主頁 > 軸承知識(shí)

行星輪軸承滑移臨界力矩分析

2018-10-25

馬艷青　孫黎

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)電齒輪箱；行星輪軸承；滑移臨界力矩

　　1.引言

　　軸承是重要的傳動部件，風(fēng)電齒輪箱正常工作的行星輪軸承在低載荷工況下經(jīng)常會出現(xiàn)滑移情況。齒輪箱行星輪軸承通常都具有很好的剛性，行星輪孔內(nèi)表面與軸承外圈互相接觸且具有相反的運動方向，因此兩者之間存在相對滑移的可能性。

　　滑移本身并不一定會造成軸承的損壞，但在潤滑不充分的情況下，即潤滑油膜不能夠防止金屬的直接接觸時，滑移會產(chǎn)生滑動摩擦，引起黏著磨損。在潤滑充分的條件下，滑移雖不會立即導(dǎo)致失效，但是也會對軸承材料性能、接觸幾何形狀以及應(yīng)力分布等造成影響，隨之發(fā)生點蝕，Z終導(dǎo)致軸承早期失效。因此，研究行星輪與軸承過盈配合表面滑移具有重要的理論指導(dǎo)意義和實用價值。

　　2.過盈配合力學(xué)分析

　　過盈聯(lián)接裝配后，由于行星輪與軸承的徑向變形，使配合面間產(chǎn)生很大的工作壓力。工作時就依靠配合面間的摩擦力來傳遞載荷，過盈量越大，連接的強度越大，所能傳遞的載荷也越大。

　　為了保證過盈連接的工作能力，計算包括兩個方面的內(nèi)容：一方面是已知載荷的情況下，計算配合面所需的壓力和產(chǎn)生這個壓力所需的Z小過盈量，也就是連接的強度計算；另一方面，在選定的標(biāo)準(zhǔn)過盈配合下，校核連接的各個零件的Z大過盈量時的強度，也就是連接件本身的強度計算。本文中，為了研究不同過盈量與滑移臨界力矩的關(guān)系，我們已知過盈量的值，計算風(fēng)電齒輪箱行星輪孔內(nèi)表面與軸承外表面發(fā)生相對位移所需Z小力矩，即滑移臨界力矩。

　　根據(jù)行星輪系的尺寸結(jié)構(gòu)形式以及彈性力學(xué)理論，計算出過盈配合表面產(chǎn)生相對位移所需要的滑移臨界力矩。計算過程詳述如下。

　　圖1給出了行星輪輪轂與軸承外圈過盈配合示意圖。其中，d為過盈配合面直徑，d1為軸承外圈內(nèi)徑，d2為行星輪輪轂外徑。

　　根據(jù)行星輪系的尺寸結(jié)構(gòu)形式以及彈性力學(xué)理論，可得行星輪與軸承過盈配合表面Z大應(yīng)變（單位MPa）：

　　其中：

 　　式中：e—過盈量(mm)；E1—被包容件材料的彈性模量(MPa)；E2—包容件材料的彈性模量(MPa)；µ1—被包容件材料的泊松比；µ2—包容件材料的泊松比；C1—被包容件的剛度系數(shù)；C2—包容件的剛度系數(shù)；d1—被包容件的內(nèi)徑(mm)；d2—包容件的外徑(mm)；d—配合面外徑(mm)。

　　根據(jù)壓力的計算公式，可得配合表面Z大應(yīng)力（單位N）：

　　式中：S—行星輪與軸承過盈配合表面面積；d—配合面的公稱直徑；l—配合面長度(mm)。

　　設(shè)行星輪與軸承過盈配合表面靜摩擦系數(shù)為f，得配合面上所能產(chǎn)生的軸向摩擦阻力（單位N）：

　　配合尺寸同前，可得滑移臨界力矩（單位kNm）：

　　在實際設(shè)計中，當(dāng)行星輪與軸承過盈配合表面?zhèn)鬟f轉(zhuǎn)矩T時，則應(yīng)保證在此轉(zhuǎn)矩作用下不產(chǎn)生切向滑移。亦在轉(zhuǎn)矩T的作用下，轉(zhuǎn)矩T應(yīng)小于或者等于配合表面間所產(chǎn)生的滑移臨界力矩Mf。

　　3.不同過盈量與滑移臨界力矩的關(guān)系

　　不同過盈量下的行星輪與軸承的滑移力矩臨界值如表1所示。

　　通過表1可知，行星輪與軸承過盈配合表面需要的滑移臨界力矩隨著過盈量的增加而增加，以齒輪箱行星輪系為例，當(dāng)過盈量為15µm時，通過過盈可傳遞的摩擦扭矩很小，在摩擦系數(shù)µ=0.05時，一級行星輪上只需要有7.69kNm的轉(zhuǎn)矩即可導(dǎo)致行星輪孔內(nèi)表面與軸承外表面發(fā)生全面滑移。

　　表1過盈產(chǎn)生的Z大正應(yīng)變?yōu)槔碚撝担谳斎胼d荷的作用下，行星輪內(nèi)表面與軸承外表面之間的應(yīng)變有一定的變化。在不同過盈量的條件下，行星輪孔內(nèi)表面與軸承外表面之間的應(yīng)變的分布趨勢如圖2所示。其中行星輪與軸承外徑之間的摩擦系數(shù)均按0.15進行計算。

　　通過圖2可知，在額定載荷作用下，盡管行星輪內(nèi)表面與軸承外表面之間的應(yīng)變有一定的變化，但由于受載接觸區(qū)域變化等問題，行星輪內(nèi)表面與軸承外表面之間有近一半?yún)^(qū)域的應(yīng)變幾乎為零。根據(jù)圖2中的應(yīng)變分布云圖，取其均值來分析，在15µm的過盈下，一級行星輪上也只需要27.06Nm的轉(zhuǎn)矩即可導(dǎo)致行星輪孔內(nèi)表面與軸承外表面發(fā)生全面滑移。

　　4.結(jié)論

　　通過上述分析可知，風(fēng)電行星輪系在較小的過盈量和摩擦系數(shù)條件下只需要較小的轉(zhuǎn)矩即可導(dǎo)致行星輪內(nèi)表面與軸承外表面發(fā)生全面滑移。因此，根據(jù)目前兆瓦級風(fēng)電齒輪箱載荷等級判斷，行星輪孔內(nèi)表面與軸承外表面之間的打滑不可避免。

　　結(jié)合過盈量、摩擦系數(shù)對滑移臨界力矩的影響，綜合考慮齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建議通過以下措施改進滑移帶來的損害：1）適當(dāng)增加過盈量；2）增大行星輪輪緣壁厚；3）根據(jù)國內(nèi)Z新標(biāo)準(zhǔn)，對行星輪內(nèi)孔做硬化處理；4）涂抹抗滑移潤滑脂；5）行星輪軸承采用無外圈結(jié)構(gòu)或滑動軸承。

　　作者簡介：　

　　馬艷青　男　華北電力大學(xué)碩士研究生

　　孫黎企業(yè)導(dǎo)師

（文章來源：“新能源人才與市場”）