一種穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的陶瓷軸承的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的陶瓷軸承，屬于軸承技術(shù)領(lǐng)域，該軸承可在寬溫度范 圍、寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高精度、高轉(zhuǎn)速、高可靠的回轉(zhuǎn)軸系是機床主軸、高速離心機、機械式陀螺儀以及 空間慣性機構(gòu)（如飛輪、控制力矩陀螺）等的核心部件，近年來其性能、壽命的要求越來越 高。以衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)重要的慣性機構(gòu)飛輪、控制力矩陀螺為例，其轉(zhuǎn)速較高，通常幾千 轉(zhuǎn)每分鐘、甚至上萬轉(zhuǎn)每分鐘，隨著衛(wèi)星對長壽命高可靠的要求越來越高，要求慣性機構(gòu)在 高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定可靠運轉(zhuǎn)10年以上。以軸承為核心的長壽命、高精度、高轉(zhuǎn)速的軸系是這些 回轉(zhuǎn)機構(gòu)的關(guān)鍵部件，決定著其性能和壽命。
[0003] 陶瓷軸承包括全陶瓷軸承和陶瓷球混合軸承，全陶瓷軸承是指套圈和滾動體均為 陶瓷材料，陶瓷球混合軸承則指套圈為軸承鋼，僅滾動體為陶瓷材料。由于陶瓷球具有高硬 度、高耐磨、低摩擦、低密度、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在確保軸承長壽命、高可靠工作方面優(yōu)勢 明顯。近年來陶瓷軸承在高速回轉(zhuǎn)機構(gòu)軸系中大量應(yīng)用，一些采用鋼球軸承的傳統(tǒng)軸系也 逐漸更換為陶瓷軸承，如高速電主軸、空間執(zhí)行機構(gòu)等。
[0004] 中高速運轉(zhuǎn)的軸承容易發(fā)生保持架運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定（又稱運轉(zhuǎn)失穩(wěn)）的問題，影響產(chǎn) 品的性能和壽命，是最易出現(xiàn)的故障和失效模式。保持架失穩(wěn)時阻力矩大幅波動，伴隨較大 噪音（也稱為嘯叫）。這種現(xiàn)象可能連續(xù)出現(xiàn)，也可能突然出現(xiàn)和消失，尤其是在溫度大幅 度波動、潤滑劑的粘度發(fā)生改變時，在某一較高的溫度區(qū)間可以穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，而在其他溫度區(qū) 間，尤其是低溫，則極易發(fā)生保持架運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。陶瓷軸承同樣存在運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定的問題，尤 其是工作在較高轉(zhuǎn)速下，這種問題更為顯著。
[0005] 研究表明，軸承高速運轉(zhuǎn)時，滾動體與溝道的尺寸誤差、表面形狀誤差、潤滑差異、 脫載等多種因素綜合作用下，滾動體法向受載和接觸狀態(tài)很可能不均勻，導(dǎo)致部分滾珠運 轉(zhuǎn)超前或滯后（而非絕對的同步協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)），滾動體與保持架之間、保持架與套圈之間發(fā)生 隨機碰撞現(xiàn)象，碰撞能量累積到一定程度，將引起保持架渦動，出現(xiàn)軸承運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，產(chǎn)生 較大的振動和噪音，阻力矩顯著增大且劇烈波動。
[0006] 保持架的渦動模型已經(jīng)被大多數(shù)研究和工程人員所接受，已經(jīng)成為穩(wěn)定分析的基 礎(chǔ)。為了確保保持架運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，不發(fā)生嘯叫，可以通過以下措施（溫詩鑄，黃平著，摩擦學(xué)原 理（第三版），清華大學(xué)出版社，2008. 9):
[0007] ?保持架材料采用聚酞亞胺
[0008] ?球兜孔間距不等分
[0009] ?采用失配鋼球裝入軸承（球徑差彡0· 5 μ m)
[0010] ?不同的引導(dǎo)間隙
[0011] 從渦動模型上考慮，前述措施或者是降低球與保持架的撞擊力度，或者是在原有 渦動的基礎(chǔ)上施加干擾，進而抑制保持架渦動的發(fā)生。前述措施對部分軸承有一定的指導(dǎo) 意義，但由于軸承內(nèi)部運動、接觸、幾何形狀以及潤滑劑特性的復(fù)雜性，與工程實際存在較 大差距，經(jīng)常是在某一轉(zhuǎn)速范圍或者一定的溫度范圍或者大量油潤滑等相對較窄工況條件 下可以確保運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，比如常溫下可以穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，而低溫或者高溫下則運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定；在幾百 轉(zhuǎn)每分鐘及以下轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，而在數(shù)千轉(zhuǎn)、上萬轉(zhuǎn)每分鐘時運轉(zhuǎn)失穩(wěn)；在大量潤滑油浸沒 時運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，而噴霧潤滑、油氣潤滑及其他少量油潤滑時運轉(zhuǎn)失穩(wěn)?？梢?，這些措施并不能 很好解決現(xiàn)實工程問題，工況適應(yīng)性與產(chǎn)品需求存在差距，尤其是采用較少潤滑劑、大溫度 范圍、大轉(zhuǎn)速范圍下工作的工況且要求精度高、振動小、阻力矩低且穩(wěn)定的情形，需要尋找 一種可靠的解決措施。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的陶瓷軸承，該軸 承在運轉(zhuǎn)時振動噪音較小、摩擦力矩波動較低，具有寬的溫度適應(yīng)范圍、轉(zhuǎn)速適應(yīng)范圍和潤 滑劑數(shù)量適應(yīng)范圍。
[0013] 本發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0014] 本發(fā)明的一種穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的陶瓷軸承，包括外圈、保持架、內(nèi)圈和滾珠；滾珠包括鋼 球和陶瓷球；保持架位于外圈和內(nèi)圈之間；滾珠安裝在保持架的兜孔內(nèi)，滾珠可在保持架 的兜孔內(nèi)自由運動；鋼球在保持架上為均勻分布，陶瓷球在保持架上為均勻分布；
[0015] 所述的鋼球的數(shù)量為滾珠總數(shù)量的15%~40%，鋼球的尺寸規(guī)格與陶瓷球盡可 能接近，差值不超過1 μ m ;
[0016] 所述的外圈和內(nèi)圈的材料均為軸承鋼或者陶瓷；
[0017] 保持架為非金屬含油材料，比如聚酰亞胺、酚醛夾布膠木或尼龍；
[0018] 陶瓷球為氮化硅、氧化鋯或氧化鋁等陶瓷材料；
[0019] 所述的陶瓷軸承采用油潤滑；
[0020] 所述的陶瓷軸承種類既包括深溝、角接觸等球軸承，也包括滾子軸承；
[0021] 所述的軸承保持架材料可以為鋼材，也可以為聚酰亞胺、酚醛夾布膠木、尼龍等非 金屬。所述的技術(shù)不僅適用于大氣環(huán)境，也適用于真空、高壓等環(huán)境中。
[0022] 從保持架渦動理論上來分析。該技術(shù)方案充分利用了陶瓷球和鋼球不同的材料特 性和表面狀態(tài)特性，兩者與溝道和保持器摩擦副的接觸形式、摩擦形式存在差異，軸承運轉(zhuǎn) 時不同材質(zhì)滾珠對保持器的擾動不同，避免諧振、增加擾動，可以確保軸承運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。以氮 化硅（Si 3N4)陶瓷球為例，Si3N4陶瓷密度僅為鋼的40%，彈性模量是鋼的1. 5倍，硬度高達 1650HV，硬度比鋼球高20個HRC以上，陶瓷球表面的光潔度為納米級，高于鋼球一個級別， 摩擦系數(shù)約為〇. 05,低于鋼球的0. 1。這樣，陶瓷球和鋼球與套圈的接觸和摩擦不同、與保 持架的摩擦和碰撞狀態(tài)也不同，確保了可靠的擾動。計算實例顯示，某高速運轉(zhuǎn)的7000C型 角接觸球軸承，鋼球和陶瓷球的球徑規(guī)值相同時，陶瓷球與套圈的最大接觸應(yīng)力計算值約 為1063MPa，而鋼球的則約為881MPa，相差將近10%。
[0023] 表1鋼球滾珠和陶瓷球滾珠的特性對比
[0024]
【主權(quán)項】
1. 一種穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的陶瓷軸承，其特征在于：該陶瓷軸承包括外圈、保持架、內(nèi)圈和滾 珠；滾珠包括鋼球和陶瓷球；保持架位于外圈和內(nèi)圈之間；滾珠安裝在保持架的兜孔內(nèi)，滾 珠相對于保持架可以運動；鋼球在保持架上為均勻分布，陶瓷球在保持架上為均勻分布。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的陶瓷軸承，其特征在于：鋼球的數(shù)量為滾珠 總數(shù)量的15%~40%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的陶瓷軸承，其特征在于：鋼球的直徑與陶瓷 球的直徑一致。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的陶瓷軸承，其特征在于：外圈的材料為軸承 鋼或者陶瓷。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的陶瓷軸承，其特征在于：內(nèi)圈的材料為軸承 鋼或者陶瓷。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的陶瓷軸承，其特征在于：保持架為非金屬含 油材料.
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的陶瓷軸承，其特征在于：保持架的材料為聚 酰亞胺、酚醛夾布膠木或尼龍。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的陶瓷軸承，其特征在于：陶瓷球為氮化硅、氧 化鋯或氧化鋁。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的陶瓷軸承，其特征在于：陶瓷軸承采用油潤 滑。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的陶瓷軸承，屬于軸承技術(shù)領(lǐng)域，該軸承可在寬溫度范圍、寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。本發(fā)明方法在不改變原有軸承結(jié)構(gòu)形式、潤滑方式、保持器等零部件尺寸的前提下，無需通過復(fù)雜的熱控、高精度的保持架設(shè)計制造、高性能潤滑劑改良等復(fù)雜技術(shù)手段，僅將少部分陶瓷球更換為鋼球，即可確保高速軸承的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，降低振動和噪音，降低阻力矩波動，提高產(chǎn)品的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。采用該技術(shù)的軸承，由于僅更換了部分滾動體，其綜合性能仍與原陶瓷軸承相當(dāng)，保留并改善陶瓷軸承適合高速運轉(zhuǎn)的優(yōu)點，不會顯著降低承載能力，壽命仍與原陶瓷軸承相當(dāng)。
【IPC分類】F16C33-62, F16C19-02, F16C33-32, F16C33-66, F16C33-44
【公開號】CN104847786
【申請?zhí)枴緾N201410559882
【發(fā)明人】周剛, 卿濤, 周寧寧, 李銀朋, 吳金濤, 楊震
【申請人】北京控制工程研究所
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2014年10月20日