专业生产经营耐高温轴承，公司产品质量优、规格齐全
目前，我国在航空航天领域不断取得新的进步，对燃气涡轮发动机大功率、高速和高温的特性要求越来越高。事业的进步要求更高水平的高速高温轴承出现。轴承设计师在设计该类轴承时, 大多把目光集中于氮化硅球和耐热钢套圈组成的混合轴承, 但该两种材料热膨胀系数不一, 对高速高温轴承设计与应用构成重大技术障碍。本文对该技术进行简介的解析，以让更多人了解我国轴承技术的发展。
1 热膨胀系数分析计算
陶瓷Si 3 N 4 线膨胀系数与轴承钢相比小很多。
Si 3 N 4 线膨胀系数 a 1 = 3. 2 ×10 - 6 ℃ - 1 ,
轴承钢线 膨胀系数 a 2 = 12. 5 ×10 - 6 ℃ - 1 。
在高温工作环 境下, Si 3 N 4 球和钢套圈组成的混合轴承与全钢轴承相比, 游隙会发生变化, 轴承接触角α也会相 应发生变化。以B7000C 和B7203 轴承为例做计 算分析。
1. 1 B7000C设计相关参数
该轴承在20 ℃时的公称值(mm) 如下:
球直径 D w = 4. 763
内圈沟曲率半径 R i = 2. 52
外圈沟曲率半径 R e = 2. 57
接触角α= 15°
则径向游隙 g 按下式计算: g =2( R i + R e - D w ) (1 - cosα) =0. 022
轴向游隙 S 按下式计算: S = 4( R i + R e - D w ) g - g 2 =0. 168
混合轴承在环境温度 T 1 = 250 ℃时的相关参数公称值(mm) 计算如下:
D ′ w = D w + D w ( T 1 - 20) ×α 1 =4. 767 R ′
i = R i + R i ( T 1 - 20) ×α 2 =2. 527 R ′
e = R e + R e ( T 1 - 20) ×α 2 =2. 577
径向游隙增大量为 Δg ′ =2D w ( T 1 - T) ( a 2 - a 1 ) =0. 020 g ′ = g +Δg ′ = 0. 042 α ′ =arccos 1 - 0. 5 g ′ R ′ i + R ′ e - D ′ w =20. 3° S ′ = 4( R ′ i + R ′ e - D ′ w ) g ′ - g ′2 =0. 234
接触角增大值Δα ′ =α ′ - α= 5. 3°;
轴向游隙 增大值ΔS ′ = S ′ - S = 0. 066。
同理可求得混合轴承在环境温度 T 2 = 450 ℃时相关参数公称值(mm) 如下:
D 〃 w = 4. 770 , R 〃 i = 2. 534 , R 〃 e = 2. 584 ,Δg 〃 = 0. 038 , g 〃 = 0. 060 ,α 〃 = 24. 0°, S = 0. 283 ,Δα 〃 = 9°,ΔS 〃 = 0. 115。
1. 2 B7203 设计相关参数
该轴承在 20 ℃时的公称值 ( mm) : D w = �9�9 8 �9�9 《轴承》2001. №. 3 7. 144 , R i = 3. 71 , R e = 3. 86 ,α= 15°。
根据上节的计算方法可求得该轴承在环境温度为20 ℃、250 ℃及450 ℃时轴向游隙、径向游隙和250 ℃及450 ℃环境温度下的游隙增大值。 综合上述计算结果, 为便于比较分析, 将两种 Si 3 N 4 角接触混合球轴承在不同工作环境温度下 的主要参数列于表1。 根据常规计算可知, 在不同环境温度下, 全钢 轴承 g 、α和s 值几乎不变。 Si 3 N 4 球混合轴承的径向游隙、轴向游隙和接 触角随工作环境温度的升高而增大, 同时与设计 选取的球径有关, 球径越大, 这些参数随温度升高 而增大的程度也大。 在高温下, Si 3 N 4 混合轴承参数值变化远大于 全钢轴承, 原设计参数值全部改变。曾被视为有 优点的Si 3 N 4 的线膨胀系数已成为高温、高速轴承设计技术上的一大障碍。
2 热膨胀差对混合轴承高速性能的影响
混合轴承由于Si 3 N 4 球和钢套圈存在大的热 膨胀差, 在高温下, 轴承径向游隙变大, 角接触球 轴承的接触角随之增大。高速角接触球轴承存在 着自旋滑动, 而且自旋滑动产生的滑动摩擦力矩 在轴承摩擦力矩中占有很大比例, 它与轴承接触 角的正弦函数成正比。因此, 接触角增大, 导致自 旋滑动增大, 摩擦发热增加。大的接触角不利于 提高轴承的高速性能。上例中,α由15°增至25°, 其高速性能就变得很差, 难以满足主机要求。
3 热膨胀差对混合轴承预紧方式的影响
由计算例可知, Si 3 N 4 球和钢套圈由于存在的热膨胀差, 在高温下, 轴承径向游隙 g 变大。g 的增大则导致轴承轴向游隙S 的增大。S 的增大 将使高速角接触球轴承的轴向定位预紧出现卸紧 现象, 从而导致轴承不能正常工作。上例中, 轴承 B7000C在由20 ℃升至250 ℃和450 ℃时, 其轴向 游隙增加值ΔS 分别为0. 066 mm和0. 115 mm,而 轴承B7203C则分别为0. 110 mm和0. 167 mm。这 样大的增加值将使定位预紧完全失去意义, 而只 能采用定力预紧方式。
4 热膨胀差对混合轴承试验技术的影响
高速高温轴承多用在非常重要的主机上, 对使用可靠性要求极高。因此, 对轴承进行高温高 速试验非常必要, 由于受到种种条件限制, 完全模拟往往很困难, 甚至无法实现。比如, 主机对试验轴承要求的转速和载荷是必须满足的。而试验台 往往受到润滑、周围环境和相关设备的限制, 满足最高工作环境温度的要求有时就不易实现。对试验机的研制和试验技术的研究带来更高的难度。
5 解决途径与对策
(1) 以新思路开发筛选综合性能好、线膨胀系 数接近耐热轴承钢的新的陶瓷材料。
(2) 在现有陶瓷材料条件下, 用于高速高温工况时, 混合轴承仍然是首选之一。但要注意和解决以下问题:
<1> 工作温度要控制在一定范围内。
<2> 搞清楚轴承周围主机部件乃至轴承内部各零 件间随时间变化的温度分布状况, 以便于在轴承 设计时, 对相关参数做出符合客观实际的调整。
<3> 考虑减小设计接触角时, 要注意到这类主机往 往不处于恒温状态, 它有从常温到高温的非稳态 工作过程。
<4> 做优化设计时, 可适当考虑减小滚动体直径。