CN104847786A - 一种稳定运转的陶瓷轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稳定运转的陶瓷轴承，属于轴承技术领域，该轴承可在宽温度范围、宽转速范围内的稳定运转。本发明方法在不改变原有轴承结构形式、润滑方式、保持器等零部件尺寸的前提下，无需通过复杂的热控、高精度的保持架设计制造、高性能润滑剂改良等复杂技术手段，仅将少部分陶瓷球更换为钢球，即可确保高速轴承的稳定运转，降低振动和噪音，降低阻力矩波动，提高产品的运转稳定性。采用该技术的轴承，由于仅更换了部分滚动体，其综合性能仍与原陶瓷轴承相当，保留并改善陶瓷轴承适合高速运转的优点，不会显著降低承载能力，寿命仍与原陶瓷轴承相当。

Description

一种稳定运转的陶瓷轴承

技术领域

本发明涉及一种稳定运转的陶瓷轴承，属于轴承技术领域，该轴承可在宽温度范围、宽转速范围内的稳定运转。

背景技术

高精度、高转速、高可靠的回转轴系是机床主轴、高速离心机、机械式陀螺仪以及空间惯性机构(如飞轮、控制力矩陀螺)等的核心部件，近年来其性能、寿命的要求越来越高。以卫星姿态控制系统重要的惯性机构飞轮、控制力矩陀螺为例，其转速较高，通常几千转每分钟、甚至上万转每分钟，随着卫星对长寿命高可靠的要求越来越高，要求惯性机构在高转速下稳定可靠运转10年以上。以轴承为核心的长寿命、高精度、高转速的轴系是这些回转机构的关键部件，决定着其性能和寿命。

陶瓷轴承包括全陶瓷轴承和陶瓷球混合轴承，全陶瓷轴承是指套圈和滚动体均为陶瓷材料，陶瓷球混合轴承则指套圈为轴承钢，仅滚动体为陶瓷材料。由于陶瓷球具有高硬度、高耐磨、低摩擦、低密度、耐腐蚀等优异特性，在确保轴承长寿命、高可靠工作方面优势明显。近年来陶瓷轴承在高速回转机构轴系中大量应用，一些采用钢球轴承的传统轴系也逐渐更换为陶瓷轴承，如高速电主轴、空间执行机构等。

中高速运转的轴承容易发生保持架运转不稳定(又称运转失稳)的问题，影响产品的性能和寿命，是最易出现的故障和失效模式。保持架失稳时阻力矩大幅波动，伴随较大噪音(也称为啸叫)。这种现象可能连续出现，也可能突然出现和消失，尤其是在温度大幅度波动、润滑剂的粘度发生改变时，在某一较高的温度区间可以稳定运转，而在其他温度区间，尤其是低温，则极易发生保持架运转不稳定。陶瓷轴承同样存在运转不稳定的问题，尤其是工作在较高转速下，这种问题更为显著。

研究表明，轴承高速运转时，滚动体与沟道的尺寸误差、表面形状误差、润滑差异、脱载等多种因素综合作用下，滚动体法向受载和接触状态很可能不均匀，导致部分滚珠运转超前或滞后(而非绝对的同步协调运转)，滚动体与保持架之间、保持架与套圈之间发生随机碰撞现象，碰撞能量累积到一定程度，将引起保持架涡动，出现轴承运转不稳定，产生较大的振动和噪音，阻力矩显著增大且剧烈波动。

保持架的涡动模型已经被大多数研究和工程人员所接受，已经成为稳定分析的基础。为了确保保持架运转稳定，不发生啸叫，可以通过以下措施(温诗铸，黄平著，摩擦学原理(第三版)，清华大学出版社，2008.9)：

◆保持架材料采用聚酞亚胺

◆球兜孔间距不等分

◆采用失配钢球装入轴承(球径差≤0.5μm)

◆不同的引导间隙

从涡动模型上考虑，前述措施或者是降低球与保持架的撞击力度，或者是在原有涡动的基础上施加干扰，进而抑制保持架涡动的发生。前述措施对部分轴承有一定的指导意义，但由于轴承内部运动、接触、几何形状以及润滑剂特性的复杂性，与工程实际存在较大差距，经常是在某一转速范围或者一定的温度范围或者大量油润滑等相对较窄工况条件下可以确保运转稳定，比如常温下可以稳定运转，而低温或者高温下则运转不稳定；在几百转每分钟及以下转速运转稳定，而在数千转、上万转每分钟时运转失稳；在大量润滑油浸没时运转稳定，而喷雾润滑、油气润滑及其他少量油润滑时运转失稳。可见，这些措施并不能很好解决现实工程问题，工况适应性与产品需求存在差距，尤其是采用较少润滑剂、大温度范围、大转速范围下工作的工况且要求精度高、振动小、阻力矩低且稳定的情形，需要寻找一种可靠的解决措施。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种稳定运转的陶瓷轴承，该轴承在运转时振动噪音较小、摩擦力矩波动较低，具有宽的温度适应范围、转速适应范围和润滑剂数量适应范围。

本发明目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种稳定运转的陶瓷轴承，包括外圈、保持架、内圈和滚珠；滚珠包括钢球和陶瓷球；保持架位于外圈和内圈之间；滚珠安装在保持架的兜孔内，滚珠可在保持架的兜孔内自由运动；钢球在保持架上为均匀分布，陶瓷球在保持架上为均匀分布；

所述的钢球的数量为滚珠总数量的15％～40％，钢球的尺寸规格与陶瓷球尽可能接近，差值不超过1μm；

所述的外圈和内圈的材料均为轴承钢或者陶瓷；

保持架为非金属含油材料，比如聚酰亚胺、酚醛夹布胶木或尼龙；

陶瓷球为氮化硅、氧化锆或氧化铝等陶瓷材料；

所述的陶瓷轴承采用油润滑；

所述的陶瓷轴承种类既包括深沟、角接触等球轴承，也包括滚子轴承；

所述的轴承保持架材料可以为钢材，也可以为聚酰亚胺、酚醛夹布胶木、尼龙等非金属。所述的技术不仅适用于大气环境，也适用于真空、高压等环境中。

从保持架涡动理论上来分析。该技术方案充分利用了陶瓷球和钢球不同的材料特性和表面状态特性，两者与沟道和保持器摩擦副的接触形式、摩擦形式存在差异，轴承运转时不同材质滚珠对保持器的扰动不同，避免谐振、增加扰动，可以确保轴承运转稳定。以氮化硅(Si₃N₄)陶瓷球为例，Si₃N₄陶瓷密度仅为钢的40％，弹性模量是钢的1.5倍，硬度高达1650HV，硬度比钢球高20个HRC以上，陶瓷球表面的光洁度为纳米级，高于钢球一个级别，摩擦系数约为0.05，低于钢球的0.1。这样，陶瓷球和钢球与套圈的接触和摩擦不同、与保持架的摩擦和碰撞状态也不同，确保了可靠的扰动。计算实例显示，某高速运转的7000C型角接触球轴承，钢球和陶瓷球的球径规值相同时，陶瓷球与套圈的最大接触应力计算值约为1063MPa，而钢球的则约为881MPa，相差将近10％。

表1 钢球滚珠和陶瓷球滚珠的特性对比

从承载能力上来考虑，只要不超过许用接触应力或者许用变形量即可。有企业和学者认为全陶瓷轴承的额定静载荷与全钢轴承相当，陶瓷球混合轴承的额定静载荷约为全钢轴承的85％。陶瓷轴承中当更换少部分滚动体为钢球后，同样负载下，陶瓷球与套圈的接触应力会适当增大，这样轴承的承载能力会适当降低，降低的幅度与钢球所占的比例相关。理论估算表明，承载能力降低幅度约5％左右，对承载的影响基本可忽略。由于陶瓷轴承的疲劳寿命大于全钢轴承(氮化硅陶瓷球的应力循环次数不低于钢球的，最高可为其10倍)，即使陶瓷球混合轴承也为全钢轴承的2～4倍；这样，更换少量滚珠为钢球后，尽管抗疲劳能力会略有下降，当并不显著，陶瓷轴承长寿命的优势依然存在。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法在不改变原有轴承结构形式、润滑方式、保持器等零部件尺寸的前提下，无需通过复杂的热控、高精度的保持架设计制造、高性能润滑剂改良等复杂技术手段，仅将少部分陶瓷球更换为钢球，即可确保高速轴承的稳定运转，降低振动和噪音，降低阻力矩波动，提高产品的运转稳定性。采用该技术的轴承，由于仅更换了部分滚动体，其综合性能仍与原陶瓷轴承相当，保留并改善陶瓷轴承适合高速运转的优点，不会显著降低承载能力，寿命仍与原陶瓷轴承相当。

本发明陶瓷轴承高速稳定运转技术既适用于小游隙、零游隙、负游隙的深沟球轴承和施加轴向预紧的角接触球轴承等球轴承，也适用于滚子轴承。

附图说明

图1为本发明的陶瓷轴承的结构示意图；

图2为滚珠均为陶瓷球的陶瓷轴承的结构示意图；

图3为采用本发明的陶瓷轴承的一种轴系结构；

其中，6主轴，7电机定子，8电机转子，9轴承安装壳，10压盖螺钉，11外圈压盖，12轴端螺钉，13内圈压盖，14右轴承，15内隔圈，16外隔圈，17左轴承。

图4为常温下普通陶瓷轴承6000r/min运转时的动态阻力矩随时间变化曲线。

图5为常温下采用稳定运转技术后的陶瓷轴承6000r/min运转时的动态阻力矩随时间变化曲线。

图6为高低温循环环境下，采用稳定运转技术后的陶瓷轴承8000r/min运转时的动态阻力矩随时间变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，为一种稳定运转的陶瓷轴承。图中，1为轴承的外圈，2为轴承的保持架，3为轴承的内圈，4为钢球，5为陶瓷球，4和5统称滚动体。

为了对图1所示的轴承进行性能测试，设计了图3所示的轴系。左轴承17和右轴承14安装在主轴6的两端，左轴承17和右轴承14之间通过内隔圈15和外隔圈16隔开，左轴承左端通过主轴6的轴肩和轴承安装壳9的止口进行轴承内外圈定位，右轴承14的右端通过内圈压盖13和外圈压盖11进行轴承内外圈定位；轴承安装壳9安装在左轴承17和右轴承14上；内隔圈15安装在主轴6上，并位于左轴承17和右轴承14之间；外隔圈16安装在轴承安装壳9内，并之间左轴承17和右轴承14之间；内圈压盖13通过轴端螺钉12安装在主轴6上；外圈压盖11通过压盖螺钉10安装在轴承安装壳上；电机转子8安装在轴承安装壳9的外圆面；电机定子7安装在主轴6的外圆面，并保证与电机转子8的配合。

在电机转子8的驱动下，整套轴系在高速下恒速运转，监测其动态阻力矩。首先将左轴承17和右轴承14用图2所示的普通陶瓷轴承装入图3所示的轴系中，设定转速6000r/min进行超过1天的运转测试，记录动态阻力矩，阻力矩随时间的变化规律如图4所示，阻力矩波动大，并伴随间断性的啸叫声。然后，将左轴承17和右轴承14用图1所示的一种稳定运转的陶瓷轴承装入图3所示的轴系中，采用相同的条件进行运转测试，阻力矩随时间的变化规律如图5所示，阻力矩波动小，整套轴系运转稳定，无啸叫声。同时，将转速提升到8000r/min，验证了其在高低温循环环境下的动态阻力矩变化情况，如图6所示，测试时间超过了2天、6个循环，从中可以看出无论高温+60℃，还是低温-15℃下，动态阻力矩均非常平稳，轴承运转稳定。此外，为了验证其随转速的适应性，从1000r/min开始，每次增加1000r/min，每个转速下运转2小时，一直增加到12000r/min(测试手段限制无法继续升速)，各个转速下均运转稳定，无啸叫。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种稳定运转的陶瓷轴承，其特征在于：该陶瓷轴承包括外圈、保持架、内圈和滚珠；滚珠包括钢球和陶瓷球；保持架位于外圈和内圈之间；滚珠安装在保持架的兜孔内，滚珠相对于保持架可以运动；钢球在保持架上为均匀分布，陶瓷球在保持架上为均匀分布。

2.根据权利要求1所述的一种稳定运转的陶瓷轴承，其特征在于：钢球的数量为滚珠总数量的15％～40％。

3.根据权利要求1所述的一种稳定运转的陶瓷轴承，其特征在于：钢球的直径与陶瓷球的直径一致。

4.根据权利要求1所述的一种稳定运转的陶瓷轴承，其特征在于：外圈的材料为轴承钢或者陶瓷。

5.根据权利要求1所述的一种稳定运转的陶瓷轴承，其特征在于：内圈的材料为轴承钢或者陶瓷。

6.根据权利要求1所述的一种稳定运转的陶瓷轴承，其特征在于：保持架为非金属含油材料.

7.根据权利要求6所述的一种稳定运转的陶瓷轴承，其特征在于：保持架的材料为聚酰亚胺、酚醛夹布胶木或尼龙。

8.根据权利要求1所述的一种稳定运转的陶瓷轴承，其特征在于：陶瓷球为氮化硅、氧化锆或氧化铝。

9.根据权利要求1所述的一种稳定运转的陶瓷轴承，其特征在于：陶瓷轴承采用油润滑。