保持架对低温工况全陶瓷球轴承振动特性的影响

夏忠贤,吴玉厚,包志刚,范永中,闫海鹏,孙 健

(1.沈阳建筑大学 机械工程学院,沈阳 110168;2.宏德新材料科技(葫芦岛)股份有限公司,辽宁 葫芦岛 125000;3.河北科技大学 机械工程学院,石家庄 050018)

随着航天及空间技术的不断发展,一些深冷工况对轴承的服役性能提出了更加严苛的要求,传统的钢轴承已不能充分满足要求。热等静压氮化硅具有低密度、高强度、高硬度、耐磨损、耐高/低温及自润滑性好等作为轴承材料的优良特性,是目前被认为最适合用来制造高性能滚动轴承的陶瓷材料,尤其是要求在极端温度环境下服役的应用领域[1]。在上述工况下服役的轴承,常规的润滑油或润滑脂已不再适用,只能通过保持架提供的转移膜进行润滑,愈来愈需要提高其自身的稳定性及服役寿命[2]。同时,由于工作环境温度变化较大,轴承各组件均会产生不同程度的变形,导致轴承内部接触状态的变化,引发轴承动态特性特别是振动特性的变化,进而影响轴承服役性能与寿命[3]。在全陶瓷轴承中,保持架通常选用胶木、工程塑料等材料,相比于内、外套圈及滚动体,保持架易成为薄弱环节提前失效,进而导致轴承甚至设备失效。因此,开展保持架对低温工况下全陶瓷球轴承振动特性的研究具有重要的工程意义。

在轴承服役性能方面,研究者们已经开展了大量的研究工作。轴承振动方面,赵联春等[4]研究了载荷对轴承振动特性的影响,结果表明轴承弹性接触振动的固有频率随轴向载荷的增大而升高,并且升高的幅度逐渐变小。温保岗等[5]研究了保持架间隙对角接触球轴承振动特性的影响,结果表明峭度系数随着保持架引导间隙的增大而减小,随着保持架兜孔间隙的增大而增大。动力学方面,邓四二等[6-7]基于Adams系统对高速角接触球轴承保持架进行了柔体动力学分析,研究了刚性和柔性保持架的质心运动轨迹,结果表明相比于刚性保持架,柔性保持架能够使轴承运行更平稳。Bai等[8]在全陶瓷轴承非线性动力学模型中考虑了球径差的影响,以声压级和峰值指向性角作为评价指标研究了辐射噪声的周向分布。结果表明,球径差对全陶瓷轴承的声辐射有显著影响,且影响随转速增大而增大。Wu等[9]考虑非线性接触刚度和阻尼,建立了陶瓷球轴承振动微分方程,开展了陶瓷轴承辐射噪声研究。结果表明,轴承噪声由各组件特征频率处的噪声分量组成,旋转频率是噪声的主要来源。姚廷强等[10]建立了考虑滚动体、套圈和保持架弹性变形与动态接触关系的多体动力学模型,分析了不同引导间隙、转速及径向载荷等工况下轴承的动力学性能。结果表明,运动速度的变化对保持架动态特性的影响较大。其他方面,润滑[11]、载荷[12]、外圈与滚珠缺陷[13]等对轴承性能的影响以及轴承振动信号监测[14]等也得到了广泛的研究。

综上所述,研究者们已经在轴承振动特性及服役性能方面进行了深入的研究工作,并且得到诸多有价值的结果。但现有的研究大多是在传统工况下开展的,涉及低温、无油润滑等工况的相对较少,虽然也有低温环境下滚动轴承保持架动态特性的试验研究[15-16],但其研究对象为钢轴承,且主要研究保持架间隙及不平衡量等结构参数的影响,而对于低温工况下不同保持架材料对全陶瓷球轴承振动特性影响的研究甚少。基于上述研究基础,选用胶木、聚合物基复合材料(PEEK-PVX,含70%聚醚醚酮、10%聚四氟乙烯、10%碳纤维与10%石墨)、碳纤维复合材料三种保持架,开展低温工况下保持架对氮化硅(Si3N4)全陶瓷球轴承振动特性影响的研究,研究结果对于全陶瓷球轴承低温工况下保持架的选取具有一定的参考价值。

1 保持架受力分析

1.1 陶瓷球与保持架的作用力分析

由于陶瓷球与保持架材料的热膨胀系数相差较大,当工作温度变化较大时,陶瓷球变形量较小,可以忽略不计,但保持架兜孔受温变影响较大,导致兜孔间隙发生变化,改变陶瓷球与保持架之间的冲击与碰撞作用,保持架变形示意图如图1所示。图1中:Dp0、B0、h0分别为热变形前保持架的兜孔直径、宽度与厚度;Dp1、B1、h1分别为热变形后保持架的兜孔直径、宽度与厚度。考虑低温工况下保持架兜孔间隙变化引发的碰撞作用,利用保持架兜孔坐标系Opj-XpjYpjZpj来计算陶瓷球与保持架兜孔之间的冲击与摩擦。任一角位置φj处陶瓷球与保持架之间的作用力,如图2所示。图2中:Opj为保持架兜孔中心;Ypj,Zpj分别为保持架的径向和圆周方向;Cp为陶瓷球在兜孔中的间隙量。Cp由下式计算

(1)

图1 保持架变形示意图

图2 陶瓷球与保持架之间的作用力

式中:Dp为兜孔直径;Dw为陶瓷球直径。

设定基准温度为T0,工作温度为T,则工作温差为ΔT=T-T0。工作温度变化时,陶瓷球变形量很小,可忽略不计。保持架兜孔的变形近似于自由膨胀,可表示为

δp(T)=αcΔT

(2)

式中,αc为保持架材料的热膨胀系数。所以,变形后的保持架兜孔直径为

Dp1=Dp0-δp(T)=Dp0-αpΔT

(3)

式中,δcj为陶瓷球与保持架兜孔之间的接触变形。由图2可知,只有当δcj>0时,陶瓷球才与保持架发生接触;反之,二者不接触。考虑保持架的兜孔间隙,第j个陶瓷球与保持架兜孔之间的接触变形[17]为

(4)

(5)

根据Hertz点接触理论,第j个陶瓷球与保持架兜孔之间的非线性接触受力为

(6)

式中:Kc为陶瓷球与保持架兜孔之间的等效接触刚度系数;n为滚动体与内、外圈滚道之间的接触系数,对于球轴承,n取1.5;C为保持架兜孔与陶瓷球之间接触时的阻尼系数;vcj为接触点法向相对速度。因此,陶瓷球与保持架兜孔之间的作用产生的摩擦力可以由库仑摩擦力模型计算,表示为

Pξj=μcQcj

(7)

式中,μc为陶瓷球与兜孔之间的摩擦因数。

1.2 保持架与引导套圈的作用力分析

在低温工况下,相比于陶瓷材料,保持架材料的热膨胀系数较大,随着工作温度的降低,保持架将产生不同程度的收缩,引导间隙随之发生改变。根据保持架和引导套圈的几何特点,考虑温变特性导致的引导间隙变化的保持架与引导套圈之间的作用力如图3所示。

图3 保持架与引导套圈之间的作用力

(8)

式中,yc与zc分别为保持架沿OY、OZ方向的位移。则当ec满足式(9)时,可以视为保持架与引导套圈接触,否则视为保持架与引导套圈未接触。

(9)

式中,δ为保持架与引导套圈之间的引导间隙。可表示为

δ(T)=δ0+δc-δe

(10)

式中:δ0为初始配合间隙;δc为保持架变形量;δe为套圈变形量。

由于相对于保持架而言,陶瓷套圈热膨胀系数较小,忽略δe的影响,保持架的热变形近似为自由膨胀,可表示为

δc(T)=αcΔT

(11)

当保持架的位置满足式(9)时,引导套圈与保持架之间的压力和摩擦力为[18]

(12)

(13)

2 试验过程

试验在无尘环境下进行,环境湿度≤75%。试验所用轴承型号为7009C Si3N4全陶瓷球轴承(轴承内、外套圈及滚动体材料均为Si3N4),测试轴承材料属性及结构参数如表1和表2所示,试验轴承及设备如图4所示。该试验机为卧式安装低温轴承性能寿命试验机,主要由低温试验腔、轴向加载系统、径向加载系统、试验轴系、液氮低温环境系统、力传感器、温度传感器、振动传感器及控制系统等部分组成。主要试验参数为:试验轴承外径30～200 mm,内径10～170 mm,宽度10～30 mm;轴承试验环境温度最低可达77 K,长时保持精度为±2 K;试验轴承径向加载范围100～30 000 N,轴向加载范围50～10 000 N;主轴最高转速30 000 r/min。

表1 测试轴承材料属性

表2 测试轴承结构参数

(a) 试验轴承

试验过程如下:将更换了不同保持架材料的Si3N4全陶瓷球轴承安装于低温轴承试验台中,启动试验台使轴承在试验工况下平稳运行10 min,目的是保证轴承的发热速度与散热速度达到动态平衡且稳定,然后进行信号采集与分析。

3 结果与分析

3.1 不同材料保持架受力分析

全陶瓷球轴承在转速1 800 r/min,轴向力500 N,兜孔间隙0.1 mm,引导间隙0.2 mm,试验温度200 K条件下,对三种材料保持架与陶瓷球及引导套圈之间的作用力进行分析。

3.1.1 保持架兜孔与陶瓷球之间的作用力

保持架兜孔与陶瓷球之间的作用力如图5所示。从图5可以看出,对于三种材料保持架而言,对保持架兜孔与陶瓷球之间作用力贡献较大的频率成分均包括:保持架特征频率fc,陶瓷球特征频率的倍频7fb、10fb,内圈特征频率的倍频3fi、5fi以及轴承转动频率的倍频3fr、7fr等。同时,也发现了保持架与内圈耦合的特征频率成分(4fc+4fi)。对比三种材料保持架的受力情况可以发现,胶木保持架受力相对最大,其次为PEEK-PVX保持架,碳纤维保持架受力相对最小。

(a) 胶木保持架

3.1.2 保持架与引导套圈之间的作用力

保持架与引导套圈之间的作用力如图6所示。从图6可以看出,对保持架与引导套圈之间作用力贡献较大的频率成分为保持架特征频率fc与内圈特征频率的倍频3fi,除此之外,陶瓷球特征频率的倍频10fb、12fb,内圈特征频率的倍频6fi,轴承转动频率的倍频6fr、7fr以及保持架与内圈耦合的特征频率成分 (4fi+4fc) 也有一定的贡献。上述结果表明,保持架的受力是轴承内部组件之间随机相互作用的结果,对保持架动态特性有显著影响。

(a) 胶木保持架

3.2 不同材料保持架振动特性分析

不同材料保持架振动特性如图7所示,试验工况与3.1节一致。从图7可以看出,对保持架振动速度贡献较大的频率成分为保持架特征频率fc,陶瓷球特征频率的倍频10fb以及保持架与内圈耦合的特征频率成分 (4fi+4fc)。此外,轴承转动频率的倍频3fr、6fr,陶瓷球特征频率的倍频4fb以及内圈特征频率的倍频5fi也有一定的贡献。文献[20]开展了低温轴承保持架故障特征辨识相关研究,也得到了类似的结论。

(a) 胶木保持架

对比图5、图6及图7可以发现,保持架的振动特性与其受力状态的贡献特征频率类似,表明保持架振动与其受力状态相互影响,二者具有很强的相关性。

3.3 轴向载荷对振动特性的影响

3.3.1 轴向载荷对振动速度的影响

图8为主轴转速1 800 r/min,试验温度253 K时,不同轴向载荷作用下的轴承振动速度变化情况。

图8 不同轴向载荷下振动速度变化情况

从图8可以看出,装有PEEK-PVX保持架的全陶瓷球轴承随着轴向载荷的增大,振动速度在1.3～1.9 mm/s变化,整体呈现出下降的趋势。这是由于随着轴向载荷的增大,一方面外力对轴承起到一定的预紧作用,对保持架滑移的抑制作用增加,减少了保持架与陶瓷球及引导套圈之间的脉冲碰撞频率;另一方面,保持架材料低温收缩,兜孔间隙减小,抑制了陶瓷球的不规则运动,因此轴承振动总体呈现下降趋势。装有胶木保持架的全陶瓷球轴承随着轴向载荷的增大,振动速度在1.5～2.1 mm/s变化,振动速度呈现出先下降后上升的趋势,轴向载荷为80 N时振动速度最小。这是由于在轴向载荷增加过程中,同样先对保持架滑移起到一定的抑制作用,使振动速度降低,而随着轴向载荷的进一步增大,由于胶木材料自润滑性能较差,在低温、无油润滑工况下,陶瓷球与内、外套圈的挤压与摩擦作用明显,导致振动速度增大。装有碳纤维保持架的全陶瓷球轴承随着轴向载荷的增大,振动速度在2.7～3.1 mm/s变化,呈现出先下降再上升最后下降的波动趋势,最小振动速度亦出现在轴向载荷为80 N工况下,总体高于PEEK-PVX和胶木保持架,这与图7的结果是一致的。但由于碳纤维中含有大量润滑性能优异的石墨,改善了全陶瓷球轴承低温工况下的润滑状态,因此振动速度变化幅度最小。试验结果表明,对于上述工况下工作的全陶瓷球轴承,轴向预紧力设置为80 N时轴承的振动特性较优。

3.3.2 轴向载荷对振动峭度的影响

峭度指标K是反映随机变量分布特性的一种数值统计量,是一个4阶累积量。它可以更好地反映出轴承振动产生的大幅值脉冲信号,对诊断滚动轴承的故障作用极其重要,其计算公式为

(14)

图9为不同轴向载荷下Si3N4全陶瓷球轴承的振动峭度变化情况。从图9可以看出,装有PEEK-PVX保持架的全陶瓷球轴承随着轴向载荷的增大,峭度在3.0～3.2变化,整体呈现出先下降后上升的趋势。当轴向载荷为120 N时,峭度最小为3.0。装有胶木保持架的全陶瓷球轴承随着轴向载荷的增大,峭度在3.0～3.15变化,整体呈现出下降的趋势,说明对于胶木保持架,随着载荷的增加,滚动体与保持架的碰撞接触减少,使得全陶瓷球轴承的振动信号变得较为平稳。装有碳纤维保持架的全陶瓷球轴承随着轴向载荷的增大,峭度在2.7～3.0变化,整体呈现出先下降后上升的趋势,轴向载荷为100 N时,峭度最小为2.7,其变化趋势与装有PEEK-PVX保持架的全陶瓷球轴承类似。

图9 不同轴向载荷下振动峭度变化情况

3.4 试验温度对振动特性的影响

3.4.1 试验温度对振动速度的影响

图10为主轴转速1 800 r/min,轴向载荷150 N时,不同试验温度下的轴承振动速度变化情况。从图10可以看出,装有PEEK-PVX保持架的全陶瓷球轴承随着试验温度的降低,振动速度在1.3～1.9 mm/s变化,整体呈现出上升的趋势。这是因为随着试验温度的降低,保持架硬度增加,使得陶瓷球与保持架接触过程中获得更多的动能,导致全陶瓷球轴承振动速度的增大。装有胶木保持架的全陶瓷球轴承随着试验温度的降低,振动速度在1.1～1.5 mm/s变化,由于胶木的热膨胀系数较高,随着试验温度降低,变形量最大,限制了陶瓷球的运动,使得轴承振动速度虽呈下降趋势,但变化幅度较小。同时可以发现213 K以下的低温环境中装有胶木保持架的全陶瓷球轴承振动速度要低于其它两种材料保持架的全陶瓷球轴承。装有碳纤维保持架的全陶瓷球轴承随着试验温度的降低,振动速度在3.1 mm/s～3.9 mm/s变化,整体高于其它两种材料保持架。

图10 不同试验温度下振动速度变化情况

3.4.2 试验温度对振动峭度的影响

图11为不同试验温度条件下Si3N4全陶瓷球轴承振动峭度变化情况。

图11 不同试验温度下振动峭度变化情况

从图11可以看出,装有PEEK-PVX保持架的全陶瓷球轴承随着试验温度的降低,峭度在3.1～7.7变化,在试验温度为153 K时峭度最大,说明在较低的试验温度条件下,保持架变形的影响使得轴承的振动信号存在较大的波动。装有胶木保持架的全陶瓷球轴承随试验温度的降低,峭度在3.1～8.2变化,其变化趋势与装有PEEK-PVX保持架的全陶瓷球轴承类似。而装有碳纤维保持架的全陶瓷球轴承随着试验温度的降低,峭度基本稳定在2.9左右,明显低于其它两种保持架材料,说明随着试验温度的变化,轴承的振动信号变化平稳。这是由于碳纤维材料热膨胀系数低,在低温环境下的状态稳定,且更容易在滚动体与内、外圈沟道之间形成自润滑膜。因此装有碳纤维保持架的全陶瓷球轴承在低温环境下的振动特性优于装有PEEK-PVX和胶木保持架的全陶瓷球轴承。

4 结 论

(1) 全陶瓷球轴承保持架的振动特性与其受力状态的贡献特征频率类似,均以保持架特征频率fc,陶瓷球特征频率fb的倍频、内圈特征频率fi的倍频及保持架与内圈耦合的特征频率成分为主,振动特性与受力状态具有很强的相关性。

(2) 轴向载荷及试验温度等工况条件对不同保持架全陶瓷球轴承的振动特性均具有显著影响,且相比于轴向载荷,试验温度的影响更为显著。

(3) 不同轴向载荷及试验温度条件下,装有碳纤维保持架的全陶瓷球轴承峭度小于装有PEEK-PVX和胶木保持架的全陶瓷轴承,表明在低温、无油润滑工况下,碳纤维保持架在全陶瓷球轴承信号平稳性以及减小故障方面要优于其它两种材料的保持架。