四点接触球转盘轴承沟道形状与游隙关系特性分析.pdf

堡 Q 二 垒 CN41 1 1 4 8 TH 轴承2 0 1 2 年8 期 Bea r in g 2012 No 8 四点接触球转盘轴承沟道形状与游隙关系特性分析 陈龙 姜红卫 王黎峰 邱明 夏新涛 1 河南科技 大学 机 电工程学院 河南 洛 阳4 7 1 0 0 3 2 包钢集 团 无缝钢 管厂 内蒙古包头0 1 4 0 0 0 3 洛 阳瑞成轴承有 限责任公 司 河南 洛阳4 7 1 0 0 3 摘要 研究了四点接触球转盘轴承沟道形状对游隙的影响 着重讨论了沟道形状对负游隙四点接触球转盘轴承 的游隙以及启动力矩的影响 并设计了相关试验 验证了理论分析的正确性 关键词 转盘轴 承 四点接触 沟道形状 启动力矩 负游隙 中图分类号 T H1 3 3 3 3 1 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 3 7 6 2 2 0 1 2 0 8 0 0 3 2 0 5 Cha r a c t e r is t ic An a l y s is o n Re l a t io ns h ip Be t we e n Gr o o v e Pr o fi l e a n d Cl e a r a nc e in Fo u r Po in t Co nt a c t Ba l l S l e wing Be a r ing s C H E N L o n g J I A N G H o n g w e i WA N G L i f e n g Q I U Min g X I A X in t a o 1 S c h o o l o f Me e h a t r o n i c s E n g i n e e ri n g H e n a n U n i v e r s it y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y L u o y a n g 4 7 1 0 0 3 C h in a 2 S e a ml e s s S t e e l T u b in g Mi l l B a o g a n g G r o u p B a o t o u 0 1 4 0 0 0 C h i n a 3 L u o y a n g R u i c h e n g B e a r i n g C o L t d L u o y a n g 4 7 1 0 0 3 C h i n a Ab s t r a c t T h e in f l u e n c e o f g r o o v e p r o fi l e o n c l e ara n c e is r e s e a r c h e d f o r f o u r p o in t c o n t a c t b a l l s l e w in g b e a r in g s t h e r e l a t io n s h ip b e t we e n gro o v e p r o fi l e a n d n e g a t iv e c l e a r a nc e a s we l l a s s t a r t ing f ri c t io n t o r q ue is d is c u s s e d in de t a il a nd t h e r e i iv e t e s t s a r e d e s ig n e d t o v e r if y v a l id it y o f t h e o r e t ic a l a n a l y s is Ke y wo r ds s l e win g b e a ri ng f o u r p o in t c o nt a c t g r o o v e pr o fi l e s t a rtin g f ri c t io n t o r q ue n e g a t iv e c l e ara n c e 四点接触球转盘轴承结构紧凑 重量轻 可 以 同时承受轴向力 径 向力及倾覆力矩 因而广泛应 用于 回转式焊接操 作机 中小型起重机和挖掘机 等工程设备 J 四点接触球转 盘轴承 的沟道为 2 条圆弧 沟曲率系数为 0 5 2 0 5 5 一般工程机 械设备中 由于游隙大于零 钢球 和沟道之间为两 点接触 在一些 回转精度要求较 高或者有启动力 矩要求的应用场合 如雷达 回转台 机床 回转 台以 及风力发电机变桨装置等 要求转盘轴承采用零 游隙或者负游隙 钢球与沟道问为四点接触 J 转盘轴 承套 圈材料一般选 用 5 0 Mn钢 或 4 2 C r Mo 钢 套圈沟道采用表面淬火 钢球采用 G C r l 5钢或 G C r 1 5 S iMn钢 整体淬火 依据工况不同 做高 收稿 日期 2 0 1 2 0 1 0 6 基金项目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 0 7 5 1 2 3 河南 省教育厅 自然科学研究计划项 目 2 0 1 1 B 4 6 0 0 0 4 河南科 技大 学 青 年 基 金 2 0 1 1 Q N 0 6 河 南 省 杰 出 青 年 基 金 1 1 4 1 0 0 5 1 0 0 0 2 河南省高校科技创新人 才支持计 划项 目 2 0 0 9 HA S T T 0 0 8 洛 阳市科 技计划 项 目 1 0 0 1 0 4 0 A 频往复摆动的四点接触球转盘轴承常见的失效形 式为承载区的疲劳破坏 低 频摆动与低速 回转常 见 的失效形式主要为压痕 J 由于 四点接触球转盘轴承 的广泛应用及其在 承载上的突出优势 很多学者对于其承载能力做 了深人研究 文献 7 1 0 分析 了转盘轴承载荷分 布的解析求解方法 文献 1 1 研究 了转盘轴承载 荷分布的数值求解方法 文献 1 2 1 3 从不 同角度 分析了四点接触球轴 承载荷分 布方 程 的建 立方 法 文献 1 4 还建立 了确定 型号 的四点接触球转 盘轴承的有 限元分析模 型 并 采用有限元分析方 法建立了一些固定型号的柔度矩阵 文献 1 5 1 6 提出了四点接触球转 盘的数字 化设 计方法 文献 1 7 提出了四点接触球转盘轴承的 自适应设计方 法 文献 1 8 1 9 通过试验验证 了相关理论分析的 正确性 转盘轴承的安装往往采用螺栓连接 2 0 J 因而 也有众多学者 围绕转盘轴承的螺纹连接特性展开 专 门的深入研究 一 些特 殊工况 如风力发 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 陈龙 等 四点接触球转盘轴承沟道形状与游隙关系特性分析 电机变桨装置 对 四点接触球转 盘轴 承的启动力 矩提出了具体要求 以避免蠕动磨损 为 了满足启动力矩要求 使轴 承的游隙值小 于零从 而使轴承装配完成后即预紧 对 于直径尺寸较大 的转盘轴承 负游 隙预紧使得转盘轴承内 外圈发 生弹性变形 影响内部载荷分布状态 以上分 析均基 于各零 件 的理想 几何 形状 开 展 而实际加工过程 中的加工误差对 四点接触球 转盘轴承钢球与沟道 的接触 位置有着显著影 响 接触位置的改变直接影 响接触 角的大小 进而影 响到转盘轴承的游隙值及 内部的载荷分布状 态 对于负游隙的转盘轴承 游 隙值的大小还将进 一 步影响到轴承启动力矩值 影响 四点接触球转盘 轴承启动力矩 的加 工误差 主要包括 套圈 的圆度 沟道接触点位置与基准端面之间的平行差 以及沟 道形状 其中圆度和接触点位置 与基准端面之 间 的平行差会 造成转 盘轴承 回转 过程 中出现 卡死 点 因而在制造过 程 中得到 了足够 的重视和严格 控制 负游隙靠配 制尺寸链 内各零件 尺寸获取 无法直接测量 由于负游 隙的数量级相对较小并 且对于启动力矩 的影 响显 著 因而 沟道形 状对于 负游隙转盘轴承的影响也极为突出 在此 着重分析沟道形状对 负游 隙转盘 轴承 游隙的影响 并设计 了相关试 验验证理论分 析的 正确性 由于负游隙无法直接测 量 试验 中采用 启动力矩作为间接评判指标来判断负游隙的量 1 沟道 形 状及 其 对 游 隙影 响 的理 论 分析 目前常见的四点接触球轴承沟道终加工方法 有两种 一种是 表面淬火后采用磨 床切入磨加工 沟道 另一种是 表面淬火后采用数控 车床经硬车 形成沟道 这两种工艺方法各有优劣 采用切人 磨法加工 时沟道形状 靠砂 轮修整 出来 的形状 保 证 砂轮修整精度 以及磨 削过程 中的砂 轮磨 损对 于沟道形状有直接影响 难 以保证精度要求 但加 工特大型的四点接触球转盘轴承往往采用落地磨 床 设备投资相对较小并且 能得到较好 的表 面质 量 采用硬车方法加工沟道时 由于沟道形状依靠 程序保证 因而加工出的沟道形状较好 但加工出 的表面粗糙度与磨削相 比还有一定差距 沟道形状对于四点接触球转盘轴承装配完成 后的接触角有 着直接的影响 而接触角 的改变将 直接影响转盘轴承的承载能力 一般转盘轴承在 承载能力计算及选型计算中 均存在一定裕量 因 而对于一般工程机械用转盘轴 承来 说 因沟道形 状造成 的接触角变化 对轴承 应用 的影 响并不 突 出 但对于有回转精度和启动力矩要求的负游隙 四点接触球转盘轴承来说 沟道形状对 负游隙的 影响程度大 进而会造成启动力矩变化 1 1 沟 道一致 性对 游 隙的影 响 一 般设计标准取外圈沟曲率系数 0 5 4 内 圈沟曲率系数 0 5 2 5 但各转盘轴承制造厂此参 数选择不尽相 同 为了便于 以下分析 内 外沟曲 率系数均取 0 5 5 图 1为零游隙时 四点接触球转 盘轴承的钢球与 4条沟道 的接触状态 钢球与内 外圈 4条沟道的 4点接触 接触角为 O 4 5 对角 相对的两条沟道的圆弧 中心 0 0 i 与 0 0 i 位 于接触点连线上 中心距 0 0 i 和 0 0 i 相等 图 1 四 点接 触球 转 盘 轴 承 的接 触 形 式 实际加工 中 沟道形状精 度难 以保证 尤其 是采用砂轮切入磨削时 砂轮修整精度不足 或磨 削过程 中砂轮 的磨耗相对较小 以较大的张角终 磨形成沟道 则当沟径尺寸加工到规定尺寸后 装 配后实际接 触位置低于设计值 接触 角由原 接触 角 o d 变化为 o t 接触角减小 钢球与沟道之间由4 点接触变为 2点接触 如 图 2 a所示 合套完成 的 轴承游隙由零游隙变化为正游 隙 反之 若磨削过 程中砂轮 自身磨耗 过大 则终磨形成 的沟道张角 小 沟径尺寸加工至规定尺寸后 接触 角增 大 合 套完成的轴承 由无预紧的零游隙 4点接触变为带 预紧的负游隙 4点接触 如图 2 b所示 以上讨论 的仍为理想 的加工结果 即内圈或 外圈同时出现 大张角 或 小 张角 的情形 两条 沟道形状一致 但在实际加工中 由于内 外 圈沟 道分开磨削 需要 多次装夹 多次定位 因而两个 套圈沟道形状 的一致性难 以保证 造成理 论游隙 与实际游隙的差异较为突出 实 际中最为常见的 状态也是 内 外 圈 2条沟道 各 自对称 性较 好 但 内 外圈的沟道一致性较差 生产 中通常采用 弦 长偏差控制该指标 虽然一般标准对于弦长偏差 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 陈龙 等 四点接触球转盘轴承沟道形状与游隙关系特性分析 沟道形状对游隙的影 响 但 由于测量 时以内径 面 和外径面作为测量基准 而转盘轴承的 内 外径精 度要求不高 使得测量精度难 以保证 尤其 当转盘 轴承带外齿或内齿时 测量精度更差 另外 测量 过程 中钢球 的固定 有一定难度 测量的最大值点 也难 以找准 图 4夹 球 壁 厚 测 量 为了更进一步明确沟道形状对于游隙的影响 程度 设计 2种游 隙配置方案研究沟道形状 对于 游隙的影响 2 1 试 验方 案 为研究沟道形状对负游 隙的影 响程度 设 计 对 比试验研究不同游隙配制方案下的启动摩擦力 矩 差 异 方案 1 选 取 一 套 1 7 8 9 9 1 K M 外 形 尺 寸 6 4 5 8 9 7 m m 4 5 7 2 m m 7 9 3 7 5 m m 钢球直 径 3 1 7 5 m m 四点接触球转盘轴承 的内 外 圈 通过更换 1 O组不 同钢球直径规值 以获得不 同的 游隙值 进而测量相应的启动摩擦力矩 由于此 方案 中所使用 的 内 外套 圈为 同一 组套 圈 因而 沟道形状对 于游 隙的影 响可以剔 除 能够 直接反 映 出无沟道 形状参 数影 响时游 隙变化 与启动 力 矩变化之 间的关系 方案 2 选取 样本数量 为 2 0的 1 7 8 9 9 1 K M 四 点接触球转盘轴承 测量该批轴承标定位置 的沟 径尺寸 通过理论计算沟底径尺寸 由于四点接触 球轴承沟底存在避免应力集 中以及储油作用 的圆 弧 因而无法直接测量其沟底径 以及不考虑沟道 形状影响下 的接触点位置尺寸 从 而计算 出游 隙 值 测量此 2 0套轴承 的启动力矩 研究启动力矩 与计算游隙值的关系 从 而确定沟道形状对 于实 际游隙的影响 2 2 试验结果 图 5 a为方案 1中以 1 0种不 同规值 的钢球与 同一组套圈合套后获得不 同的游 隙值测试 启动摩 擦力矩的结果 图中曲线表 明 游隙值较大的配 置中启动力矩变化不大 游隙值为 5 m的点是启 动摩擦 力矩 变 化 曲线 的重 要 拐点 游 隙 值小 于 5 m时 随游隙值的减小 对应的启动摩擦力矩整 体呈现明显的非线性上升趋势 图中横坐标游隙 值 的大小采用测夹球壁厚的方法 间接计算得 到 由于前述测量 方法 的局 限性 横坐标所标注 的游 隙值不一定准确 这是拐点 出现在游隙值为 5 m 而不是零点的原 因 但启动力矩随游隙变化的趋 向性可以很清晰地说明游隙与启动力矩之间的关 系 宣 rZ 一 一 迷 舒 幡 游隙值 m a 同一套轴承换钢球 0 7 o 6 o 5 o 4 0 3 0 2 0 1 0 0 0 1 游隙值 mm b 同规值 钢球 装入不同轴承 图 5 游 隙值与启动摩擦 力矩 的关系 方 案 2中 以 同一 规 值 的钢 球 合 套 2 0套 1 7 8 9 9 1 K M轴承 由于沟道尺寸差异而获得不同的 游隙值 测试的游隙与启 动摩擦力矩关系如图 5 b 所示 由于圆形偏差对于启动力矩 的影响较为 明 显 游隙计算 中综合考虑 了圆形偏差 对于游隙值 的影响并剔 除 总体趋势上来说 随着游 隙减小 启动摩擦力矩存在增加的趋势 但与图 5 a的递减 趋势相比 显然横坐标所标记 的游 隙变化量并 非 真实游隙变化量 整体 曲线 中波动性非常明显 并 且存在多个异常变化点 由此可判断计算的游 隙 值与实际游隙值之间存在较大差异 计算游隙值 中唯一大于零 的点的启动力矩小于其他 1 9组 的 0 5 O 5 O 5 O一 3 2 2 l 1 O 一 暑之 c 0 一 R糍靠f 臀翟 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 轴承 2 0 1 2 N o 8 启动力矩 因而可判断出其他 1 9套轴承均已带预 紧 为负游隙 影响到游隙计算 的关键 因素 中 沟 径与圆形偏 差因素 已经剔 除 影响游隙值最为直 接的因素即为沟道形状 依据 以上分析 进一步测量合套 的 2 0套轴承 的内 外圈沟道 弦长 以理论计算尺寸为基准值 大于弦长计算值 的偏差取为正值 小 于弦长计算 值 的偏差取为负值 每套轴承的内 外圈圆周方 向 上各取 6个点 共计 1 2个点 的弦长偏差的均值如 图 6 a所示 对 比图 6 a与图 5 b 两者图形变换趋 势正好相反 弦长偏差为正值 时 即沟道形状 张 开 启动摩擦力矩小 可判断出此时游隙的绝对 值小 在 1 9套带预紧的负游 隙轴 承中 弦长偏差 越大则启动摩擦力矩往下波动越显著 反之 当弦 长偏差为负值时 即沟道形状 收缩 启动摩擦 力矩小 可判断 出此时游隙的绝对值大 在 1 9套 带预紧的负游 隙轴 承中 弦长偏差越小则启动摩 擦力矩往上波动越显著 暑 鲁 趔 j j 垩 里 鲁 暑 i四 瓣 一 起 游 隙 值 ram b 沟心距 计算值 图 6 2 0套轴承的弦长偏差与沟心距 依据径 向偏 差 的均 值进一 步绘制 出沟道 形 状 可计算 出内外圈上 下沟道之间的沟心距如 图 6 b所示 图 6 b的计算值与 5 式之 间有较好 的 一 致 性 3 结束 语 四点接触球转盘轴承的沟道形状对转盘轴承 的游隙值影响显著 对于游隙大于零的转盘轴承来 说 沟道形状 主要影响其接触角 进而影响到载荷 分布状态 而对于游隙小于零 的转盘轴承 沟道形 状直接影响游隙值的大小 进而影响到启动力矩 因此 对于一些 有启动力矩指标要求 的工况 条件 由于沟道形状对负游 隙的显著影响 不适宜 采用切入磨工艺方法形成沟道 而适宜采用数控 硬车的方法来加工沟道 参考文献 1 陈龙 盖如有 夏新涛 单排四点接触球转盘轴承的 载荷分 布分析 J 哈尔滨 轴承 2 0 0 9 3 1 3 6 0 6 2 6 4 2 陈龙 杜宏武 王玲 等 风力发电机用轴承简述 J 轴承 2 0 0 8 1 2 4 5 5 0 3 陈龙 赵联春 夏新涛 等 变桨轴承载荷分布分析 J 轴承 2 0 1 0 1 1 4 9 4 陈龙 肖淼鑫 夏新涛 等 变桨轴承工况载荷计算与 分析 J 哈尔滨轴承 2 0 1 1 4 1 6 5 陈龙 左传伟 闫佳飞 等 4 2 C r M o钢点接触下许用 应力的试验研究 J 轴承 2 0 1 2 2 2 3 2 7 6 H a r r is T A R u m b a r g e r J H B u t t e r f i e l d C P Wi n d T u r b in e De s ig n Gu id e l in e DG 0 3 Ya w a n d P it c h Ro l l in g B e a r in g L i f e R U S A N R E L T P一5 0 0 4 2 3 6 2 2 0 09 7 徐立民 陈卓 回转支承 M 合肥 安徽科学技术出 版社 1 9 8 9 8 苏立樾 贺向阳 转盘轴承 的选型计算 J 轴承 2 0 0 3 4 6 9 9 苏立樾 苏健 转盘轴承静载荷承载曲线的创建 J 轴承 2 0 0 4 6 1 3 1 0 杜睿 吴志 军 单排 球式 回转 支 承 的承 载能 力分 析 J 机械设 计与制造 2 0 0 6 9 5 6 5 8 1 1 汪洪 陈原 转盘轴承承载能力及额定寿命的计算方 法 J 轴承 2 0 0 8 2 7 9 1 2 P r e b il I Z u p a n S L u c i P L o a d D i s t rib u t i o n o n t o R o l l i n g E l e m e n t s o f a R o t a t io n a l C o n n e c t i o n C P r o c o f t h e 3r d I nt e rna t io n a l Co n g r o n Air a n d St r u c t u r e Bo rn e S o u nd a n d Vibr a t io n Mo n t r e a l 1 9 94 1 9 4 9 1 95 6 1 3 A ma s o r r a i n J I S a g a r t z a z u X D a m ia n J L o a d D is t r ib u t io n i n a F o u r C o n t a c t P o in t S l e w in g B e a r i n g J Me c h a n is m a n d Ma c h ine The o r y 2 0 0 3 38 4 79 4 96 1 4 Z u p a n S P r e b il I C a r r y i n g A n g e l a n d C a r r y i n g C a p a c it y o f a La r g e S in g l e Ro w Ba l l Be a ri n g a s a Fu n c t io n o f Ge o me t ry Pa r a me t e r s o f t h e Ro l l in g Co nt a c t a n d t h e S up p o r t in g S t ruc t u r e S t i f f n e s s J Me c h a n i s m a n d Ma c h i n e T h e o r y 2 0 0 1 3 6 1 0 1 0 8 7 1 1 0 3 1 5 K u n c R P r e b i l I N u me ric a l D e t e r m in a t i o n o f C a r r y i n g C a p a c i t y o f L a r g e R o l l i n g B e a r in g s J J o u rnal o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y 2 0 0 4 1 5 5 1 5 6 1 6 9 6 1 7 03 1 6 K u n c R Z e r o v n ik A Z v o k e l j M N u me r ic al D e t e rmin a t io n o f t h e Ca r r y ing Ca p a c it y o f Ro l l in g Ro t a t io na l Co n n e c t i o n s J M a t e ria l s a n d T e c h n o l o g y 2 0 0 7 2 7 3 7 6 下转第 6 2页 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 6 2 轴承 2 0 1 2 N o 8 轴承 加快发展 目前严重依赖进 1 3的中高端轴承 产品 要致力于传统 中低端轴承 向高端轴承 的升 级 提升江苏轴承产 品在 国内和 国际市场上 的形 象 同时 要力促 江苏轴承产业结构优化 鼓励企 业兼并重组 战略联盟 做大做强 提高产业集 中 度 要瞄准航空 轨道交通设备 海洋工程及智能 制造装备等国家 战略性新兴产业开 展研 发工作 使江苏轴承产业真正从轴承生产大省变成拥有核 心技术 的轴承强省 5 2 2创 新驱 动战略 在实施轴 承工业 的创新驱动战略 中 要广 泛 融合信息技术和高新技术 加速利用 信息技术改 造传统产业的深度 广度和速度 提高设计研发的 效率和成功率 改变轴承装备制造业的生产模式 实现制造过程的自动化和柔性化 生态化 个性化 及多样化 5 2 3强化服务战略 制造业的发展离不 开生产性 服务 业的发展 江苏省轴承行业要 加快发展现代轴承服务业 提 高服务质量 积极 推动传 统 轴承 制造 业创 新经 营模式 改造业务 流程 大力发展 与轴 承制造业 密切相关 的各种生产性服务业 实 现由生产型制 造 向服务型制造 的转变 可 以根 据不 同的客 户要求 制定 不 同的质量标准 满 足个性 化 的轴 承需求 5 2 4 绿 色制造 战略 江苏轴承企业要积极发展高效节能型轴承产 品 为用户的节能减排提供支持 同时 轴承产 品 的设计和制 造要能够 体 现绿色 理念 高效 低污 染 资源可重复利用等 因素必须置于优先位置 要 发展轴承产 品再制造 坚持走绿色制造和循环 经 济的新型工业化道路 J 参考文献 1 张俊江 高端轴承装备制造业的发展机遇 J 轴承 2 0 1 1 1 2 5 9 6 3 2 吉智军 贾现召 王玉金 洛阳轴承产业集群问题研 究 J 轴承 2 0 0 8 1 1 4 3 4 6 3 江苏省统计年鉴 E B O L h t t p w w w j s s b g o v cn j s t j j s n j 2 0 1 0 t j n j h t m 4 江苏省制造业与现代物流业互动发展研究 J 江苏 商论 2 0 0 7 1 2 9一1 0 5 王惠清 江苏绿色装备制造业发展的政策环境探析 J 绿色科技 2 0 1 1 6 2 2 7 2 2 8 编辑 赵金 库 上接第 3 6页 1 7 P r e b i l I Z u p a n S L u ci P A d a p t i v e a n d V a r i a n t D e s i g n o f R o t a t io n a l C o n n e ct io n s J E n g in e e rin g w it h C o m p u t e r s 1 9 9 5 1 1 8 3 9 3 1 8 Z u p a n S K u n c R P r e b il I E x p e rim e n t a l D e t e r mi n a t io n o f Da ma g e t o Be a r ing Ra ce wa y s in Ro l l ing Ro t a t io n a l C o n n e ct i o n s J E x p e ri m e n t a l T e ch n iq u e s 2 0 0 6 3 0 2 3 1 3 6 1 9 M a cie j e w s k i J Q u al i t y A s s u r a n ce T e s t i n g o f a S l e w i n g B e a tin g J J o u r n a l o f F a i l u r e A n aly s is a n d P r e v e n t i o n 2 0 0 8 8 5 4 3 1 4 3 3 2 O 陈龙 张慧 邱明 等 转盘轴承螺栓连接特性分析 J 轴承 2 0 0 9 8 1 0 1 3 3 7 2 1 C h a ib Z D a i d i 6 A L e r a y D S cr e w B e h a v io r i n L a r g e Dia me t e r S l e win g B e a ri n g A s s e mb l ie s Nu me ri cal an d E