3s。

4）大沖擊力，最高可達(dá)30g。

5）高密封性能要求，防漏脂、防水、防微塵等密封性能要求高。

為滿足軸承的這些要求，與以往同類軸承相比，需具備較高的精度，較低的振動(dòng)及噪聲，較低的摩擦力矩，耐沖擊，良好的密封性能等等。因此，在高速軸承研發(fā)中，需要對(duì)結(jié)構(gòu)、保持架、潤(rùn)滑脂、密封圈、試驗(yàn)技術(shù)等進(jìn)行全方位的優(yōu)化，其中保持架設(shè)計(jì)問題是其中的一個(gè)關(guān)鍵因素，下面重點(diǎn)針對(duì)創(chuàng)新型高溫、高速深溝球軸承高速保持架的開發(fā)和試驗(yàn)進(jìn)行分析和說明。

1、保持架的受力情況

深溝球軸承保持架結(jié)構(gòu)主要有浪形、S形、冠形，根據(jù)不同的應(yīng)用工況、材質(zhì)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)上有多種變化。隨著高速深溝球軸承的研發(fā)，單從保持架材質(zhì)看，近年來，d_m·n值超過65萬以上的深溝球軸承已經(jīng)很少使用鋼制保持架，多采用工程塑料保持架，主要考慮的影響因素包括：高速下保持架的離心力、強(qiáng)度、振動(dòng)和磨損等。工程塑料保持架自身重量輕，振動(dòng)小（較鋼制保持架振動(dòng)值低2～3dB以上），耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電機(jī)深溝球軸承中，特別是高速電機(jī)深溝球軸承。

通常，保持架被看作一個(gè)受復(fù)雜力系作用的剛體，受力主要包括：

1）保持架與滾動(dòng)體相互作用面上的沖擊力和摩擦力；

2）保持架與套圈引導(dǎo)擋邊接觸表面的法向力和摩擦力（假定擋邊引導(dǎo)保持架）；

3）高速運(yùn)動(dòng)的離心力；

4）保持架質(zhì)心不平衡引起的力；

5）重力；

6）保持架慣性力；

7）保持架與潤(rùn)滑劑的滾動(dòng)粘滯阻力和攪拌阻力。

由于冠形塑料保持架（圖1）單邊開口，質(zhì)心偏離（不可避免）鋼球運(yùn)轉(zhuǎn)中心橫截面。高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力、接觸角等的變化，鋼球和滾道之間會(huì)產(chǎn)生差動(dòng)、自旋、陀螺等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)勢(shì)必會(huì)對(duì)保持架造成劇烈的碰撞，加劇保持架的磨損、發(fā)熱及變形。一方面，這些運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)保持架兜孔底部產(chǎn)生高頻擺動(dòng)扭曲，再加之保持架兜孔底部相對(duì)較薄弱（軸承內(nèi)部空間所限）和高溫時(shí)材料變軟的影響，可能造成保持架兜孔底部的斷裂。另一方面，由于這種質(zhì)心的不對(duì)稱和差動(dòng)滑動(dòng)、自旋滑動(dòng)、陀螺滑動(dòng)等導(dǎo)致的高溫，以及長(zhǎng)期處于電機(jī)的高溫運(yùn)行環(huán)境中，可能導(dǎo)致保持架爪口變軟、變形；高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，保持架有向底部方向（爪口的反方向）頂出的趨勢(shì)，速度越高、產(chǎn)生的溫升越高，這種風(fēng)險(xiǎn)越大，可能導(dǎo)致保持架失去引導(dǎo)而致使軸承失效。

圖1 冠形工程塑料保持架

2、保持架結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

國(guó)內(nèi)外很多公司都在高速深溝球軸承保持架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了諸多的創(chuàng)新和探索。

1）SKF

圖2為SKF公司的經(jīng)典保持架結(jié)構(gòu)，為該公司十幾年前的探索者系列產(chǎn)品，適用于高速電機(jī)深溝球軸承。

圖2 SKF公司高速深溝球保持架結(jié)構(gòu)

2）NSK

NSK通過新開發(fā)的潤(rùn)滑脂和樹脂保持架，實(shí)現(xiàn)了d_m·n值140萬的高速旋轉(zhuǎn)工況（軸承內(nèi)徑：35 mm；轉(zhuǎn)速：30000r/min），如圖3所示；今年NSK又推出了第三代世界最高轉(zhuǎn)速、電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)用高速球軸承（圖4）。

圖3 NSK公司高速深溝球軸承保持架結(jié)構(gòu)

圖4 NSK第三代高速深溝球軸承保持架結(jié)構(gòu)

3）國(guó)內(nèi)公司A

圖5為國(guó)內(nèi)公司A的保持架結(jié)構(gòu)，兜孔底部帶有圓柱形軸向弧槽，其目的為減輕保持架重量，質(zhì)心更靠近鋼球旋轉(zhuǎn)中心截平面，增加軸承內(nèi)部容脂空間等。

圖5 國(guó)內(nèi)A公司高速深溝球保持架結(jié)構(gòu)

4）國(guó)內(nèi)公司B

圖6為國(guó)內(nèi)公司B的保持架結(jié)構(gòu)，與公司A類似，但其兜孔底部為軸向矩形挖槽，實(shí)現(xiàn)目的同公司A。

圖6 國(guó)內(nèi)B公司高速深溝球保持架結(jié)構(gòu)

5）創(chuàng)新型

創(chuàng)新型系列保持架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

（a）2018版

（b）2020版

圖7 創(chuàng)新型專利保持架結(jié)構(gòu)

創(chuàng)新型高速深溝球軸承保持架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

1）兜孔內(nèi)表面帶有對(duì)稱的油槽，有利于保持架高速運(yùn)行時(shí)，保證鋼球與兜孔之間的接觸潤(rùn)滑和儲(chǔ)油以及油脂的流動(dòng)，快速帶走兜孔內(nèi)部的熱量，保持兜孔形狀的穩(wěn)定性；

2）加大保持架下冠與兜孔之間的壁厚，保證保持架高速高溫運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兜孔的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；

3）保持架底部開有環(huán)形槽，有利于減輕保持架重量，增大容脂空間，減小保持架底部變形對(duì)整體保架運(yùn)行穩(wěn)定性的影響；

4）每個(gè)兜孔之間底弧為圓錐弧，保證兜孔外徑與底弧之間壁厚和兜孔內(nèi)徑與底弧之間壁厚的一致性，在保持架高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兜孔形狀的變形最小化，有利于引導(dǎo)鋼球穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

以深溝球軸承6307為例，上述列舉的保持架基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 不同公司高速深溝球軸承6307保持架的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比

3、創(chuàng)新型保持架的仿真分析

保持架各項(xiàng)分析結(jié)果如圖8-圖12所示。

仿真分析得出結(jié)論：高速軸承保持架在保證其強(qiáng)度，質(zhì)心在軸線上的情況下，重量越輕，保持架所受的作用力（主要為離心力）越小；保持架質(zhì)心離鋼球旋轉(zhuǎn)中心平面的距離越大，則受到鋼球的作用力和沖擊力越大。

隨著底弧半徑的增大，保持架等效應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢(shì)，變形量不斷增加。底弧的設(shè)計(jì)改變了保持架剛度，提高了保持架柔性，受載荷沖擊時(shí)，產(chǎn)生較大變形，使保持架等效應(yīng)力減小。當(dāng)?shù)谆“霃竭^大時(shí)，保持架柔性增大，但去除材料較多，導(dǎo)致相鄰結(jié)構(gòu)壁厚薄弱，保持架等效應(yīng)力增大。

圖8 1^#鋼球與保持架兜孔碰撞點(diǎn)位置及碰撞力

圖9 軸承零件的平均磨損率

圖10 保持架受力分析結(jié)果

圖11 有限元應(yīng)力和變形分析

圖12 底弧半徑和爪部長(zhǎng)度對(duì)保持架強(qiáng)度的影響

4、創(chuàng)新型保持架的試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 高速性能試驗(yàn)

試驗(yàn)參數(shù)：

1）試驗(yàn)機(jī)：BLT-T高溫高速密封軸承試驗(yàn)機(jī)

2）軸承型號(hào)：6208

3）保持架材料：PA46

4）軸承密封：橡膠密封圈

5）轉(zhuǎn)速：18000r/min

6）載荷：徑向1250N，軸向200N

7）環(huán)境溫度：常溫

8）工位軸承：Ⅰ、Ⅳ工位軸承采用傳統(tǒng)保持架，Ⅱ、Ⅲ工位軸承采用新型專利保持架。

試驗(yàn)結(jié)果：

Ⅰ號(hào)工位軸承運(yùn)行到18000r/min速度段2min后溫度報(bào)警停機(jī)，第二次正常運(yùn)行，第三次運(yùn)行到18000r/min速度段28min后溫度報(bào)警停機(jī)。

Ⅳ號(hào)工位軸承運(yùn)行到18000r/min速度段2min后溫度報(bào)警停機(jī)，第二次運(yùn)行到18000r/min速度段15min后溫度報(bào)警停機(jī)。

Ⅱ、Ⅲ工位軸承在三次運(yùn)行期間均未出現(xiàn)溫度超標(biāo)報(bào)警停機(jī)。

試驗(yàn)運(yùn)行情況如圖13所示，由圖可知，采用傳統(tǒng)保持架的軸承在運(yùn)行跑合的中期階段（轉(zhuǎn)速14000～16000r/min），有一時(shí)刻溫升急劇升高（143℃左右），但未超過145℃報(bào)警停機(jī)線，且持續(xù)時(shí)間較短，分析原因?yàn)椋哼\(yùn)行中保持架兜孔與鋼球接觸，致使保持架兜孔與鋼球接觸部位的塑料瞬時(shí)蠕變導(dǎo)致軸承溫度急劇升高，經(jīng)過多次跑合后，材料性能趨于穩(wěn)定，瞬時(shí)發(fā)熱現(xiàn)象大為減緩甚至消失。采用新型保持架的軸承未出現(xiàn)溫度超標(biāo)，這與保持架兜孔內(nèi)工作表面開有油槽有關(guān)，油槽發(fā)揮了儲(chǔ)油和快速散熱的功能。

圖13 創(chuàng)新型保持架的軸承性能試驗(yàn)曲線1

4.2 高速耐久試驗(yàn)

試驗(yàn)參數(shù)：

1）試驗(yàn)機(jī)：ABLT-1A高溫高速密封軸承試驗(yàn)機(jī)

2）軸承型號(hào)：6206

3）保持架材料：PA46

4）軸承密封：橡膠密封圈

5）轉(zhuǎn)速：13000r/min

6）載荷：徑向3000N，軸向200N

7）環(huán)境溫度：常溫

試驗(yàn)結(jié)果：運(yùn)行近2000h（圖14）。

圖14 創(chuàng)新型保持架的軸承高速耐久試驗(yàn)曲線2

4.3 高溫恒高速性能試驗(yàn)

試驗(yàn)參數(shù)：

1）BLT-T高溫高速密封軸承試驗(yàn)機(jī)

2）軸承型號(hào)：6207

3）保持架材料：PA46

4）密封方式：鐵蓋

5）轉(zhuǎn)速：18000r/min

6）載荷：徑向1250N，軸向200N;

7）環(huán)境溫度：100℃

試驗(yàn)運(yùn)行情況如圖15所示，試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為930h。對(duì)比試驗(yàn)的SKF同類型鐵蓋密封軸承僅運(yùn)行338h（如圖16）。

圖15 創(chuàng)新型保持架的軸承試驗(yàn)運(yùn)行曲線2

圖16 對(duì)比試驗(yàn)的SKF軸承試驗(yàn)運(yùn)行曲線3

4.4 高溫耐久性試驗(yàn)

高溫耐久性試驗(yàn)結(jié)果見表2，軸承連續(xù)運(yùn)行813h（要求800h）后主動(dòng)停機(jī)，軸承及保持架完好。

表2 6207-2R（4套）軸承的高溫耐久性試驗(yàn)結(jié)果

圖17 高溫耐久試驗(yàn)運(yùn)行曲線4

4.5 高變速性能試驗(yàn)

高變速性能試驗(yàn)結(jié)果見表3，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間3150s（52.5min），10個(gè)循環(huán)，軸承及保持架完好。

表3 6207-2R（8套）軸承的高變速性能試驗(yàn)結(jié)果

圖18 高變速性能試驗(yàn)Ⅰ、Ⅳ工位試驗(yàn)軸承溫度對(duì)比

圖19 高變速試驗(yàn)Ⅰ、Ⅳ工位試驗(yàn)軸承振動(dòng)值對(duì)比

4.6 高溫極限轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

其他參數(shù)不變，在環(huán)境溫度100℃，24000r/min轉(zhuǎn)速下（由于第一版試驗(yàn)機(jī)振動(dòng)劇烈，沒有再提高運(yùn)行轉(zhuǎn)速），連續(xù)運(yùn)行12～24小時(shí)不等，運(yùn)行期間軸承振動(dòng)值較小，間接表明了新型保持架的效果。

5、創(chuàng)新型系列保持架產(chǎn)品試驗(yàn)情況

5.1 微型高速軸承保持架

設(shè)計(jì)的微型軸承保持架結(jié)構(gòu)如圖20所示，代表型號(hào)695-2RS軸承，采用新設(shè)計(jì)保持架，在轉(zhuǎn)速為100000r/min（目標(biāo)轉(zhuǎn)速150000r/min）下，上機(jī)兩臺(tái)做壽命試驗(yàn)，雙雙運(yùn)行超過500h。

圖20 新型微型深溝球軸承保持架

5.2 創(chuàng)新型2020版保持架

創(chuàng)新型2020版高速保持架結(jié)構(gòu)如圖7b所示，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1) 在2018版高速保持架的基礎(chǔ)上，考慮到高速高溫運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，爪口外徑漲大抬起，該爪扣設(shè)計(jì)成類凹臺(tái)形；2) 爪口外徑部位凹臺(tái)與兜底外徑部位為斜坡過渡，抗沖擊能力更強(qiáng)；3) 每個(gè)兜孔間連接筋板軸向開窗口，更有利于潤(rùn)滑脂在軸承兩側(cè)的穿行和內(nèi)部溫度場(chǎng)的均勻。

2020版保持架通過試驗(yàn)驗(yàn)證得出：1）與2018版保持架相比，軸承振動(dòng)值降低2～3dB；2）在最新版高溫高速密封性能試驗(yàn)機(jī)上運(yùn)行時(shí)間超過2018版保持架100多小時(shí)（使用同樣一款潤(rùn)滑脂）（轉(zhuǎn)速：18300r/min,載荷：1250N，環(huán)境溫度：100℃）。

6、應(yīng)用情況

設(shè)計(jì)的新型高速深溝球軸承目前已進(jìn)行了超過4萬小時(shí)的高速試驗(yàn)和驗(yàn)證，主機(jī)客戶臺(tái)架試驗(yàn)也表明，新設(shè)計(jì)高速保持架具有高速運(yùn)行穩(wěn)定，振動(dòng)較低，抗沖擊，可靠性高等特點(diǎn)，具有良好的高速高溫運(yùn)行性能，后續(xù)將進(jìn)一步的進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和應(yīng)用分析。

（來源：軸承雜志社）

參考文獻(xiàn)：

［1］蔣興奇，馬家駒，范谷耘. 高速精密角接觸球軸承最小預(yù)緊載荷計(jì)算[J].軸承，2001(6): 1-3.

［2］ Harris T A，Kotzalas M N.滾動(dòng)軸承分析[M].羅繼偉,李濟(jì)順,楊咸啟,等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］賈曉芳，張文虎，趙濱海，等. 深溝球軸承冠形保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響[J].軸承，2021(12): 13-19.

作者簡(jiǎn)介

馬純（1965—），男，天津人，高級(jí)工程師，洛陽(yáng)工學(xué)院軸承專業(yè)學(xué)士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士，高級(jí)工程師。嘉優(yōu)易軸承科技有限公司總經(jīng)理兼總工程師。慈溪軸承協(xié)會(huì)特聘專家。

曾任哈爾濱軸承集團(tuán)公司技術(shù)中心磨工藝工程師、情報(bào)室編輯、標(biāo)準(zhǔn)化科科長(zhǎng)；TIMKEN中國(guó)有限公司供應(yīng)鏈OEM/SQDE主管；浙江八環(huán)軸承公司技術(shù)中心主任；摩士集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心主任、主任工程師；瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司國(guó)家大型工程技術(shù)中心副主任；萬向錢潮軸承有限公司主任工程師、項(xiàng)目經(jīng)理；上海集優(yōu)集團(tuán)振華軸承總廠有限公司副總工程師、高級(jí)主任工程師。

對(duì)產(chǎn)品開發(fā)、體系及質(zhì)量管控、供應(yīng)鏈管理、標(biāo)準(zhǔn)化管理等有豐富的經(jīng)驗(yàn)，特別是對(duì)高速軸承的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)以及試驗(yàn)機(jī)的開發(fā)有獨(dú)到見解。在國(guó)內(nèi)外期刊上發(fā)表論文、譯文20余篇，擁有專利10余項(xiàng)。