
文章出處:知識中心 網(wǎng)責任編輯: 洛陽(yáng)軸承 閱讀量: 發(fā)表時(shí)間:2021-12-08 16:32:54
近年來(lái),以新能源驅動(dòng)電機軸承為代表的高溫、高速應用工況,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。
軸承的應用特點(diǎn)主要包括:
1)長(cháng)壽命。壽命要求由原來(lái)的8年10萬(wàn)公里,提高到10年30萬(wàn)公里(油潤滑軸承要求達到80萬(wàn)公里)。
2)高轉速。乘用車(chē)最常用的驅動(dòng)電機轉子支承軸承6206-2RS、6207-2RS等,平均轉速由原先的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(chē)的應用轉速已經(jīng)達到20000r/min,dm·n值超過(guò)了110萬(wàn),達到極限轉速的3倍以上。
3)急加速,百公里加速由原來(lái)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(mǎn)足軸承的這些要求,與以往同類(lèi)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,需要對結構、保持架、潤滑脂、密封圈、試驗技術(shù)等進(jìn)行全方位的優(yōu)化,其中保持架設計問(wèn)題是其中的一個(gè)關(guān)鍵因素,下面重點(diǎn)針對創(chuàng )新型高溫、高速深溝球軸承高速保持架的開(kāi)發(fā)和試驗進(jìn)行分析和說(shuō)明。
1、保持架的受力情況
深溝球軸承保持架結構主要有浪形、S形、冠形,根據不同的應用工況、材質(zhì),設計結構細節上有多種變化。隨著(zhù)高速深溝球軸承的研發(fā),單從保持架材質(zhì)看,近年來(lái),dm·n值超過(guò)65萬(wàn)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(dòng)和磨損等。工程塑料保持架自身重量輕,振動(dòng)?。ㄝ^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(gè)受復雜力系作用的剛體,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)保持架與套圈引導擋邊接觸表面的法向力和摩擦力(假定擋邊引導保持架);
3)高速運動(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(kāi)口,質(zhì)心偏離(不可避免)鋼球運轉中心橫截面。高速運轉時(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、陀螺等復雜運動(dòng),這些運動(dòng)勢必會(huì )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(dòng)會(huì )對保持架兜孔底部產(chǎn)生高頻擺動(dòng)扭曲,再加之保持架兜孔底部相對較薄弱(軸承內部空間所限)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)心的不對稱(chēng)和差動(dòng)滑動(dòng)、自旋滑動(dòng)、陀螺滑動(dòng)等導致的高溫,以及長(cháng)期處于電機的高溫運行環(huán)境中,可能導致保持架爪口變軟、變形;高速運轉時(shí),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(fēng)險越大,可能導致保持架失去引導而致使軸承失效。
圖1 冠形工程塑料保持架
2、保持架結構的創(chuàng )新
國內外很多公司都在高速深溝球軸承保持架的結構設計上進(jìn)行了諸多的創(chuàng )新和探索。
1)SKF
圖2為SKF公司的經(jīng)典保持架結構,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構
2)NSK
NSK通過(guò)新開(kāi)發(fā)的潤滑脂和樹(shù)脂保持架,實(shí)現了dm·n值140萬(wàn)的高速旋轉工況(軸承內徑:35 mm;轉速:30000r/min),如圖3所示;今年NSK又推出了第三代世界最高轉速、電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)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構
圖4 NSK第三代高速深溝球軸承保持架結構
3)國內公司A
圖5為國內公司A的保持架結構,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)心更靠近鋼球旋轉中心截平面,增加軸承內部容脂空間等。
圖5 國內A公司高速深溝球保持架結構
4)國內公司B
圖6為國內公司B的保持架結構,與公司A類(lèi)似,但其兜孔底部為軸向矩形挖槽,實(shí)現目的同公司A。
圖6 國內B公司高速深溝球保持架結構
5)創(chuàng )新型
創(chuàng )新型系列保持架結構如圖7所示。
(a)2018版
(b)2020版
圖7 創(chuàng )新型專(zhuān)利保持架結構
創(chuàng )新型高速深溝球軸承保持架的結構特點(diǎn)為:
1)兜孔內表面帶有對稱(chēng)的油槽,有利于保持架高速運行時(shí),保證鋼球與兜孔之間的接觸潤滑和儲油以及油脂的流動(dòng),快速帶走兜孔內部的熱量,保持兜孔形狀的穩定性;
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時(shí)兜孔的強度和穩定性;
3)保持架底部開(kāi)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徑與底弧之間壁厚的一致性,在保持架高速運轉時(shí),兜孔形狀的變形最小化,有利于引導鋼球穩定運轉。
以深溝球軸承6307為例,上述列舉的保持架基礎數據對比見(jiàn)表1。
表1 不同公司高速深溝球軸承6307保持架的基礎數據對比
3、創(chuàng )新型保持架的仿真分析
保持架各項分析結果如圖8-圖12所示。
仿真分析得出結論:高速軸承保持架在保證其強度,質(zhì)心在軸線(xiàn)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(zhù)底弧半徑的增大,保持架等效應力呈先減小后增大的趨勢,變形量不斷增加。底弧的設計改變了保持架剛度,提高了保持架柔性,受載荷沖擊時(shí),產(chǎn)生較大變形,使保持架等效應力減小。當底弧半徑過(guò)大時(shí),保持架柔性增大,但去除材料較多,導致相鄰結構壁厚薄弱,保持架等效應力增大。
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 保持架受力分析結果
圖11 有限元應力和變形分析
圖12 底弧半徑和爪部長(cháng)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:
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工位軸承采用傳統保持架,Ⅱ、Ⅲ工位軸承采用新型專(zhuān)利保持架。
試驗結果:
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,采用傳統保持架的軸承在運行跑合的中期階段(轉速14000~16000r/min),有一時(shí)刻溫升急劇升高(143℃左右),但未超過(guò)145℃報警停機線(xiàn),且持續時(shí)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(shí)蠕變導致軸承溫度急劇升高,經(jīng)過(guò)多次跑合后,材料性能趨于穩定,瞬時(shí)發(fā)熱現象大為減緩甚至消失。采用新型保持架的軸承未出現溫度超標,這與保持架兜孔內工作表面開(kāi)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(xiàn)1
4.2 高速耐久試驗
試驗參數:
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)轉速:13000r/min
6)載荷:徑向3000N,軸向200N
7)環(huán)境溫度:常溫
試驗結果: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(xiàn)2
4.3 高溫恒高速性能試驗
試驗參數:
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,試驗連續運行時(shí)間為930h。對比試驗的SKF同類(lèi)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(xiàn)2
圖16 對比試驗的SKF軸承試驗運行曲線(xiàn)3
4.4 高溫耐久性試驗
高溫耐久性試驗結果見(jiàn)表2,軸承連續運行813h(要求800h)后主動(dòng)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果
圖17 高溫耐久試驗運行曲線(xiàn)4
4.5 高變速性能試驗
高變速性能試驗結果見(jiàn)表3,連續運行時(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結果
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(dòng)值對比
4.6 高溫極限轉速試驗
其他參數不變,在環(huán)境溫度100℃,24000r/min轉速下(由于第一版試驗機振動(dòng)劇烈,沒(méi)有再提高運行轉速),連續運行12~24小時(shí)不等,運行期間軸承振動(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)品試驗情況
5.1 微型高速軸承保持架
設計的微型軸承保持架結構如圖20所示,代表型號695-2RS軸承,采用新設計保持架,在轉速為100000r/min(目標轉速150000r/min)下,上機兩臺做壽命試驗,雙雙運行超過(guò)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版高速保持架結構如圖7b所示,設計結構特點(diǎn):1) 在2018版高速保持架的基礎上,考慮到高速高溫運轉時(shí),爪口外徑漲大抬起,該爪扣設計成類(lèi)凹臺形;2) 爪口外徑部位凹臺與兜底外徑部位為斜坡過(guò)渡,抗沖擊能力更強;3) 每個(gè)兜孔間連接筋板軸向開(kāi)窗口,更有利于潤滑脂在軸承兩側的穿行和內部溫度場(chǎng)的均勻。
2020版保持架通過(guò)試驗驗證得出: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機上運行時(shí)間超過(guò)2018版保持架100多小時(shí)(使用同樣一款潤滑脂)(轉速:18300r/min,載荷:1250N,環(huán)境溫度:100℃)。
6、應用情況
設計的新型高速深溝球軸承目前已進(jìn)行了超過(guò)4萬(wàn)小時(shí)的高速試驗和驗證,主機客戶(hù)臺架試驗也表明,新設計高速保持架具有高速運行穩定,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行性能,后續將進(jìn)一步的進(jìn)行試驗驗證和應用分析。
(來(lái)源:軸承雜志社)
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作者簡(jiǎn)介
馬純(1965—),男,天津人,高級工程師,洛陽(yáng)工學(xué)院軸承專(zhuān)業(yè)學(xué)士,哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(huì )特聘專(zhuān)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(cháng);TIMKEN中國有限公司供應鏈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(wàn)向錢(qián)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(chǎng)有限公司副總工程師、高級主任工程師。
對產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、體系及質(zhì)量管控、供應鏈管理、標準化管理等有豐富的經(jīng)驗,特別是對高速軸承的設計、制造、試驗以及試驗機的開(kāi)發(fā)有獨到見(jiàn)解。在國內外期刊上發(fā)表論文、譯文20余篇,擁有專(zhuān)利10余項。
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