基于抑制滚子歪斜的高速圆柱滚子轴承设计

赵燕,毕明龙,石东丹

(中国航发哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150025)

随着我国航空发动机技术的发展，为提高发动机的性能和功重比，涡轴发动机主轴轴承的dm·n值已达到2.3×106mm·r/min，目前最高需求已达到3.5×106mm·r/min[1]。航空发动机主轴轴承多为圆柱滚子轴承[2-5]，由于高速性能的要求，转子重量较轻及动平衡精度较高，常规滚动轴承的疲劳剥落失效已不是该类轴承失效的主因，其损坏的主要形式多为滚子打滑或歪斜造成的表面损伤。针对该问题，进行基于抑制滚子歪斜的高速圆柱滚子轴承设计。

1 滚子歪斜的危害及原因

1.1 滚子歪斜的危害

航空涡轮轴发动机用高速圆柱滚子轴承多在高速、轻载工况下工作，典型结构如图1所示，工作过程中承载区的滚子由于内、外圈的限位作用，运动状态相对稳定，而非承载区的滚子由于失去了内、外圈的限制，滚子在沿滚道运行时会出现歪斜(图2)。

图1 圆柱滚子轴承结构图Fig.1 Structure diagram of cylindrical roller bearing

图2 滚子在滚道中的歪斜运动Fig.2 Skew movement of roller in raceway

滚子歪斜是一种不规则转动，高速工况下滚子扭摆程度将更大，歪斜导致的不稳定运转会使滚子端面与挡边之间频繁接触，从而导致不同程度的磨损[1]，如图3—图4所示，严重时会发生磨损断裂故障。

图3 挡边磨损局部放大图Fig.3 Partial enlargement of rib wear

图4 滚子边缘磨损放大图Fig.4 Enlargement of roller edge wear

1.2 滚子歪斜的原因

1)由于装配不当或轴在载荷作用下弯曲所引起的滚子不对中歪斜(或称倾斜)。当滚子不对中歪斜很小时(β<3′)，滚子歪斜可用带圆弧的凸度滚子来消减，一定凸度量可确保滚子在运转过程中有较好的调心作用。但滚子不对中歪斜较大时，需增大滚子的圆弧凸度值，当圆弧凸度超过0.02 mm时，对纠正歪斜不再有显著作用，此外凸度过大时，滚子局部接触应力增大，轴承疲劳强度会降低。

2)滚子自身不平衡引起的旋转歪斜(图5),主要原因有滚子倒角不对称,跳动公差大,倒角半径相对滚子外径错位较大,圆弧外形与滚子轴线偏移,滚子端面与滚子外径的垂直性不佳等，使滚子形心与质心不一致，从而引起滚子旋转歪斜。

图5 旋转歪斜示意图Fig.5 Diagram of rotating skew

2 改进设计

轴承轴向载荷及滚子自身不平衡会导致滚子歪斜，并由此产生滚子的轴向力，该轴向力需套圈挡边承受，滚子倒角半径和滚子端面交界处将与套圈挡边的尖边部位接触(图6)。为减小接触点处的摩擦和避免磨损，必须减小接触面，设计挡边面和端面形成一定的倾角，通常称负背角(图7中的γ)，并适当控制挡边高度。此外，负背角的存在也有利于在滚子和挡边之间形成楔形油膜，同时可起到限制滚子的歪斜角度或抑制歪斜的作用。对于中小型圆柱滚子轴承，其负背角一般选取10′～45′。

图6 挡边尖边与滚子端部接触示意图Fig.6 Diagram of contact between sharp edge of rib and end of roller

图7 带负背角挡边与滚子的接触位置Fig.7 Contact position between rib with negative back angle and roller

轴承设计过程中，2个挡边和滚子端部之间的间隙应尽可能小，但要充分考虑滚子的不均匀热膨胀，滚子端面对圆柱表面的不垂直度及薄壁圆柱滚子轴承由于拧紧力造成的轴承挡边变形，若挡边间隙过大，滚子歪斜会较大，会加剧轴承磨损。挡边间隙一般取0.020～0.048 mm。

3 理论分析

在轴承实际运行过程中，在承载区滚子与内、外圈滚道同时接触，在非承载区滚子在2个最大歪斜角β之间摆动，β由滚子端面和引导挡边之间的接触点决定，滚子在套圈滚道中的位置及歪斜状态如图8所示，挡边高度、挡边间隙、负背角及滚子歪斜角之间的关系为

图8 滚子位置示意图Fig.8 Position diagram of roller

L1=L+a+2htanγ，

(1)

(2)

式中：L1为滚道宽度；L为滚子长度；a为挡边间隙；h为挡边高度；γ为负背角；Dw为滚子直径；β为滚子歪斜角。

联立(1)，(2)式及实际验证得到了挡边高度系数h/Dw、歪斜角β、负背角γ及挡边间隙a的关系，如图9、图10所示。对于垂直于滚道表面的引导挡边，挡边负背角γ=0°。即使把滚子端部间隙减小到不切合实际和危险的程度，挡边高度仍然很大，负背角在10′～40′时，挡边高度更符合实际情况。

图9 歪斜角与挡边间隙、负背角关系Fig.9 Relationship among skew angle,rib clearance and negative back angle

图10 挡边高度系数与挡边间隙、歪斜角关系Fig.10 Relationship among rib height coefficient,rib clearance and skew angle

4 应用实例

以某航空发动机主轴用圆柱滚子轴承为例，其主要结构参数：外径为59 mm，内径为35 mm,滚子长度为5 mm，滚子直径为5 mm。轴承最高转速为57 000 r/min，工作过程中滚子极易发生歪斜，考虑到滚子长度相互差、垂直差、挡边跳动及安装紧度造成的挡边变形等因素，将挡边间隙设计为0.020～0.048 mm，负背角设计为10′～30′，挡边高度系数h/Dw应不大于为0.35。

滚子歪斜角及挡边高度系数范围如图11、图12所示，由图可知：歪斜角在0.32°～0.7°之间，挡边高度系数h/Dw在0.15～0.32之间。轴承所需挡边高度系数h/Dw为0.32，小于0.35，滚子与挡边不会发生边缘接触。通过前期2 000 h性能试验与500 h发动机试验，滚子端面未发现磨损，轴承设计合理，性能满足要求。

图11 滚子歪斜角极限范围Fig.11 Limit range of roller skew angle

图12 挡边高度系数范围Fig.12 Range of rib height coefficient