直線運(yùn)動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)誤區(qū)
【軸承網(wǎng)】 在進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)
軸承的設(shè)計(jì)時(shí)，存在著諸多誤區(qū)，包括所有鋼軸都是相同的、不可在惡劣環(huán)境中使用直線軸承、軸承座圈與滾動(dòng)體接觸越緊密負(fù)荷能力越強(qiáng)、不重視軸承潤(rùn)滑劑的正確選擇、快速運(yùn)轉(zhuǎn)直線軸承將縮短軸承的運(yùn)動(dòng)周期、滾動(dòng)接觸體不會(huì)磨損、不重視表面拋光、使用小型軸承會(huì)降低系統(tǒng)高度、軸出現(xiàn)溝槽時(shí)軸會(huì)損壞，以及材料硬度越大軸承性能越好等。為了更好地幫助設(shè)計(jì)者在進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)中避免這些誤區(qū)，本文將逐一對(duì)上述誤區(qū)進(jìn)行分析?！ ∷袖撦S都是相同的 直線運(yùn)動(dòng)軸承的軸最常用的材料是中度高碳鋼。工程師應(yīng)當(dāng)與供應(yīng)商確認(rèn)所使用鋼材的碳含量、伸直度、彎曲度、表面拋光度、硬度以及硬化層深度等是否適用于軸承的應(yīng)用環(huán)境。鋼材內(nèi)的雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致軸承過(guò)早損壞，原因是其可能會(huì)對(duì)軸承產(chǎn)生較大的Hertzian接觸應(yīng)力。材料的化學(xué)組成和均勻性不足會(huì)影響軸的加工性能，尤其會(huì)影響降低粗糙度或高點(diǎn)的能力。通常其表面需要含有帶有波谷的坪區(qū)，同樣也需要足夠的硬度和硬化深度以支持較高軸承負(fù)荷下的Hertzian接觸應(yīng)力，確保不會(huì)發(fā)生表層以下的過(guò)早損壞。 直線軸承不可在惡劣環(huán)境中使用 請(qǐng)?zhí)貏e注意，當(dāng)在低溫或深海環(huán)境中使用直線軸承時(shí)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、正確密封和材料選擇均是至關(guān)重要的因素。其中一個(gè)要避免的誤區(qū)是忽略溫度的劇烈變化（例如，-40~85℃）導(dǎo)致尺寸變化的熱效應(yīng)對(duì)軸承軸向和徑向裝配間隙的影響。其可能需要配有刮板的特殊密封和潤(rùn)滑選件，而選擇涂層和材料時(shí)，鹽霧試驗(yàn)也有可能不會(huì)最終測(cè)量出特定應(yīng)用的抗腐蝕性。舉例說(shuō)明，標(biāo)準(zhǔn)鹽霧與完全浸沒(méi)并不相同。另外，還有很多保護(hù)表面的選件，都各有其優(yōu)勢(shì)。對(duì)于
滾動(dòng)軸承，TDC（薄密鍍鉻）涂層要比TDN（薄密鍍鎳）涂層具有更好的耐磨損特性，原因并不在于摩擦特性，而是其硬度更高。但在標(biāo)準(zhǔn)鹽霧試驗(yàn)中優(yōu)于TDC的TDN在軸承接觸應(yīng)力方面則表現(xiàn)較差。 軸承座圈與滾動(dòng)體接觸越密切負(fù)荷能力越強(qiáng) 人們通常誤認(rèn)為負(fù)荷能力越強(qiáng)，軸承性能越好。對(duì)于滾動(dòng)軸承，溝槽半徑與滾動(dòng)體半徑之間的比率為密切因數(shù)，而由于材料特性會(huì)對(duì)應(yīng)力有一定限制，幾何一致性（密切度）的增加則擴(kuò)大了接觸表面的面積，因此，提高了軸承的負(fù)荷能力。但是由于特定的限制性，當(dāng)密切度變得很大時(shí)，軸承的性能開(kāi)始下降，負(fù)荷能力也隨之降低。其中一部分原因是切向切變差異（作為相對(duì)表面加速度的函數(shù)）的增大。同時(shí)，公差減少以及高密切度因數(shù)也會(huì)導(dǎo)致高摩擦特性，這些都證明了密切度過(guò)大并不是好事。圖1 直線運(yùn)動(dòng)軸承產(chǎn)品的設(shè)計(jì)存在諸多誤區(qū) 不重視軸承潤(rùn)滑劑的正確選擇 中等厚度的鋰基潤(rùn)滑脂即可適用于大多數(shù)軸承。認(rèn)為潤(rùn)滑劑并不重要，或者認(rèn)為潤(rùn)滑脂作為軸承潤(rùn)滑劑要比潤(rùn)滑油更好，這些都是錯(cuò)誤概念。正確選擇潤(rùn)滑劑是直線軸承應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通?？赡軙?huì)是軸承性能完全或不足的根本原因所在。滾動(dòng)體和軸承座圈之間的膜層是EHL（彈流潤(rùn)滑層）。這種潤(rùn)滑層具備極高的應(yīng)力，可同時(shí)抗擊物理（例如熱力和切變）和化學(xué)（例如污染物和溶劑）沖擊（可導(dǎo)致潤(rùn)滑劑失效的沖擊），作為軸承表面的主要保護(hù)層，防止過(guò)早損壞。潤(rùn)滑是保證軸承性能的重要因素。 潤(rùn)滑劑的種類(lèi)很多，從用于高負(fù)荷的帶有EP添加劑的高粘度潤(rùn)滑脂，到用于化學(xué)保護(hù)的帶有防腐劑的低粘度潤(rùn)滑油；從用于降低粘度破壞或防止蒸發(fā)損失的合成潤(rùn)滑劑，到用于低摩擦特性或兼容性考量的中性或有機(jī)潤(rùn)滑劑。有些特殊潤(rùn)滑劑專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于消聲或抵抗富氧環(huán)境亦或極端溫度狀況。因此，選擇正確潤(rùn)滑劑的重點(diǎn)就是要詳細(xì)了解操作環(huán)境。 快速運(yùn)轉(zhuǎn)直線軸承將會(huì)縮短軸承的運(yùn)動(dòng)周期 滑動(dòng)軸承以及狹義上的徑向軸承和油膜軸承在其運(yùn)動(dòng)周期中對(duì)速度這一因素極其敏感，但是有趣的是，滾動(dòng)直線軸承的運(yùn)動(dòng)周期僅僅因速度和加速度對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷的影響而改變。只要運(yùn)動(dòng)體系用作影響負(fù)荷的因素，直線軸承就不會(huì)受到PV（壓力速度）的影響，不會(huì)對(duì)排熱因素敏感，也不會(huì)受是否支持宏觀膜層因素的影響（根據(jù)伯努利方程，液體邊界層是主宰因素，速度是主要變量）。當(dāng)速度和加速度超過(guò)一定的標(biāo)準(zhǔn)，即滾動(dòng)體不再滾動(dòng)或開(kāi)始影響EHL（超過(guò)v=3~5m/s且a=10g），此時(shí)，滾動(dòng)直線軸承的L10運(yùn)動(dòng)周期可通過(guò)Lundberg和Palmgren軸承失效理論中的方程進(jìn)行估算：運(yùn)動(dòng)周期=（額定負(fù)荷/等效負(fù)荷）3×額定運(yùn)動(dòng)量，其中速度和加速度并不是因數(shù)。 滾動(dòng)接觸體不會(huì)磨損 滾動(dòng)接觸體不會(huì)達(dá)到滑動(dòng)軸承的磨損程度，與較低的摩擦系數(shù)有著莫大的關(guān)聯(lián)，只是微觀上的磨損而已。在有著明顯密切幾何體的軸承中，滾動(dòng)體和軸承座圈之間的相對(duì)切向表面速度存在差異。表面明顯不會(huì)以相同速度運(yùn)轉(zhuǎn)。這一差異會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑劑的切變，損壞潤(rùn)滑膜層的粘度，危及到EHL（可導(dǎo)致磨損和過(guò)早損壞）。根據(jù)負(fù)荷和環(huán)境狀況的不同，可能需要較高頻率的再潤(rùn)滑循環(huán)。 忽視表面拋光的重要性 并不是所有所謂的表面拋光都是相同的，有時(shí)候外表是具有欺騙性的。表面拋光可稱(chēng)之為Ra、Rrms和Rpk等。有些表面拋光基于平均讀數(shù)，而有的則是峰值到谷值或峰值到峰值的讀數(shù)。對(duì)于軸承的負(fù)荷性能來(lái)說(shuō)，表面拋光至關(guān)重要。通常設(shè)計(jì)者需要注意高點(diǎn)，對(duì)于相同表面拋光值，帶有谷值的坪區(qū)要優(yōu)于帶有峰值到谷值的坪區(qū)。表面太粗糙（長(zhǎng)刺或高點(diǎn)），通常意味著拋光更難，這對(duì)于軸承的性能無(wú)益。表面太精細(xì)，拋光則會(huì)影響潤(rùn)滑劑在軸承表面形成適當(dāng)膜層的性能，同樣不利于軸承的性能。因此，在大多數(shù)情況下，在軸承應(yīng)用中表面拋光不應(yīng)低于2Ra，這是決定表面拋光優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。 使用小型軸承會(huì)降低系統(tǒng)高度 許多設(shè)計(jì)者都會(huì)陷入這樣一個(gè)誤區(qū)，即力求尋找更為緊湊且小巧的軸承。這一誤區(qū)忽視了實(shí)際決定系統(tǒng)整體高度的其他參數(shù)或元件。這些元件通常是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、支架、馬達(dá)或者變速箱。這些會(huì)限制尺寸大小的元件對(duì)于系統(tǒng)至關(guān)重要，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要及早考慮。忽視這一點(diǎn)往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)者需要在小型尺寸的直線軸承下面放置額外的墊圈或冒口，以構(gòu)建足夠的高度與驅(qū)動(dòng)器、馬達(dá)或支架相匹配。通過(guò)整體設(shè)計(jì)以及正確選擇系統(tǒng)元件，即可避免時(shí)間、資金的浪費(fèi)，以及系統(tǒng)元件誤用的損失。 軸出現(xiàn)溝槽時(shí)會(huì)損壞 恰恰相反，軸出現(xiàn)溝槽并不是壞事。有些時(shí)候直線軸承會(huì)在高負(fù)荷情況下運(yùn)行，在幾次運(yùn)行之后軸就會(huì)出現(xiàn)溝槽，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為“安定狀態(tài)”。當(dāng)軸承在高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，Hertzian接觸應(yīng)力會(huì)非常大，大到足夠熔化硬度極高的高碳軸承鋼。由于這只是壓力效應(yīng)，熔化的材料并不會(huì)移動(dòng)或轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致下層脫離，最終導(dǎo)致材料損壞或磨損。其實(shí)際接觸應(yīng)力由于溝槽導(dǎo)致接觸面積增加而低于等效應(yīng)力的位置保持穩(wěn)定狀態(tài)。負(fù)荷不會(huì)造成材料的進(jìn)一步熔化。 如果出現(xiàn)這種情況，即軸開(kāi)始出現(xiàn)溝槽，然后保持穩(wěn)定。因此，工程師此時(shí)不應(yīng)旋轉(zhuǎn)或更換軸，因?yàn)榻酉聛?lái)軸承會(huì)承受另外一次“安定狀態(tài)”循環(huán)，若滾珠不夠堅(jiān)硬就會(huì)超過(guò)限定值。 材料硬度越大軸承性能越好 較高的材料硬度代表了較高的屈服應(yīng)力極限值，但是這并不一定是好事。高硬度同樣意味著脆度的增加，也就意味著要犧牲材料的韌度。其可能在彎曲之前就會(huì)破裂，但有時(shí)彎曲是必須的。 這也是一種平衡取舍。緊密接觸軸承元件的適當(dāng)硬度會(huì)優(yōu)化軸承的性能。標(biāo)準(zhǔn)直線軸承基本上有3個(gè)主要負(fù)荷軸承元件：內(nèi)座圈、滾動(dòng)體和外座圈。如果滾珠比內(nèi)座圈要硬很多，則會(huì)由于高接觸應(yīng)力而磨損內(nèi)座圈。如果滾珠較軟，則自身會(huì)磨損，導(dǎo)致滾珠出現(xiàn)平斑。外座圈同樣存在這些問(wèn)題。通常情況下，對(duì)于直線軸承，外座圈要比內(nèi)座圈運(yùn)行更多的循環(huán)周期，但是根據(jù)內(nèi)座圈的幾何形狀（例如密切度），外座圈最好比內(nèi)座圈的硬度稍高或稍低。不管是何種情況，稍低硬度的滾動(dòng)體（因材料而異）會(huì)更為理想，可以?xún)?yōu)化軸承的整體性能。
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