高溫、高速深溝球保持架的開發(fā)及試驗驗證

近年來，以新能源驅(qū)動電機軸承為代表的高溫、高速應(yīng)用工況，對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)用特點主要包括：

1）長壽命。壽命要求由原來的8年10萬公里，提高到10年30萬公里（油潤滑軸承要求達到80萬公里）。

2）高轉(zhuǎn)速。乘用車最常用的驅(qū)動電機轉(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汽車的應(yīng)用轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到20000r/min，d_m·n值超過了110萬，達到極限轉(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，需要對結(jié)構(gòu)、保持架、潤滑脂、密封圈、試驗技術(shù)等進行全方位的優(yōu)化，其中保持架設(shè)計問題是其中的一個關(guān)鍵因素，下面重點針對創(chuàng)新型高溫、高速深溝球軸承高速保持架的開發(fā)和試驗進行分析和說明。

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)計結(jié)構(gòu)細節(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、強度、振動和磨損等。工程塑料保持架自身重量輕，振動小（較鋼制保持架振動值低2～3dB以上），耐沖擊等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電機深溝球軸承中，特別是高速電機深溝球軸承。

通常，保持架被看作一個受復(fù)雜力系作用的剛體，受力主要包括：

1）保持架與滾動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）高速運動的離心力；

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）保持架與潤滑劑的滾動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）鋼球運轉(zhuǎn)中心橫截面。高速運轉(zhuǎn)時，由于離心力、接觸角等的變化，鋼球和滾道之間會產(chǎn)生差動、自旋、陀螺等復(fù)雜運動，這些運動勢必會對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，這些運動會對保持架兜孔底部產(chǎn)生高頻擺動扭曲，再加之保持架兜孔底部相對較薄弱（軸承內(nèi)部空間所限）和高溫時材料變軟的影響，可能造成保持架兜孔底部的斷裂。另一方面，由于這種質(zhì)心的不對稱和差動滑動、自旋滑動、陀螺滑動等導(dǎo)致的高溫，以及長期處于電機的高溫運行環(huán)境中，可能導(dǎo)致保持架爪口變軟、變形；高速運轉(zhuǎn)時，保持架有向底部方向（爪口的反方向）頂出的趨勢，速度越高、產(chǎn)生的溫升越高，這種風險越大，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)計上進行了諸多的創(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)的潤滑脂和樹脂保持架，實現(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、電動車驅(qū)動電機用高速球軸承（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）國內(nèi)公司A

圖5為國內(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 國內(nèi)A公司高速深溝球保持架結(jié)構(gòu)

4）國內(nèi)公司B

圖6為國內(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，實現(xiàn)目的同公司A。

圖6 國內(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)特點為：

1）兜孔內(nèi)表面帶有對稱的油槽，有利于保持架高速運行時，保證鋼球與兜孔之間的接觸潤滑和儲油以及油脂的流動，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轉(zhuǎn)時兜孔的強度和穩(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整體保架運行穩(wěn)定性的影響；

4）每個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，在保持架高速運轉(zhuǎn)時，兜孔形狀的變形最小化，有利于引導(dǎo)鋼球穩(wěn)定運轉(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)對比

3、創(chuàng)新型保持架的仿真分析

保持架各項分析結(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??；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，變形量不斷增加。底弧的設(shè)計改變了保持架剛度，提高了保持架柔性，受載荷沖擊時，產(chǎn)生較大變形，使保持架等效應(yīng)力減小。當?shù)谆“霃竭^大時，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 底弧半徑和爪部長度對保持架強度的影響

4、創(chuàng)新型保持架的試驗驗證

4.1 高速性能試驗

試驗參數(shù)：

1）試驗機：BLT-T高溫高速密封軸承試驗機

2）軸承型號：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。

試驗結(jié)果：

Ⅰ號工位軸承運行到18000r/min速度段2min后溫度報警停機，第二次正常運行，第三次運行到18000r/min速度段28min后溫度報警停機。

Ⅳ號工位軸承運行到18000r/min速度段2min后溫度報警停機，第二次運行到18000r/min速度段15min后溫度報警停機。

Ⅱ、Ⅲ工位軸承在三次運行期間均未出現(xiàn)溫度超標報警停機。

試驗運行情況如圖13所示，由圖可知，采用傳統(tǒng)保持架的軸承在運行跑合的中期階段（轉(zhuǎn)速14000～16000r/min），有一時刻溫升急劇升高（143℃左右），但未超過145℃報警停機線，且持續(xù)時間較短，分析原因為：運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，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曲線1

4.2 高速耐久試驗

試驗參數(shù)：

1）試驗機：ABLT-1A高溫高速密封軸承試驗機

2）軸承型號：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

試驗結(jié)果：運行近2000h（圖14）。

圖14 創(chuàng)新型保持架的軸承高速耐久試驗曲線2

4.3 高溫恒高速性能試驗

試驗參數(shù)：

1）BLT-T高溫高速密封軸承試驗機

2）軸承型號：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℃

試驗運行情況如圖15所示，試驗連續(xù)運行時間為930h。對比試驗的SKF同類型鐵蓋密封軸承僅運行338h（如圖16）。

圖15 創(chuàng)新型保持架的軸承試驗運行曲線2

圖16 對比試驗的SKF軸承試驗運行曲線3

4.4 高溫耐久性試驗

高溫耐久性試驗結(jié)果見表2，軸承連續(xù)運行813h（要求800h）后主動停機，軸承及保持架完好。

表2 6207-2R（4套）軸承的高溫耐久性試驗結(jié)果

圖17 高溫耐久試驗運行曲線4

4.5 高變速性能試驗

高變速性能試驗結(jié)果見表3，連續(xù)運行時間3150s（52.5min），10個循環(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結(jié)果

圖18 高變速性能試驗Ⅰ、Ⅳ工位試驗軸承溫度對比

圖19 高變速試驗Ⅰ、Ⅳ工位試驗軸承振動值對比

4.6 高溫極限轉(zhuǎn)速試驗

其他參數(shù)不變，在環(huán)境溫度100℃，24000r/min轉(zhuǎn)速下（由于第一版試驗機振動劇烈，沒有再提高運行轉(zhuǎn)速），連續(xù)運行12～24小時不等，運行期間軸承振動值較小，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)品試驗情況

5.1 微型高速軸承保持架

設(shè)計的微型軸承保持架結(jié)構(gòu)如圖20所示，代表型號695-2RS軸承，采用新設(shè)計保持架，在轉(zhuǎn)速為100000r/min（目標轉(zhuǎn)速150000r/min）下，上機兩臺做壽命試驗，雙雙運行超過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)計結(jié)構(gòu)特點：1) 在2018版高速保持架的基礎(chǔ)上，考慮到高速高溫運轉(zhuǎn)時，爪口外徑漲大抬起，該爪扣設(shè)計成類凹臺形；2) 爪口外徑部位凹臺與兜底外徑部位為斜坡過渡，抗沖擊能力更強；3) 每個兜孔間連接筋板軸向開窗口，更有利于潤滑脂在軸承兩側(cè)的穿行和內(nèi)部溫度場的均勻。

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

6、應(yīng)用情況

設(shè)計的新型高速深溝球軸承目前已進行了超過4萬小時的高速試驗和驗證，主機客戶臺架試驗也表明，新設(shè)計高速保持架具有高速運行穩(wěn)定，振動較低，抗沖擊，可靠性高等特點，具有良好的高速高溫運行性能，后續(xù)將進一步的進行試驗驗證和應(yīng)用分析。

（來源：軸承雜志社）

參考文獻：

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

［2］ Harris T A，Kotzalas M N.滾動軸承分析[M].羅繼偉,李濟順,楊咸啟,等譯.北京：機械工業(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)對其性能的影響[J].軸承，2021(12): 13-19.

作者簡介

馬純（1965—），男，天津人，高級工程師，洛陽工學院軸承專業(yè)學士，哈爾濱工業(yè)大學工程碩士，高級工程師。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)會特聘專家。

曾任哈爾濱軸承集團公司技術(shù)中心磨工藝工程師、情報室編輯、標準化科科長；TIMKEN中國有限公司供應(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；瓦房店軸承集團有限責任公司國家大型工程技術(shù)中心副主任；萬向錢潮軸承有限公司主任工程師、項目經(jīng)理；上海集優(yōu)集團振華軸承總廠有限公司副總工程師、高級主任工程師。

對產(chǎn)品開發(fā)、體系及質(zhì)量管控、供應(yīng)鏈管理、標準化管理等有豐富的經(jīng)驗，特別是對高速軸承的設(shè)計、制造、試驗以及試驗機的開發(fā)有獨到見解。在國內(nèi)外期刊上發(fā)表論文、譯文20余篇，擁有專利10余項。