1、2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.026文献引用:张涛，赵利锋，顾家铭高速角接触球轴承中的冲击滑动研究 J 润滑与密封，2023，48(2):182189Cite as:ZHANG Tao，ZHAO Lifeng，GU Jiamingesearch on impact skidding in highspeed angular contact ball bearings J LubricationEngineering，20
2、23，48(2):182189*基金项目:科工局年度科研项目收稿日期:20211108;修回日期:20220105作者简介:张涛(1989)，男，博士，工程师，研究方向为滚动轴 承 动 力 学、摩 擦 磨 损 分 析。E mail:zhangtao5512 。高速角接触球轴承中的冲击滑动研究*张涛1，2赵利锋1，2顾家铭1，2(1.上海集优机械有限公司轴承技术中心上海 201108;2.上海天安轴承有限公司上海 201108)摘要:高速角接触球轴承中，球与保持架的碰撞会导致球与滚道的冲击滑动，从而引起滚道划伤和轴承早期失效。为探究球与保持架的冲击碰撞导致的瞬时滑动，以某高速角接触球轴承为研究对
3、象，通过对联合载荷下角接触球轴承的动力学仿真，分析了变速工况及保持架结构参数对球与保持架的冲击碰撞、球与滚道的冲击滑动以及零件磨损率的影响。结果发现，加减速及恒定转速下，球与保持架的运动呈现周期性变化;由于球进入和离开径向载荷区域时公转角速度的变化，球与保持架碰撞并导致球相对内、外圈滚道发生冲击滑动;为适应球公转角速度的变化，适当增大兜孔间隙，可以减小球与保持架兜孔碰撞力的大小和频率，从而减小球与滚道的冲击滑动以及保持架的磨损率。关键词:高速角接触球轴承;冲击滑动;动力学仿真;碰撞;磨损中图分类号:TH133.33esearch on Impact Skidding in Highspeed
4、AngularContact Ball BearingsZHANG Tao1，2ZHAO Lifeng1，2GU Jiaming1，2(1.PMC Bearing Technical Center，Shanghai 201108，China;2.Shanghai Tian An Bearing Co，Ltd，Shanghai 201108，China)Abstract:In highspeed angular contact ball bearings，the impact of the ball and the cage will cause the ball skiddingon the
5、raceway，which will cause the raceway to be scratched and the premature failure of the bearingIn order to explorethe instantaneous sliding caused by the impact of the ball and the cage，a highspeed angular contact ball bearing wastaken as the research objectThrough the dynamic simulation of angular co
6、ntact ball bearings under combined load，theeffects of variable speed conditions and cage structure parameters on the impaction between the ball and the cage，the im-pact skidding between the ball and the raceway，and the wear rate of the bearing parts were analyzedIt is found that themovement of the b
7、all and the cage presents periodic changes under the acceleration，deceleration and constant speedDue tothe change of revolution speed when the ball enters and leaves the radial load area，the ball collides with the cage and cau-ses the ball to slide relative to the inner and outer ring racewaysIn ord
8、er to adapt to the change of the ball revolutionspeed，appropriately increasing the cage pocket clearance can reduce the force and collision frequency between the ball andthe cage pocket，thereby reducing the impact skidding of the ball and the raceway and the wear rate of the cageKeywords:highspeed a
9、ngular contact ball bearing;impact skidding;dynamic simulation;collision;wear在航空发动机主轴、涡轮起动机等的转子系统中，对关键支撑部件滚动轴承的转速和寿命要求越来越高。高速轴承中滚动体打滑是影响轴承动态性能和工作寿命的重要因素之一。在高速轻载、联合载荷及时变工况下的轴承中经常出现滚动体打滑。打滑会导致摩擦发热和磨损，发热使轴承及润滑油温度剧增，局部高温破坏润滑油膜，油膜破裂导致磨损加剧，从而导致轴承旋转精度降低，诱发振动噪声，使轴承在早于疲劳剥落前失效1。球轴承中球与滚道的滑动包括陀螺滑动、自旋滑动、差动滑动(局部)
10、及拖动滑动(整体)，而通常所说的轴承打滑是指由于滚动体滑动速度分量增大导致其滚动速度低于理论值，一般利用滚动体或保持架的打滑率来表示轴承打滑程度23。轴承实际运转中往往同时存在几种滑动模式，高速工况下由于离心力和陀螺力矩明显增大，使球的运动更为复杂。随着滚动轴承力学分析模型的发展，高速球轴承的打滑问题研究不断深入。JONES4 以轴承拟静力学模型为基础，基于套圈控制假设，研究了推力载荷下球的接触角、载荷和力矩以及球的滚动轴线方向等性能参数，并定义了球轴承不发生陀螺滑动的推力载荷阈值。随后，HAIS5 和 WALTES6 采用简化的弹性流体动力牵引模型，对 Jones 理论模型进行修正使之更接近
11、实际工况，并通过解析方法分析滚动体的打滑率。BONESS7 通过对不同工况的计算机模拟，建立了轴承系统最小载荷要求的通用表达式。当所施加的轴承载荷不足以在滚道和滚动体之间产生足够的弹性流体动力牵引力，以克服保持架阻力、搅动损失并防止陀螺旋转时，就会发生打滑。以上分析方法都是基于常规的准静态力平衡方法，只适用于推力载荷下陀螺打滑和拖动打滑分析。然而，在联合载荷及时变工况下，球在转动过程中接触角、载荷及角速度动态变化，球的打滑具有时变性，这时就要以动力学模型为基础进行研究。GUPTA89 建立了轴承各零件具有 6 个自由度的广义运动微分方程，通过数值积分可以获得零件的瞬态运动特性。这些方程可以与任
12、意牵引滑动模型和初始条件集成，可以预测给定工况和润滑剂牵引曲线下球的各种滑动和磨损率，从而建立打滑引起的磨损与施加的载荷之间的关系，由此可以确定防止轴承打滑所需要的预紧力。但是 GUPTA 的动力学模型过于复杂，不便于工程应用。JAIN、HUNT3，10 提出了一个简化动力学模型，考虑了陀螺力矩、离心效应及弹流润滑牵引性能的影响;分别研究了角接触球轴承在纯轴向载荷、轴向径向联合载荷及变速工况下滚动体的打滑机制，讨论了纯轴向载荷下的陀螺滑动和拖动滑动，联合载荷下滚动体进入和离开径向载荷区的瞬时滑动，以及变速工况下的整体滑动;通过公式推导给出了不同工况下轴承打滑临界载荷的计算公式。尽管公式推导中做
13、了许多假设，但其系统的研究也获得了一些有益的结果，为工程应用提供了有价值的参考。国内早期主要基于拟动力学方法研究航空高速球轴承的打滑1112，并根据滚动体和保持架的打滑率确定临界预紧载荷。近年来，随着滚动轴承动力学模型的发展，对滚动体的瞬态打滑特性研究也取得了重要进展。涂文兵等1，13 建立了滚动体变载荷和变转速工况下的打滑动力学模型，研究了滚动体进入和离开承载区时的打滑和瞬态运动行为，其动力学模型中各零件仅限于轴承径向平面内运动，滚动体只有自转和公转两个方向自由度，且未考虑润滑剂拖动性能的影响。韩勤锴等1415 基于 Euler 方程建立了能够预测滚动体打滑行为的空间三维非线性动力力学模型，
14、分析了轴向径向联合载荷作用下，球的滑动速度随时间和空间的变化规律，结果表明径向载荷的引入使得滚动体的打滑速度出现波动，提高径向载荷，将显著增加打滑速度波动的幅值和范围。王云龙等16 建立了角接触球轴承转子系统的动力学分析模型，研究了润滑剂黏度、保持架引导方式和轴向预紧力对轴承启动加速和停止减速过程中滚动体打滑的影响。但其模型中对球与保持架的相互作用进行了简化。张东光和牛蔺楷17 基于 Gupta 模型建立了考虑保持架效应及沟道表面波纹度的动力学分析模型，分析了表面波纹度波数和幅值对保持架打滑率的影响。袁倩倩等18 建立了考虑轴承保持架兜孔和滚动体润滑状态和碰撞过程的保持架动力学模型，分析了轴承
15、工况及引导兜孔间隙比对保持架打滑率的影响。但是该研究没有考虑保持架间隙对滚动体瞬时冲击打滑的影响。综上所述，目前对于联合载荷下滚动体进入和离开承载区时的打滑以及变速工况下球与滚道的拖动打滑已有不少研究，但是对于球与保持架的冲击碰撞导致的瞬时滑动研究还比较少。在联合载荷工况下，球在不同角位置处的接触角不同，球的公转速度呈周期性变化，而保持架的速度是所有球公转速度的平均值，受保持架兜孔间隙的限制，球与保持架会发生频繁碰撞，从而引起球与滚道的冲击滑动。因此，本文作者将以动力学模型为基础，以某高速角接触球轴承为研究对象，探究轴向径向联合载荷作用下，保持架兜孔间隙对滚动体冲击滑动的影响，从而为优化保持架
16、结构设计和提高轴承动态性能提供理论依据。1角接触球轴承动力学模型根据 GUPTA9 滚动轴承动力学建模方法，建立了高速角接触球轴承动力学模型。模型中假定轴承组件的质心与其几何中心重合;球和保持架具有 6 个自由度，外圈质心固定，内圈质心具有 3 个自由度，且内外圈均可绕其轴线转动。由轴承组件的质心运动方程和动量矩方程，并与运动学方程联立，通过变步长四阶 ungeKutta 方法求解，即可描述轴承组件的一般运动规律。球与保持架的相互作用模型及球与滚道的润滑拖动模型简要介绍如下，详细建模过程及模型3812023 年第 2 期张涛等:高速角接触球轴承中的冲击滑动研究验证参见文献 1920。1.1球与保持架的相互作用模型球与保持架的相互作用示意图如图 1 所示。球与保持架兜孔之间不考虑流体动压作用，由 Hertz 接触理论计算法向力，Coulomb 摩擦定律计算切向力。图 1球与保持架兜孔的相互作用示意Fig.1Schematic of the interaction betweenthe ball and the cage pocket图 1 中，OiXiYiZi为惯性坐标系，OpXpYpZ