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非對稱接觸角混搭配組軸承的應用

摘要"

角接觸滾珠軸承最常應用於離心式泵浦、螺旋式壓縮機和真空泵等設備。這類流體機械的發展趨勢是透過提高轉速來增加功率密度,這也增加軸承設計的難度。這些應用中,單列角接觸滾珠軸承通常成對安裝。由於角接觸滾珠軸承承受純軸向或純徑向負荷時,不可避免地會由於其接觸角產生相應的徑向或軸向力。鑒於這種幾何設計,一個軸承只能沿一個方向承載軸向力,如果不成對使用,來自相反方向軸向推力便可能破壞軸承。
用於流體機械的滾動軸承,最常見失效的原因不是金屬疲勞剝落,通常是其他原因造成軸承無法達到設計規範的理論壽命,主要原因包括衝擊、靜態振動、汙染、過大的推力、載荷過輕、內外圈傾斜不對中、潤滑不足…等。

關鍵詞:流體機械、接觸角、預壓、分離力、離心力

接觸角

每個滾動軸承都有接觸角,用來將軸承負荷傳遞出去。最簡單的例子是深溝滾珠軸承承受純徑向負荷的接觸角為0°,而角接觸滾珠軸承的接觸角始終大於0°,如圖1所示。
角接觸滾珠軸承的內、外圈軌道在軸承軸線方向上彼此有相對偏移,這表示此類軸承設計用來承載綜合負荷,即徑向負荷和軸向負荷。在徑向平面上,滾珠和軌道接觸點的連線,即綜合負荷從一個軌道傳遞到另一軌道的方向與垂直軸心線的夾角。接觸角越大,滾動軸承的軸向負荷能力越高。在極端情況下,接觸角為90°,成為純軸向止推
軸承。
角接觸滾珠軸承介於純徑向軸承和純軸向軸承之間,可同時承受徑向負荷和軸向負荷。較小的接觸角會稍微降低軸向負荷能力,但會帶來其他優勢。由於軸承具更佳的運動條件,盡可能地減小了滑動分量,進一步減少熱量的產生。此外,較小的接觸角確保了較大的徑向剛性,這在主要承受徑向負荷的應用是有利的,如
圖2所示。由於在大多數應用中都會發生來自兩個方向的軸向力,最簡單的設計是採用背對背結構的雙列角接觸滾珠軸承,單列萬向角接觸滾珠軸承也可以用不同的方式進行組合,O型背對背配置和X型面對面配置均可。
單列角接觸滾珠軸承

單列角接觸滾珠軸承只能承受一個方向上的軸向負荷,這種類型的軸承通常需要相對另外一個軸承進行調整使用。它們的軸承圈具有不同高低的肩部,並且是不可分離的。單列角接觸滾珠軸承於工業機械應用常見的接觸角為40o,在工具機滾珠螺桿等對軸向剛性要求較高的應用場合,經常使用具有較大接觸角的斜角滾珠軸承,例如62o。對於中等軸向負荷的高速應用場合,優先考慮接觸角較小的軸承,例如15o或25o等。
單列角接觸滾珠軸承和單列圓錐滾子軸承只有透過與第二個軸承的互相調整後,才會達到一定的組裝間隙。通常它們會採用背對背或面對面配置,通過調整內外圈之間的相對軸向位置得到所需的間隙或預壓量。對於交叉定位配置的單列角接觸滾珠軸承,其初始間隙在安裝時設定,通常會有一個合理範圍。對於配組的單列角接觸滾珠軸承、雙列角接觸滾珠軸承和四點接觸滾珠軸承,這些軸承類型的軸向間隙比起徑向間隙,在應用上更具重要性。

內部間隙

軸承內部間隙的定義為任一個軸承圈相對於另一個軸承圈在徑向或軸向可移動的總距離,稱為徑向內部間隙和軸向內部間隙。初始間隙是軸承安裝前的內部間隙,組裝間隙是軸承安裝後運行前的內部間隙,工作間隙是軸承運行且達到穩定溫度的內部間隙,因此軸承內部間隙會在不同階段產生不同變化。在大部分應用中,軸承中的初始間隙大於其工作間隙。軸承圈與軸心或軸承座干涉配合、軸承圈與相關部件的熱膨脹均會改變軸承的內部間隙,如圖3所示。
為使軸承可靠地運轉,必須有合適的工作間隙。在大部分情況下,軸承需要一定程度的間隙。然而,在某些情況下,它們可能需要預壓,即負間隙。通常滾珠軸承的工作間隙應略大於零,圓柱、球面滾子和CARB環形滾子軸承通常要求至少有少量的工作間隙。圓錐滾子和角接觸滾珠軸承應有少量的工作間隙,需要高剛性或高定位控制的應用情況下,可設置一定程度的預壓量進行裝配。
當角接觸滾珠軸承配組安裝時,有多種方式能達到預設的軸承預壓或內部間隙。最常見的方法是使用所謂的萬向搭配軸承,也稱為自由組合軸承。萬向搭配軸承的優點是,它們在生產加工後就已經具備相互匹配性,當將它們以特定方式排列並緊靠在一起安裝後,就可以實現預設的預壓或間隙,無需使用墊片或類似裝置,因此萬向搭配軸承大大簡化了裝配工作。所需的間隙或預壓可從適當的間隙或預壓等級中選擇軸承,並且在軸承圈與軸承座和軸心之間設計恰當的公差配合獲得。如果軸承配置在運行階段存在過大的剩餘間隙,則將無法充分利用軸承的承載能力;預壓量過大會產生更多摩擦並使工作溫度升高,將大大縮短軸承的使用壽命。

為什麼要預壓或間隙?

角接觸軸承需要最小推力載荷,讓滾珠保持在設計的接觸角下運行。當軸向負荷主要以一個方向作用在背對背和面對面配置時,不承受推力負荷的軸承其滾珠可能處於不良的滾動狀態,這會導致運轉噪音增加、潤滑油膜無法持續形成,以及保持器上應力增加。如果小於所需的最小推力負荷,離心力將導致滾珠在外圈和內圈軌道上以不同的接觸角運行。這種情況最終會導致軸承過早失效。
為了獲得理想的運行,角接觸滾珠軸承必須承受一定的最小軸向負荷。在轉速增加時,滾珠的離心力會導致內外圈軌道的接觸角發生變化。內外圈接觸角度的差異會導致滑動,尤其是在內圈,這會增加摩擦並導致黏著磨損。轉速加快時,作用在滾珠上的陀螺力矩會增加並引起滾珠的旋轉運動,導致軌道上的額外滑動。足夠的軸向載荷可最大限度地降低滑動風險,包括離心力和陀螺力矩。通過有效潤滑機制,減少軸向負荷不足的負面影響。
軸向載荷不足還會降低滾珠在軌道上的牽引力,滾珠軌道速度可能會從滾珠到滾珠之間發生偏差。這將導致保持架上的受力增加,嚴重的話甚至會造成保持器損壞。小接觸角的軸承對軸向載荷的要求較低,因此更適合高速和輕推力的應用。在運行過程中,通過限制內部軸向間隙,可以在內部保持所需的最小軸向負荷。軸向間隙小,滾珠通過離心力加載到軌道上,接觸角的變化微乎其微。隨著軸向間隙的增加,內外圈接觸角的差值也隨之大,造成內部滑動加劇。...更多內容 ,請見《機械新刊》雜誌

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