专业生产经营耐高温轴承，公司产品质量优、规格齐全
在航空航天等高技术领域，燃气涡轮发动机的发展方向是大功率、高速和高温。生产实践在 呼唤真正意义上的高速高温轴承。鉴于陶瓷材料与轴承钢亲合性低、摩擦系数小、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。
1 热膨胀系数分析计算
陶瓷Si3N4 线膨胀系数与轴承钢相比小很多。
Si3N4 线膨胀系数 a1 = 3.2 ×10 - 6 ℃ - 1
轴承钢线膨胀系数 a2 = 12. 5 ×10 - 6 ℃ - 1
在高温工作环境下, Si3N4 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）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 Ri = 2.52
外圈沟曲率半径 Re = 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。
（2）B7203设计相关参数
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 Si3N4 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。 Si3N4 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, Si3N4 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Si3N4 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。必须进行研究解决。
2 热膨胀差对混合轴承高速性能的影响
混合轴承由于Si3N4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, Si3N4 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。