[科普中国]-三点接触球轴承

简介

三点接触球轴承是航空发动机主轴支承的关键基础件，主要承受转子上气动力的轴向合力。我国现有的三点接触球轴承，其设计思想基本上是沿用五十年代苏联的设计计算方法，按照此思路设计的产品在性能、寿命等多项技术指标上，已满足不了当代航空发动机的配套和老机种延寿需要。通过对国外同类先进产品的分析研究，参照其结构参数进行了理论分析与实践检验，对国内现行三点接触球轴承设计方法进行了改进1。

三点接触球轴承设计原则原有的三点接触球轴承设计原则只是依据Lundberg-Palmgren理论，一味地追求轴承的疲劳寿命，在保持架强度允许的条件下，使轴承尽可能多地装入钢球，获得最大的额定承载能力。但由于不能对轴承的运动参数、发热、变形、接触角变化和润滑状态等性能进行分析预测，所设计的三点接触球轴承的综合性能并不优越，个别轴承使用寿命反而达不到要求。

为了从设计上提高轴承的综合性能，三点接触球轴承设计原则应充分考虑轴承在实际工况下的特性，在承载能力、润滑与冷却、运动参数(离心力影响、钢球自旋、轻载打滑、保持架共振等) 等方面进行分析，并据此对轴承的结构进行优化设计。

沟曲率半径的确定沟曲率半径的大小严重影响轴承的寿命，如果沟曲率半径过大，由于与钢球接触面积减少，接触应力增大，轴承寿命亦随之降低；相反，如果套圈沟曲率半径过小，接触面积增大，则钢球与沟道间将产生强烈的摩擦，轴承的寿命和允许转速都会降低。因此，应合理地确定套圈的沟曲率半径。在原有的设计方法里，套圈的内圈沟曲率半径要比外圈的沟曲率半径小。这有它的理论依据：在不考虑离心力影响的前提下，小的内圈曲率半径有助于保证在一定力下的内外圈处于同一应力状态，有助于提高轴承的承载能力。

而在高速条件下，由于离心力的缘故，钢球将压向外圈，从而引起外圈接触应力的明显增大，降低了轴承的疲劳寿命，还将引起钢球与内外圈接触角的改变，出现内圈接触角增大而外圈接触角减小，这将促使钢球的自旋速度增加，球与沟道之间的滑动加剧，摩擦热增加，温度升高，从而加速轴承的磨损。所以在高速轴承设计中采用了外沟曲率半径小于内沟曲率半径的设计，并且采用多组设计方案进行计算比较，选取内、外圈最大接触应力相差最小的一组解，这样可有效降低最大接触应力，减小旋滚比，有助于减少轴承发热2。

避免多点接触的游隙控制三点接触球轴承是指在未承受轴向力时钢球与外圈、两内半圈形成三点接触，而在工作中承受轴向力时钢球与外圈、一内半圈形成两点接触。轴承在工作中形成二点接触受到很多因素的制约，其中轴承的径向游隙的确定是关键。

润滑与冷却润滑方式对高速轴承的正常运转至关重要，足够流量的滑油可以保证轴承的润滑与冷却。轴承在工作中，为了避免两接触体(钢球与沟道、保持架与引导边) 的直接接触磨损，滑油在两接触表面之间形成一层薄的油膜，将运动的两接触体分隔开，形成弹性流体动力润滑。同时轴承高速旋转时将产生大量的热，主要来自两个方面：一是轴承各构件旋转运动产生的摩擦热；二是轴承旋转对滑油产生搅拌而形成的搅拌热。这些热量只能靠不断循环的滑油带走，否则当超过滑油的耐温极限时，滑油会氧化失效，造成轴承磨损。

在原有的设计方法里，对不同条件下轴承润滑方式并没有相关的规定，也没有对润滑效果进行相应的评价。根据国外资料的介绍，当dn值在2×106以下，采取喷射润滑的方式即可获得良好的润滑与冷却效果；当dn值达到2.5×106时，采取喷射润滑会使轴承内部有些区域将得不到充分润滑，散热也会受到影响，为此，设计中必须采取环下润滑的方式，由于离心力的作用，滑油由内圈上的润滑油孔直接进入轴承内部，增加了进入轴承内部的滑油量，改善轴承的润滑与冷却效果。在设计中可根据dn值采取不同的润滑方式3。