浅析 滚针轴承轴向偏移检测方法

刘淑华

摘 要：轴向偏移是滚针轴承的一个重要的使用特性，在工作过程中偏移量的大小直接会影响到轴承的振动与噪声，进而影响发动机的使用性能。引起轴向偏移的因素很多，如轴承材料、装配、工作载荷等，主要针对保持架引导面偏差引起的滚针偏移作用力进行了分析，研究了滚针轴承间隙状态下滚针接触的变形几何条件，分析了轴向偏移的检测系统的基本参数，认为由于径向间隙的存在，滚针在接触过程中存在临界点，在临界点之前滚针与前滚针组成两滚针接触，在临界点以后与后滚针组成两滚针接触，检测转速对轴向偏移有较大的影响。

关键词：滚针轴承；轴向偏移；偏移检测

滚针轴承在发动机中发挥着重要的作用，使得生产企业对滚针轴承的质量要求较高。滚针在引导过程中的倾斜，主要是由保持架的引导接触面及保持架的结构尺寸较小造成的。滚针轴承轴向偏移的检测是滚针轴承投入安装使用前的重要检测环节，对于滚针轴承的好坏评价具有决定性影响，但是目前对于滚针轴承检测比较缺乏，国内的轴承行业中，基本上是靠人工感觉和凭人耳来判断轴承缺陷状况，这种方法已不能满足大批量生产的需要，相关的研究对于滚针歪斜对于轴承性能影响研究比较少，对于滚针歪斜引起的偏移检测研究还没有开展，在轴向偏移检测理论以及方法上进行了初步的研究，因此，对滚针轴承轴向偏移检测方法进行探讨具有重要意义。

2 保持架偏差引起外圈轴向偏移

2.1 外圈轴向偏移

在实际应用过程中，内外圈滚道的锥度以及安装的平行度等都会造成滚针轴承轴向偏移，下面主要对引起轴向偏移中保持架偏差进行探究。滚针与轴向在进入滚道之后会保持一个非平行的状态，这时滚针会出现歪斜的情况，滚针就会无法在滚道上进行正常运行。滚针轴线产生歪斜，是在保持架作用面的偏差条件下产生的，椭圆形点为歪斜滚针与滚道的起始接触形式，轴承滚道的切线方向为滚针截面长轴的方向，滚针歪斜角会对长轴的大小造成一定的影响。 

　 　

图 1 无内外圈滚针轴承结构特点

滚针在进入滚道前处于与轴向非平行的状态，滚针绕轴承外法线方向的转动为滚针的歪斜，滚针发生歪斜后，滚针在滚道内不能维持正常的滚道运动，将对滚道产生一定的滑动摩擦，特别是滚针两端与轴承外圈的摩擦较大，存在类似于螺旋滚道的受力情况，如图 2 所示。以常规使用的手动芯轴检测方法为例进行分析，即芯轴转动时的惯性轮轴向偏移检测。

图 2 偏斜滚针上摩擦力作用分布

当外圈静止不动时，内圈会在逆时针的方向进行旋转，轴向作用力的产生会在歪斜的滚针与滚道的摩擦下出现，在轴向会产生一定的轴向偏移，这时是滚针轴承的外圈产生的，这样就会对轴承的性能产生一定的影响。

2.2 外圈偏移的检测方法

在对滚针轴承的轴向偏移进行检测时，一般会分为内、外圈转动，内圈转动是工厂实际应用最多的检测方法，在检测时,主要形式为滚针轴承的芯轴转动。

3. 轴向偏移检测系统参数的分析

3.1轴承径向滚动体载荷的分析

为了使滚针旋转灵活，滚针与内外圈之间、保持架接触点之间必须有一定的间隙，滚针与内外圈之间存在一定的相对位移量，在轴承的运转过程中，滚针位置的不断变化使得滚针在受力部位的数量在奇数与偶数之间不断变化，奇压与偶压受载形式交替出现。在这两种不同的受载条件下，滚针承受的载荷、变形及刚度的均发生一定规律的变化。

3.2惯性轮间隙对轴向偏移的影响

在实验过程中，滚针轴承产生轴向偏移，为方便地对轴承的质量进行评价，需确保在检测过程中，减少接触滚针的数量，确保惯性轮的稳定性，同时也要保证有 2 个滚针的状态为接触状态，剩下的 5 个就会对惯性轮产生轴向偏移产生一定的阻碍。在滚针接触的变化过程中，也就是从 0 到 10 的变化过程中，确保 2 个滚针为接触状态，3 个滚针为非接触状态，这时再对角度进行调整，当在 20 以上时，第三个滚针在这时进入接触状态，这样就能发现，前后滚针接触的临界点为滚针在顶上的位置。

3.3 惯性轮转速对轴向偏移的影响分析

设滚针在外圈转过 β 角后，滚针回复到轴向位置，实际上可能有差别，但 β 是外圈最少需要转过的角度，由式（2）可见，滚针的轴向作用力 Fnx0与作用在滚针上的径向作用力 Qψof、Qψif以及摩擦力有关，这里主要考虑径向作用力的影响 Fnx（t）=F（Qψof、Qψif），由图 5 可见，作用在歪斜滚针上的径向力与滚针的位置有关，另外由于检测过程中的径向载荷为惯性轮的重量，因而，惯性轮的重量对于轴承检测的偏移量有一定的影响。

（a）滚针处于中间位置 （b）滚针偏离中间位置

图 3 转速对滚针接触的影响

3. 结语

滚针与内外导轨接触面上，滚针半径相对较小的情况时，会导致滚针出现歪斜运动，增加弯曲变形的几率。但是，保持架在实际应用中无法确保滚针接触面与轴向保持绝对的平衡，在保持架的作用下，滚针就会进入受力作用区，一旦滚针在歪斜的情况下进入承载区时，就会出现轴向偏移的现象。轴承间隙将使得轴承在运行过程的接触为单、双滚针接触，在实际检测中难以达到三针接触检测；滚针的接触存在临界点，临界点后，歪斜滚针进入与中滚针组成两个滚针的接触状态，临界点前后的滚针接触成不同的滚针接触。检测惯性轮在外圈转动过程中，惯性轮中心相对轴中心左右上下跳动，滚针轴承的间隙越大则该跳动量越大，且过大的转速同样引起跳动的加剧，不利于对轴承偏移量的检测评价。通过对滚针轴承轴向偏移检测方法的探讨，有助于实现我国轴承行业的可持续发展，满足行业对轴承的批量生产需要，提升该行业的经济效益。

【参考文献】

【1】陶涛，马小燕，花良浩，等. 改进型 SVM 在轴向磁轴承转子位移自检测中的应用[J]. 电机与控制应用, 2018, 45(10):109-115.

【2】张汉年, 鲍安平, 段向军,等. 高频信号注入的无轴承同步磁阻电机转子位移检测方法[J]. 微特电机, 2017, 45(3):26-30.