保持架對低溫工況全陶瓷球軸承振動特性的影響

夏忠賢,吳玉厚,包志剛,范永中,閆海鵬,孫 健

(1.沈陽建筑大學 機械工程學院,沈陽 110168;2.宏德新材料科技(葫蘆島)股份有限公司,遼寧 葫蘆島 125000;3.河北科技大學 機械工程學院,石家莊 050018)

隨著航天及空間技術的不斷發展,一些深冷工況對軸承的服役性能提出了更加嚴苛的要求,傳統的鋼軸承已不能充分滿足要求。熱等靜壓氮化硅具有低密度、高強度、高硬度、耐磨損、耐高/低溫及自潤滑性好等作為軸承材料的優良特性,是目前被認為最適合用來制造高性能滾動軸承的陶瓷材料,尤其是要求在極端溫度環境下服役的應用領域[1]。在上述工況下服役的軸承,常規的潤滑油或潤滑脂已不再適用,只能通過保持架提供的轉移膜進行潤滑,愈來愈需要提高其自身的穩定性及服役壽命[2]。同時,由于工作環境溫度變化較大,軸承各組件均會產生不同程度的變形,導致軸承內部接觸狀態的變化,引發軸承動態特性特別是振動特性的變化,進而影響軸承服役性能與壽命[3]。在全陶瓷軸承中,保持架通常選用膠木、工程塑料等材料,相比于內、外套圈及滾動體,保持架易成為薄弱環節提前失效,進而導致軸承甚至設備失效。因此,開展保持架對低溫工況下全陶瓷球軸承振動特性的研究具有重要的工程意義。

在軸承服役性能方面,研究者們已經開展了大量的研究工作。軸承振動方面,趙聯春等[4]研究了載荷對軸承振動特性的影響,結果表明軸承彈性接觸振動的固有頻率隨軸向載荷的增大而升高,并且升高的幅度逐漸變小。溫保崗等[5]研究了保持架間隙對角接觸球軸承振動特性的影響,結果表明峭度系數隨著保持架引導間隙的增大而減小,隨著保持架兜孔間隙的增大而增大。動力學方面,鄧四二等[6-7]基于Adams系統對高速角接觸球軸承保持架進行了柔體動力學分析,研究了剛性和柔性保持架的質心運動軌跡,結果表明相比于剛性保持架,柔性保持架能夠使軸承運行更平穩。Bai等[8]在全陶瓷軸承非線性動力學模型中考慮了球徑差的影響,以聲壓級和峰值指向性角作為評價指標研究了輻射噪聲的周向分布。結果表明,球徑差對全陶瓷軸承的聲輻射有顯著影響,且影響隨轉速增大而增大。Wu等[9]考慮非線性接觸剛度和阻尼,建立了陶瓷球軸承振動微分方程,開展了陶瓷軸承輻射噪聲研究。結果表明,軸承噪聲由各組件特征頻率處的噪聲分量組成,旋轉頻率是噪聲的主要來源。姚廷強等[10]建立了考慮滾動體、套圈和保持架彈性變形與動態接觸關系的多體動力學模型,分析了不同引導間隙、轉速及徑向載荷等工況下軸承的動力學性能。結果表明,運動速度的變化對保持架動態特性的影響較大。其他方面,潤滑[11]、載荷[12]、外圈與滾珠缺陷[13]等對軸承性能的影響以及軸承振動信號監測[14]等也得到了廣泛的研究。

綜上所述,研究者們已經在軸承振動特性及服役性能方面進行了深入的研究工作,并且得到諸多有價值的結果。但現有的研究大多是在傳統工況下開展的,涉及低溫、無油潤滑等工況的相對較少,雖然也有低溫環境下滾動軸承保持架動態特性的試驗研究[15-16],但其研究對象為鋼軸承,且主要研究保持架間隙及不平衡量等結構參數的影響,而對于低溫工況下不同保持架材料對全陶瓷球軸承振動特性影響的研究甚少?；谏鲜鲅芯炕A,選用膠木、聚合物基復合材料(PEEK-PVX,含70%聚醚醚酮、10%聚四氟乙烯、10%碳纖維與10%石墨)、碳纖維復合材料三種保持架,開展低溫工況下保持架對氮化硅(Si3N4)全陶瓷球軸承振動特性影響的研究,研究結果對于全陶瓷球軸承低溫工況下保持架的選取具有一定的參考價值。

1 保持架受力分析

1.1 陶瓷球與保持架的作用力分析

由于陶瓷球與保持架材料的熱膨脹系數相差較大,當工作溫度變化較大時,陶瓷球變形量較小,可以忽略不計,但保持架兜孔受溫變影響較大,導致兜孔間隙發生變化,改變陶瓷球與保持架之間的沖擊與碰撞作用,保持架變形示意圖如圖1所示。圖1中:Dp0、B0、h0分別為熱變形前保持架的兜孔直徑、寬度與厚度;Dp1、B1、h1分別為熱變形后保持架的兜孔直徑、寬度與厚度?？紤]低溫工況下保持架兜孔間隙變化引發的碰撞作用,利用保持架兜孔坐標系Opj-XpjYpjZpj來計算陶瓷球與保持架兜孔之間的沖擊與摩擦。任一角位置φj處陶瓷球與保持架之間的作用力,如圖2所示。圖2中:Opj為保持架兜孔中心;Ypj,Zpj分別為保持架的徑向和圓周方向;Cp為陶瓷球在兜孔中的間隙量。Cp由下式計算

(1)

圖1 保持架變形示意圖

圖2 陶瓷球與保持架之間的作用力

式中:Dp為兜孔直徑;Dw為陶瓷球直徑。

設定基準溫度為T0,工作溫度為T,則工作溫差為ΔT=T-T0。工作溫度變化時,陶瓷球變形量很小,可忽略不計。保持架兜孔的變形近似于自由膨脹,可表示為

δp(T)=αcΔT

(2)

式中,αc為保持架材料的熱膨脹系數。所以,變形后的保持架兜孔直徑為

Dp1=Dp0-δp(T)=Dp0-αpΔT

(3)

式中,δcj為陶瓷球與保持架兜孔之間的接觸變形。由圖2可知,只有當δcj>0時,陶瓷球才與保持架發生接觸;反之,二者不接觸?？紤]保持架的兜孔間隙,第j個陶瓷球與保持架兜孔之間的接觸變形[17]為

(4)

(5)

根據Hertz點接觸理論,第j個陶瓷球與保持架兜孔之間的非線性接觸受力為

(6)

式中:Kc為陶瓷球與保持架兜孔之間的等效接觸剛度系數;n為滾動體與內、外圈滾道之間的接觸系數,對于球軸承,n取1.5;C為保持架兜孔與陶瓷球之間接觸時的阻尼系數;vcj為接觸點法向相對速度。因此,陶瓷球與保持架兜孔之間的作用產生的摩擦力可以由庫侖摩擦力模型計算,表示為

Pξj=μcQcj

(7)

式中,μc為陶瓷球與兜孔之間的摩擦因數。

1.2 保持架與引導套圈的作用力分析

在低溫工況下,相比于陶瓷材料,保持架材料的熱膨脹系數較大,隨著工作溫度的降低,保持架將產生不同程度的收縮,引導間隙隨之發生改變。根據保持架和引導套圈的幾何特點,考慮溫變特性導致的引導間隙變化的保持架與引導套圈之間的作用力如圖3所示。

圖3 保持架與引導套圈之間的作用力

(8)

式中,yc與zc分別為保持架沿OY、OZ方向的位移。則當ec滿足式(9)時,可以視為保持架與引導套圈接觸,否則視為保持架與引導套圈未接觸。

(9)

式中,δ為保持架與引導套圈之間的引導間隙?？杀硎緸?/p>

δ(T)=δ0+δc-δe

(10)

式中:δ0為初始配合間隙;δc為保持架變形量;δe為套圈變形量。

由于相對于保持架而言,陶瓷套圈熱膨脹系數較小,忽略δe的影響,保持架的熱變形近似為自由膨脹,可表示為

δc(T)=αcΔT

(11)

當保持架的位置滿足式(9)時,引導套圈與保持架之間的壓力和摩擦力為[18]

(12)

(13)

2 試驗過程

試驗在無塵環境下進行,環境濕度≤75%。試驗所用軸承型號為7009C Si3N4全陶瓷球軸承(軸承內、外套圈及滾動體材料均為Si3N4),測試軸承材料屬性及結構參數如表1和表2所示,試驗軸承及設備如圖4所示。該試驗機為臥式安裝低溫軸承性能壽命試驗機,主要由低溫試驗腔、軸向加載系統、徑向加載系統、試驗軸系、液氮低溫環境系統、力傳感器、溫度傳感器、振動傳感器及控制系統等部分組成。主要試驗參數為:試驗軸承外徑30～200 mm,內徑10～170 mm,寬度10～30 mm;軸承試驗環境溫度最低可達77 K,長時保持精度為±2 K;試驗軸承徑向加載范圍100～30 000 N,軸向加載范圍50～10 000 N;主軸最高轉速30 000 r/min。

表1 測試軸承材料屬性

表2 測試軸承結構參數

(a) 試驗軸承

試驗過程如下:將更換了不同保持架材料的Si3N4全陶瓷球軸承安裝于低溫軸承試驗臺中,啟動試驗臺使軸承在試驗工況下平穩運行10 min,目的是保證軸承的發熱速度與散熱速度達到動態平衡且穩定,然后進行信號采集與分析。

3 結果與分析

3.1 不同材料保持架受力分析

全陶瓷球軸承在轉速1 800 r/min,軸向力500 N,兜孔間隙0.1 mm,引導間隙0.2 mm,試驗溫度200 K條件下,對三種材料保持架與陶瓷球及引導套圈之間的作用力進行分析。

3.1.1 保持架兜孔與陶瓷球之間的作用力

保持架兜孔與陶瓷球之間的作用力如圖5所示。從圖5可以看出,對于三種材料保持架而言,對保持架兜孔與陶瓷球之間作用力貢獻較大的頻率成分均包括:保持架特征頻率fc,陶瓷球特征頻率的倍頻7fb、10fb,內圈特征頻率的倍頻3fi、5fi以及軸承轉動頻率的倍頻3fr、7fr等。同時,也發現了保持架與內圈耦合的特征頻率成分(4fc+4fi)。對比三種材料保持架的受力情況可以發現,膠木保持架受力相對最大,其次為PEEK-PVX保持架,碳纖維保持架受力相對最小。

(a) 膠木保持架

3.1.2 保持架與引導套圈之間的作用力

保持架與引導套圈之間的作用力如圖6所示。從圖6可以看出,對保持架與引導套圈之間作用力貢獻較大的頻率成分為保持架特征頻率fc與內圈特征頻率的倍頻3fi,除此之外,陶瓷球特征頻率的倍頻10fb、12fb,內圈特征頻率的倍頻6fi,軸承轉動頻率的倍頻6fr、7fr以及保持架與內圈耦合的特征頻率成分 (4fi+4fc) 也有一定的貢獻。上述結果表明,保持架的受力是軸承內部組件之間隨機相互作用的結果,對保持架動態特性有顯著影響。

(a) 膠木保持架

3.2 不同材料保持架振動特性分析

不同材料保持架振動特性如圖7所示,試驗工況與3.1節一致。從圖7可以看出,對保持架振動速度貢獻較大的頻率成分為保持架特征頻率fc,陶瓷球特征頻率的倍頻10fb以及保持架與內圈耦合的特征頻率成分 (4fi+4fc)。此外,軸承轉動頻率的倍頻3fr、6fr,陶瓷球特征頻率的倍頻4fb以及內圈特征頻率的倍頻5fi也有一定的貢獻。文獻[20]開展了低溫軸承保持架故障特征辨識相關研究,也得到了類似的結論。

(a) 膠木保持架

對比圖5、圖6及圖7可以發現,保持架的振動特性與其受力狀態的貢獻特征頻率類似,表明保持架振動與其受力狀態相互影響,二者具有很強的相關性。

3.3 軸向載荷對振動特性的影響

3.3.1 軸向載荷對振動速度的影響

圖8為主軸轉速1 800 r/min,試驗溫度253 K時,不同軸向載荷作用下的軸承振動速度變化情況。

圖8 不同軸向載荷下振動速度變化情況

從圖8可以看出,裝有PEEK-PVX保持架的全陶瓷球軸承隨著軸向載荷的增大,振動速度在1.3～1.9 mm/s變化,整體呈現出下降的趨勢。這是由于隨著軸向載荷的增大,一方面外力對軸承起到一定的預緊作用,對保持架滑移的抑制作用增加,減少了保持架與陶瓷球及引導套圈之間的脈沖碰撞頻率;另一方面,保持架材料低溫收縮,兜孔間隙減小,抑制了陶瓷球的不規則運動,因此軸承振動總體呈現下降趨勢。裝有膠木保持架的全陶瓷球軸承隨著軸向載荷的增大,振動速度在1.5～2.1 mm/s變化,振動速度呈現出先下降后上升的趨勢,軸向載荷為80 N時振動速度最小。這是由于在軸向載荷增加過程中,同樣先對保持架滑移起到一定的抑制作用,使振動速度降低,而隨著軸向載荷的進一步增大,由于膠木材料自潤滑性能較差,在低溫、無油潤滑工況下,陶瓷球與內、外套圈的擠壓與摩擦作用明顯,導致振動速度增大。裝有碳纖維保持架的全陶瓷球軸承隨著軸向載荷的增大,振動速度在2.7～3.1 mm/s變化,呈現出先下降再上升最后下降的波動趨勢,最小振動速度亦出現在軸向載荷為80 N工況下,總體高于PEEK-PVX和膠木保持架,這與圖7的結果是一致的。但由于碳纖維中含有大量潤滑性能優異的石墨,改善了全陶瓷球軸承低溫工況下的潤滑狀態,因此振動速度變化幅度最小。試驗結果表明,對于上述工況下工作的全陶瓷球軸承,軸向預緊力設置為80 N時軸承的振動特性較優。

3.3.2 軸向載荷對振動峭度的影響

峭度指標K是反映隨機變量分布特性的一種數值統計量,是一個4階累積量。它可以更好地反映出軸承振動產生的大幅值脈沖信號,對診斷滾動軸承的故障作用極其重要,其計算公式為

(14)

圖9為不同軸向載荷下Si3N4全陶瓷球軸承的振動峭度變化情況。從圖9可以看出,裝有PEEK-PVX保持架的全陶瓷球軸承隨著軸向載荷的增大,峭度在3.0～3.2變化,整體呈現出先下降后上升的趨勢。當軸向載荷為120 N時,峭度最小為3.0。裝有膠木保持架的全陶瓷球軸承隨著軸向載荷的增大,峭度在3.0～3.15變化,整體呈現出下降的趨勢,說明對于膠木保持架,隨著載荷的增加,滾動體與保持架的碰撞接觸減少,使得全陶瓷球軸承的振動信號變得較為平穩。裝有碳纖維保持架的全陶瓷球軸承隨著軸向載荷的增大,峭度在2.7～3.0變化,整體呈現出先下降后上升的趨勢,軸向載荷為100 N時,峭度最小為2.7,其變化趨勢與裝有PEEK-PVX保持架的全陶瓷球軸承類似。

圖9 不同軸向載荷下振動峭度變化情況

3.4 試驗溫度對振動特性的影響

3.4.1 試驗溫度對振動速度的影響

圖10為主軸轉速1 800 r/min,軸向載荷150 N時,不同試驗溫度下的軸承振動速度變化情況。從圖10可以看出,裝有PEEK-PVX保持架的全陶瓷球軸承隨著試驗溫度的降低,振動速度在1.3～1.9 mm/s變化,整體呈現出上升的趨勢。這是因為隨著試驗溫度的降低,保持架硬度增加,使得陶瓷球與保持架接觸過程中獲得更多的動能,導致全陶瓷球軸承振動速度的增大。裝有膠木保持架的全陶瓷球軸承隨著試驗溫度的降低,振動速度在1.1～1.5 mm/s變化,由于膠木的熱膨脹系數較高,隨著試驗溫度降低,變形量最大,限制了陶瓷球的運動,使得軸承振動速度雖呈下降趨勢,但變化幅度較小。同時可以發現213 K以下的低溫環境中裝有膠木保持架的全陶瓷球軸承振動速度要低于其它兩種材料保持架的全陶瓷球軸承。裝有碳纖維保持架的全陶瓷球軸承隨著試驗溫度的降低,振動速度在3.1 mm/s～3.9 mm/s變化,整體高于其它兩種材料保持架。

圖10 不同試驗溫度下振動速度變化情況

3.4.2 試驗溫度對振動峭度的影響

圖11為不同試驗溫度條件下Si3N4全陶瓷球軸承振動峭度變化情況。

圖11 不同試驗溫度下振動峭度變化情況

從圖11可以看出,裝有PEEK-PVX保持架的全陶瓷球軸承隨著試驗溫度的降低,峭度在3.1～7.7變化,在試驗溫度為153 K時峭度最大,說明在較低的試驗溫度條件下,保持架變形的影響使得軸承的振動信號存在較大的波動。裝有膠木保持架的全陶瓷球軸承隨試驗溫度的降低,峭度在3.1～8.2變化,其變化趨勢與裝有PEEK-PVX保持架的全陶瓷球軸承類似。而裝有碳纖維保持架的全陶瓷球軸承隨著試驗溫度的降低,峭度基本穩定在2.9左右,明顯低于其它兩種保持架材料,說明隨著試驗溫度的變化,軸承的振動信號變化平穩。這是由于碳纖維材料熱膨脹系數低,在低溫環境下的狀態穩定,且更容易在滾動體與內、外圈溝道之間形成自潤滑膜。因此裝有碳纖維保持架的全陶瓷球軸承在低溫環境下的振動特性優于裝有PEEK-PVX和膠木保持架的全陶瓷球軸承。

4 結 論

(1) 全陶瓷球軸承保持架的振動特性與其受力狀態的貢獻特征頻率類似,均以保持架特征頻率fc,陶瓷球特征頻率fb的倍頻、內圈特征頻率fi的倍頻及保持架與內圈耦合的特征頻率成分為主,振動特性與受力狀態具有很強的相關性。

(2) 軸向載荷及試驗溫度等工況條件對不同保持架全陶瓷球軸承的振動特性均具有顯著影響,且相比于軸向載荷,試驗溫度的影響更為顯著。

(3) 不同軸向載荷及試驗溫度條件下,裝有碳纖維保持架的全陶瓷球軸承峭度小于裝有PEEK-PVX和膠木保持架的全陶瓷軸承,表明在低溫、無油潤滑工況下,碳纖維保持架在全陶瓷球軸承信號平穩性以及減小故障方面要優于其它兩種材料的保持架。