高溫、高速深溝球保持架的開(kāi)發(fā)及試驗驗證

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，d_m·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)，d_m·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。

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d_m·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）

參考文獻：

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［2］ Harris T A，Kotzalas M N.滾動(dòng)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構參數對其性能的影響[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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