转速及结构参数对塑料保持架变形的影响

汤强，李野腾，尹延经，朱永生，闫柯

(1.西安交通大学，西安 710049；2.现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室，西安 710049；3.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；4.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039)

保持架作为滚动轴承的关键零件，在轴承运行过程中起分隔滚动体并引导滚动体运动的作用。随轴承转速和载荷工况要求越来越高，保持架材料更加丰富。其中，塑料保持架摩擦因数低，发热少，具有较好的强度、韧性以及良好的尺寸稳定性，还具有嵌埋固体异物的能力，在电动机高速精密深沟球轴承中得到了广泛应用[1]。但高速球轴承塑料保持架在高速工况易出现脱落的风险，主要原因为：1)高速离心力会引起保持架兜孔锁口的扩张，从而降低其对球的约束能力；2)保持架与球之间的频繁碰撞可能会引起保持架共振[2]，导致保持架兜孔锁口处产生过大变形，使其与球分离，失去对球的引导作用，引起轴承失效。故有必要对塑料保持架的变形进行分析。

一般采用数值计算以及有限元分析保持架特性。数值计算通常用于保持架运动分析：文献[3]建立圆柱滚子轴承动力学微分方程，采用数值计算对保持架动力学特性进行分析，结果表明过大的保持架间隙比会影响保持架的稳定运转；文献[4]基于刚性套圈假设建立轴承内部变形关系，利用数值计算分析了轴承启动过程中保持架的打滑及力学特性，结果表明轴承启动过程中滚子自转转速抖动上升且打滑明显。数值计算中可考虑的作用力较多，但难以进行复杂结构保持架的变形分析。有限元是进行保持架变形及应力分析的有效方法:文献[5]基于有限元与显式动力学理论，分析了不同加载状态下滚子轴承保持架的动态响应及应力状态，结果表明保持架速度存在波动及启动过程中保持架应力波动较大；文献[6]基于ABAQUS对保持架进行有限元分析，结果表明保持架兜孔为受力薄弱点。有限元方法在复杂结构保持架分析方面优势突出，特别适用于保持架受力和变形的分析[7-8]，利用有限元分析保持架的结构特性逐渐成为一种高效且可靠的方法[9-11]。

针对高速状态下塑料保持架的脱落问题，以2种结构不同的塑料保持架为研究对象，结合有限元仿真和试验，分析结构特征对塑料保持架变形的影响。

1 塑料保持架有限元模型

所分析的2种保持架(图1)主要结构参数见表1，2种保持架主要存在以下区别：1)锁口部分的侧切结构，保持架B锁口外侧存在环形切除；2)侧梁部分的减重凹槽，保持架A为矩形放样槽，保持架B采用了体积更大的凹槽结构；3)侧梁宽度，保持架A较大，保持架B较小。

(a)保持架A

表1 2种塑料保持架主要结构参数

由于主要分析保持架结构对其变形的影响，2种保持架均采用适用于高速、抗化学性或高温等苛刻工况的玻璃纤维增强聚醚醚酮(PEEK)材料，最高工作温度可达250 ℃，高转速下可达150 ℃，材料参数为：密度1.38 g/cm3,弹性模量3.8 GPa,泊松比0.28。保持架A，B质量分别为为2.73，1.04 g。

保持架尺寸较小，曲面及尖角较多，采用常规的三维扫描方法重建模型较难，且精度较低。在此通过测量保持架关键尺寸完成模型重建，如图2所示。

(a)保持架A

对保持架模型进行网格划分，建立其有限元模型。为得到较好的网格质量，采用六面体主导的方法，确保网格尺寸不影响模型收敛精度，设置网格尺寸为0.5 mm，最终完成网格划分，如图3所示。保持架A包含129 298个节点，34 347个单元，保持架B包含74 737个节点，21 927个单元。

(a)保持架A

考虑轴承转速为0～20 000 r/min时，保持架在离心力作用下的变形，对保持架施加相应范围的转速。由于保持架在实际运动中为浮动状态，不存在确切的约束，在仿真中对保持架施加的各种点、面、体性质的约束都会影响保持架实际变形，可以采用ANSYS Workbench中的弱弹簧(Week Springs)约束，程序在计算时会自动判断模型边界条件，若出现约束不足或模型存在运动不确定性时，程序会自动给模型添加一些刚度极小的弹簧，以防止模型产生刚体位移，确保计算准确并保证收敛性。

采用弱弹簧约束，当模型变形量与其几何尺寸相差较大时，可设置大变形(Large Deflection)条件，此时模型求解变为几何非线性问题，需迭代计算，每次迭代会根据模型新的几何尺寸重新计算刚度矩阵以提高计算精度，故通过结合弱弹簧和大变形的方法实现对保持架运动的约束。

2 试验验证

为确保保持架仿真模型的可靠性和准确性，需进行试验验证，试验台如图4所示，保持架安装在芯轴上，芯轴通过BT40刀柄机构夹持于支承轴上，并由最高转速20 000 r/min的电主轴驱动以实现不同转速下的试验。保持架变形采用Phantom Miro M310高速相机(像素尺寸为750×500，最高拍摄帧率为3 200 FPS)拍摄，并采用相机自带的PCC测量软件计算获得。

图4 试验台架示意图

高速相机拍摄的保持架运动照片如图5所示，由于高速旋转时保持架兜孔尺寸绝对值难以精确测量，故以芯轴的轴肩尺寸作为高速相机标定的基准，利用相机PCC软件计算不同转速下保持架的径向变形。2种保持架径向变形的仿真和试验结果如图6所示：实测值与仿真值基本吻合，说明了仿真模型的正确性。

图5 保持架运动照片

图6 保持架径向变形曲线

3 保持架变形的仿真分析

基于有限元模型分析转速及保持架结构对保持架变形的影响。

3.1 转速对保持架变形的影响

以保持架兜孔外圆周面锁口外沿尺寸(图7)为指标，施加转速后，在离心力作用下保持架锁口处的变形如图8所示，保持架兜孔锁口变形均呈喇叭口状，且保持架B的变形量明显大于保持架A。

(a)保持架A

(a)保持架A

通过多组仿真得到不同转速下2种保持架锁口的变形如图9所示：1)随保持架转速升高，2种保持架兜孔锁口的变形量均增大，保持架B变形量大于保持架A；2)当转速达到20 000 r/min时，保持架A，B锁口的变形量分别为0.186 1，0.677 9 mm，说明保持架A的刚度比保持架B好。这是由于保持架B采用了较多的镂空和切割设计，质量较轻，降低了保持架在旋转过程中的离心力，但也导致保持架B整体刚度减小，使保持架变形增大。

图9 保持架兜孔锁口变形量随转速的变化曲线

与金属材料保持架相比，塑料保持架具有密度小，质量轻的特点，缺点在于强度较低，易产生变形。故要提升塑料保持架使用性能(如工作转速)，应重点考虑其结构刚度，在保证刚度的同时，降低质量以减少离心力的影响。

3.2 保持架结构对其变形的影响

3.2.1 侧切结构

保持架B侧梁存在一个为减轻质量进行切除的部分，如图10所示。当转速为20 000 r/min时，保持架侧切前后的变形如图11所示：保持架侧切结构补全前后测点(保持架锁口内沿的2个顶点)变形量分别为0.695 6，1.096 0 mm。这与预期的补全侧切提高保持架刚度不符，说明保持架B侧切不是影响其刚度的主要原因。

(a)侧切前

(a)改进前

对比图11a、图11b发现，侧切补全后保持架总变形量增大，保持架变形呈喇叭口状。与保持架A相比，推测是保持架侧梁宽度及侧梁部分的减重凹槽影响了其刚度。

3.2.2 减重凹槽

将保持架减重凹槽的尺寸缩小为弧长8 mm、宽1.2 mm的矩形放样槽，如图12所示。当转速为20 000 r/min时，改进前后保持架B锁口变形量分别为0.695 6，0.631 5 mm，改进后的保持架变形量减小，但变化量较小，说明减重凹槽对保持架刚度和变形影响较小，如图13所示。

(a)改进前

(a)改进前

3.2.3 侧梁宽度

保持架A，B侧梁宽度分别为2.40， 1.15 mm，增大保持架B侧梁宽度，如图14所示，当转速为20 000 r/min时保持架B锁口变形量随侧梁宽度增加量的变化如图15所示：随保持架侧梁宽度增大，其锁口变形量明显减小；在保持架侧梁宽度增大1 mm后，其锁口变形量由0.695 6 mm减小至0.254 8 mm，说明保持架侧梁宽度对其结构刚度影响较大。

(a)改进前

图15 保持架B锁口变形量随其侧梁宽度增加量的变化曲线

3.2.4 小结

补全侧切后保持架变形量增大，推测其原因为锁口部分的质量增大后，其喇叭口膨胀更加明显，变形增大，说明保持架B锁口侧切结构不是导致其整体刚度减小的原因。对于侧梁部分，缩小减重凹槽尺寸以及增大侧梁宽度均可减小锁口变形量，前者效果不明显，后者效果显著，故保持架B的侧梁宽度是影响其整体刚度及变形的主要因素。

4 结论

针对高速工况下球轴承塑料保持架易脱落的问题，对2种同型号不同结构的保持架进行三维重建，分析了2种保持架在不同转速下的变形情况，以及结构特性对塑料保持架变形的影响，得到以下结论：

1)保持架B受离心力作用时的变形量更大,相同转速下保持架B的兜孔锁口变形量约为保持架A的3.5倍。尽管保持架B质量比保持架A轻，但较多的镂空和切割设计也导致其结构强度损失过多。

2)保持架侧梁宽度对兜孔变形影响较大，保持架B侧梁宽度增大1 mm，兜孔变形量明显减小(约63%)。侧梁宽度是影响保持架变形的主要因素。