CN104930054A - 一种滚子轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚子轴承，包括外周具有滚道的内圈、内周具有滚道的外圈、在内圈滚道和外圈滚道之间的滚子、保持架以及止推结构，滚子端面的止推接触区为复合润滑结构，该复合润滑结构由固体润滑涂层和表面微织构组成，其中表面微织构为均匀分布的微凹坑阵列。本发明所述滚子轴承具有提升的抗卡死能力、低摩擦和高服役稳定性的优点，适用于高速、重载、冲击载荷和沙尘等苛刻工况下承受轴向或轴径向联合载荷主轴机构的高效传动。

Description

一种滚子轴承

技术领域

本发明涉及一种滚子轴承，特别是在重载下使用，需要承受高轴向载荷或轴径向联合载荷的滚子轴承。

背景技术

大型风电机主轴或高速铁路机车轮对主轴等机械所用重载滚子轴承，不仅要满足径向承载，还需承受一定的轴向载荷。此类轴承中常有止推设计，即在轴承内圈或（和）外圈设计有挡边或挡圈，以阻止滚子的轴向移动。不同于滚子滚动面与滚道间的滚动接触，轴承滚子端面止推接触区与挡边（圈）之间为滑动接触。在因启停、重载或冲击载荷等苛刻工况导致轴承润滑不良时，滚子端面止推接触区与挡边（圈）之间的润滑状态更为苛刻，易发生黏着磨损。此外，来自轴承内部的磨屑或外部污染物颗粒易富集于该接触区，而造成该接触面的磨粒磨损。以上两种情况会导致轴承扭矩增加、卡死甚至烧结失效，使轴承使用寿命大幅下降。因此，优化滚子端面止推接触区的润滑状态和抗磨性对于延长此类轴承的使用寿命、保证机械设备高可靠长寿命运行具有重要意义，尤其对于大型风力发电机或高铁机车等维修、更换费用高、可靠性要求高的大型装备。

目前，针对滚子端面止推接触区与挡边（圈）之间可能发生的磨损、烧结问题，已有技术方案主要集中在以下几方面：首先，优化滚子端面止推接触区的接触几何设计，改进滚子导向，实现接触应力最小化以降低摩擦力矩，同时避免边缘应力，如CN103906939A、CN102252025A、CN1702341A所公开的技术方案；其次，在保持架临近滚子端面区域设计保油槽，具有代表性如CN102171468A所公开方案，其对保持架进行改良，在保持架邻近滚子大径端面处设有凹形保油槽，在富油条件下保油槽的蓄油，当滚子端面润滑不良时，保油槽放油，对滚子端面的润滑；第三，对滚子端面进行粗糙化处理，以提高润滑油的成膜能力和油膜刚度，如CN102483093A和CN1385625A所公开的方案；最后，在滚子端面和挡边镀制抗磨涂层，如US2010/0086250A所公开的技术方案，其通过在滚子大端、小端和挡边接触区镀制非晶碳基涂层，减轻磨屑引起的接触区磨损，提升轴承抗磨性。此外，专利CN101248283A所公开的用于轴承滚道和保持架表面的类富勒烯氮化碳涂层（FL-CNx）也可能用于滚子端面或挡边表面，因FL-CNx涂层兼具低摩擦和超弹性，可缓解磨屑产生的高应力集中导致的涂层塑性变形和裂纹萌生。

尽管通过以上技术手段，可以改善滚子端面止推接触区的润滑状态和抗磨性，然而以上技术方案都无法避免磨屑或外部污染物等硬质微粒所带来的轴承损伤。抗磨涂层虽可提高表面抗磨性，但硬质微粒所引起的高应力集中仍可能造成涂层的脆性断裂和剥落，使轴承有效寿命降低，也无法避免因硬质微粒在轴承内部迁移而造成的轴承组件损伤以及对轴承运行稳定性的影响。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种滚子轴承，特别是重载下使用的，需要承受高轴向载荷或轴径向联合载荷的滚子轴承，其不仅具有改善的滚子端面止推接触区润滑状态和抗磨性，还能有效避免磨屑或外部污染物等硬质颗粒导致的轴承摩擦、磨损问题，进一步提升滚子轴承在高速、重载、冲击载荷和沙尘等苛刻条件下的服役性能。

本发明所述的滚子轴承，包括外周具有滚道的内圈、内周具有滚道的外圈、在内圈滚道和外圈滚道之间的滚子、保持架以及止推结构，其特征在于：所述滚子端面的止推接触区为复合润滑结构，该复合润滑结构由固体润滑涂层和表面微织构组成，其中表面微织构为均匀分布的微凹坑阵列。

所述止推结构为挡边或挡圈。

所述微凹坑阵列中凹坑的形状为圆形、椭圆形、三角形和四边形中的一种或其组合。

所述微凹坑面积密度小于65%，深度大于5 μm。

所述固体润滑涂层包括非晶碳层和过渡层，涂层总厚度为2～5 μm，涂层纳米压入硬度不小于9 Gpa，其中，非晶碳层掺杂有金属或非金属元素以改善涂层性能，掺杂元素包括铬(Cr)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、硅(Si)、硼(B)、氟(F)、氮(N)中的一种或几种。非晶碳层和滚子端面之间的过渡层为铬(Cr)、钛(Ti)、硅(Si)中的一种。

所述滚子的结构为圆柱型、圆锥型或球面型中的一种或其组合。

止推接触区复合润滑结构的构筑可采用但不限于以下两种过程：（1）在滚子端面制备出所需要的表面微织构，之后在织构化的表面沉积固体润滑涂层；（2）在滚子端面沉积固体润滑涂层，之后在涂层表面进行表面微造型。值得注意的是，方法（2）后续的微造型过程不应对涂层的性能和结合力产生不利影响。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明滚子端面止推接触区设计为复合润滑结构，该复合润滑结构中的表面微织构在流体润滑状态下的微动压效应可提高润滑油膜的承载力；同时，当采用润滑脂润滑时，轴承工作常处于乏油润滑状态，表面微织构中储存的润滑脂在离心力作用下分油，实现对端面止推接触区的持续润滑，从而避免接触区温升和轴承卡死；而非晶碳基涂层的自润滑和高抗磨特性进一步提高了轴承的抗磨性和抗卡死能力。

2、本发明轴承内部产生的磨屑在离心力作用下随润滑剂流动易富集于滚子端面，滚子端面止推接触区的复合润滑结构可实现对磨屑的捕集；进入滚子端面的外部污染物微粒也可被复合润滑结构捕获、储存，防止污染物颗粒向轴承内部扩散。通过对硬质颗粒的捕集，还可避免硬质颗粒在非晶碳涂层表面产生的高接触应力，从而避免涂层的裂纹萌生和剥落。

3、本发明所述滚子轴承具有提升的抗卡死能力、低摩擦和高服役稳定性的优点，适用于高速、重载、冲击载荷和沙尘等苛刻工况下承受轴向或轴径向联合载荷主轴机构的高效传动，例如高速铁路轮对主轴、大型风力发电机主轴、船舶引擎传动***或钻探机械。

附图说明

图1为本发明所述圆锥滚子轴承的结构示意图。

图2为本发明所述滚子的结构示意图。

图3为本发明所述圆锥滚子端面与轴承钢滚子端面的摩擦系数变化图。

图中：1-内圈  2-外圈  3-滚子  4-保持架  5-止推结构  6-止推接触区  7-表面微织构。

具体实施方式

实施例1

如图1、2所示，滚子轴承，包括外周具有滚道的内圈1、内周具有滚道的外圈2、在内圈1滚道和外圈2滚道之间的滚子3、保持架4以及止推结构5，滚子3端面的止推接触区6为复合润滑结构，该复合润滑结构由固体润滑涂层和表面微织构7组成，其中表面微织构7为均匀分布的微凹坑阵列。

止推结构5为挡边或挡圈。

微凹坑阵列中凹坑的形状为圆形、椭圆形、三角形和四边形中的一种或其组合。

微凹坑面积密度小于65%，深度大于5 μm。

固体润滑涂层包括非晶碳层和过渡层，涂层总厚度为2～5 μm，涂层纳米压入硬度不小于9 Gpa，其中，非晶碳层掺杂有金属或非金属元素以改善涂层性能，掺杂元素包括铬(Cr)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、硅(Si)、硼(B)、氟(F)、氮(N)中的一种或几种。

非晶碳层与滚子端面基体材料间设计有过渡层，以提高非晶碳层结合力。根据滚子的基体材料不同，过渡层可选铬(Cr)、钛(Ti)、硅(Si)中的一种。例如，若滚子材料为轴承钢，优选铬(Cr)为过渡层；若滚子材料为氮化硅、碳化硅等硅基陶瓷，则优选硅（Si）为过渡层。此外，为进一步优化非晶碳层与滚子端面的结合，过渡层可采取梯度多层等目前已有的提高涂层力学性能的结构设计方法。

滚子3的结构为圆柱型、圆锥型或球面型中的一种或其组合。

实施例2

图3为本发明所述圆锥滚子端面与轴承钢滚子端面的摩擦系数变化图。滚子基体材料为GCr15轴承钢，滚子大端直径10 mm，复合润滑结构中的微织构为圆形微凹坑阵列，凹坑直径：200 μm，密度Dt：25%，凹坑深度5~7 μm。固体润滑涂层为Cr掺杂非晶碳层，过渡层为Cr，涂层总厚度2.5 μm。利用SRV摩擦试验机测试GCr15轴承钢滚子端面和具有复合润滑结构滚子端面的摩擦系数变化，测试条件：振幅1 mm，频率25 Hz，载荷10～150 N，润滑剂为PAO-10，摩擦对偶为轴承钢盘以模拟滚子端面与滚道挡边的接触。

实验结果如图3所示：初始跑合阶段，轴承钢滚子端面的摩擦系数高达0.4且变化剧烈（0.3~0.8），后期稳定在0.3左右；而具有复合润滑结构的滚子端面初始跑合阶段的摩擦系数低于0.15且无大幅波动，并最终稳定在0.1左右，稳定摩擦系数降幅达60%。表明相对于滚子端面为轴承钢的传统轴承，本发明中滚子端面与挡边之间具有更小的摩擦力以及更稳定的跑合阶段，该效果将有助于本发明滚子轴承摩擦扭矩的降低以及避免初始跑合温升。此外，本发明中滚子端面的摩擦系数更加稳定，且相比于轴承钢滚子端面，载荷的突变并不会导致其摩擦系数的大幅变化，这将有助于增强本发明滚子轴承的运转可靠性和抗冲击载荷能力。摩擦测试后，滚子端面的复合润滑结构完好，并无明显损伤及薄膜脱落行为。

本发明滚子轴承中的滚子基体材料可以选择轴承钢或其他陶瓷材料，包括但不限定于：氧化锆、氧化铝、碳化硅或氮化硅。此外，基于以上设计理念，本发明的滚子轴承不局限于实施例所公开的圆锥滚子轴承，也包括任何需要承受轴向载荷，且滚子端面止推接触区与挡边、挡圈、保持架、导环等轴承部件存在滑动接触的其他类轴承，包括但不限于：圆柱滚子轴承，球面滚子轴承，圆锥推力滚子轴承和球面推力滚子轴承。

Claims (8)

1.滚子轴承，包括外周具有滚道的内圈（1）、内周具有滚道的外圈（2）、在内圈滚道和外圈滚道之间的滚子（3）、保持架（4）以及止推结构（5），其特征在于：所述滚子端面的止推接触区（6）为复合润滑结构，该复合润滑结构由固体润滑涂层和表面微织构（7）组成，其中表面微织构（7）为均匀分布的微凹坑阵列。

2.如权利要求1所述的轴承，其特征在于所述止推结构（5）为挡边或挡圈。

3.如权利要求1所述的轴承，其特征在于所述微凹坑阵列中凹坑的形状为圆形、椭圆形、三角形和四边形中的一种或其组合。

4.如权利要求1所述的轴承，其特征在于所述微凹坑面积密度小于65%，深度大于5 μm。

5.如权利要求1所述的轴承，其特征在于所述固体润滑涂层包括非晶碳层和过渡层，涂层总厚度为2～5 μm，涂层纳米压入硬度不小于9 Gpa。

6.如权利要求5所述的轴承，其特征在于所述非晶碳层掺杂有金属或非金属元素，包括铬、铝、钛、钨、硅、硼、氟、氮中的一种或几种。

7.如权利要求5所述的轴承，其特征在于所述过渡层为铬、钛、硅中的一种。

8.如权利要求1所述的轴承，其特征在于所述滚子（3）的结构为圆柱型、圆锥型或球面型中的一种或其组合。