一种低应力多球轴承座及其设计方法与流程

本发明涉及多球轴承座，具体为一种低应力多球轴承座及其设计方法。

背景技术：

1、授权公告号为cn107211580b的中国专利公开了一种多球轴承座，其由壳体、顶盖、压块、挡圈、上压板、下压板、滚动体、定位销、定位螺栓、紧固压块、螺栓和螺帽构成。

2、多球轴承座的关键部位是上推力板（又称上压板）、下推力板（又称下压板）、钢球（作为滚动体）和保持架组件，钢球在上推力板和下推力板的中间，保持架组件将这些钢球相互隔开，避免相互摩擦，并且可以引导钢球运动。中间的钢球负责传递从上推力板受到的载荷并确保平稳运行。然而，在实际应用中，这种设计存在显著缺陷：当多球轴承座承受上部结构件传来的载荷时，载荷并不是均匀分布在上推力板上的，而是集中在上推力板的中间部位（上推力板轴线位置），这就会导致距离上、下推力板轴线越近钢球受到的力越大，进而产生较高的接触应力，而距离轴线位置越远的钢球受到的力越小。这种不均匀的应力分布不仅限制了轴承的整体性能，还可能加速中间的钢球及相应推力板区域的磨损，缩短轴承使用寿命，并影响整个系统的可靠性。

3、多球轴承座常用于化学、冶金、电力工业以及各类工程项目，特别是大负载设备、设施的承载。随着工业的快速发展，设备的不断增大，对多球轴承座的承载能力提出很高的要求，要求多球轴承座在相同尺寸下能够承受更高的载荷。因此，急需新的设计方法，以克服上述不足，提高多球轴承座的寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种低应力多球轴承座及其设计方法，在保持上推力板和下推力板承载表面为平面的基础上，通过对不同径向位置的钢球进行分组和直径调整，使各径向组钢球的接触应力趋于均衡，从而降低局部高应力，提高多球轴承座的承载均匀性和工作可靠性。

2、本发明采用的技术方案是：一种低应力多球轴承座的设计方法，所述多球轴承座包括上推力板、下推力板、设置于所述上推力板与所述下推力板之间的多个钢球以及用于对所述钢球进行限位的保持架组件，所述上推力板与所述钢球接触的第一承载表面以及所述下推力板与所述钢球接触的第二承载表面均为平面，所述设计方法包括以下步骤：

3、根据所述上推力板和/或所述下推力板的尺寸确定钢球的分组数量n，其中n≥3，并以所述上推力板和所述下推力板的轴线为基准，根据各钢球距所述轴线的径向距离，将所述钢球由内向外划分为n组，其中距所述轴线最近的径向组为第一组，距所述轴线最远的径向组为第n组；设定第一组钢球的初始直径d1和各相邻径向组钢球之间初始的直径增量，使各径向组钢球的直径由第一组至第n组逐组增大；建立所述多球轴承座的有限元模型，对所述多球轴承座施加轴向载荷，获得各径向组钢球的接触应力；根据各径向组钢球的接触应力之间的偏差调整各相邻径向组钢球之间的直径增量，并基于调整后的各直径增量确定各径向组钢球的直径，以使不同径向位置的钢球通过直径差异对所述多球轴承座的载荷分布进行补偿。

4、作为优选方案，第组钢球的直径满足：

5、

6、其中，为第组钢球的直径，为第组钢球的直径，为第组钢球与第组钢球之间的直径增量，为钢球组的组别序号， =2,3,...,n。

7、作为优选方案，通过所述有限元模型获得不同直径增量配置对应的各径向组钢球的接触应力，并根据各径向组钢球的接触应力之间的偏差调整各相邻径向组钢球之间的直径增量，直至所述接触应力之间的偏差不大于预设应力偏差阈值。

8、作为优选方案，所述各径向组钢球的接触应力为对应径向组内各钢球接触应力的平均值。

9、作为优选方案，所述预设应力偏差阈值为10%。

10、作为优选方案，所述n组钢球分别形成n个以所述轴线为中心的同心层，每一组钢球对应一个同心层，相邻同心层中位于同一径向方向上的钢球之间的球心间距相等。

11、一种低应力多球轴承座，其钢球直径配置按照所述低应力设计方法确定并据此装配形成，所述多球轴承座包括上推力板、下推力板、设置于所述上推力板与所述下推力板之间的多个钢球以及用于对所述钢球进行限位的保持架组件，所述上推力板与所述钢球接触的第一承载表面以及所述下推力板与所述钢球接触的第二承载表面均为平面；

12、所述多个钢球以所述上推力板和所述下推力板的轴线为基准，根据距所述轴线的径向距离由内向外划分为至少三组；

13、同一组中的钢球具有相同的直径，不同组钢球具有不同的直径，且各径向组钢球的直径随其距所述轴线的径向距离增大而逐组增大。

14、作为优选方案，所述多个钢球以所述轴线为中心形成多个同心层，相邻同心层中位于同一径向方向上的钢球之间的球心间距相等，每个同心层中的钢球采用六边形密排结构。

15、作为优选方案，最内层设置6个钢球，由内向外每增加一层，该层钢球的数量增加6个，除最内层和最外层的钢球外，每个钢球周围等距分布6个相邻钢球。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、1.本发明在上推力板和下推力板承载表面保持为平面的情况下，通过设置由内向外逐组增大的钢球直径梯度，使不同径向位置的钢球具有不同的承载特性。相较于各位置采用相同直径钢球的结构，有利于减小内层钢球与外层钢球之间的载荷差异，改善多球轴承座的接触应力分布。

18、2.本发明将钢球按照距推力板轴线的径向距离划分为多个径向组，并以各径向组钢球的接触应力作为直径增量调整依据，通过有限元分析确定钢球直径梯度。由此能够使钢球直径配置与多球轴承座实际径向承载状态相匹配，提高钢球尺寸设计的针对性和可重复性。

19、3.本发明可进一步采用以上推力板和下推力板轴线为中心的同心分层布置，并使外围层钢球数量多于内层钢球数量，从钢球直径和钢球布置两个方面共同改善载荷传递状态。在相同承载区域内，有利于形成较为稳定的承载网络，并提高多球轴承座整体承载能力。

20、4.通过使各径向组钢球的平均接触应力控制在预定偏差范围内，可减少因局部钢球接触应力过大而产生的集中磨损和疲劳损伤。

1.一种低应力多球轴承座的设计方法，所述多球轴承座包括上推力板、下推力板、设置于所述上推力板与所述下推力板之间的多个钢球以及用于对所述钢球进行限位的保持架组件，所述上推力板与所述钢球接触的第一承载表面以及所述下推力板与所述钢球接触的第二承载表面均为平面，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：第组钢球的直径满足：

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：通过所述有限元模型获得不同直径增量配置对应的各径向组钢球的接触应力，并根据各径向组钢球的接触应力之间的偏差调整各相邻径向组钢球之间的直径增量，直至所述接触应力之间的偏差不大于预设应力偏差阈值。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：所述各径向组钢球的接触应力为对应径向组内各钢球接触应力的平均值。

5.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：所述预设应力偏差阈值为10%。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述n组钢球分别形成n个以所述轴线为中心的同心层，每一组钢球对应一个同心层，相邻同心层中位于同一径向方向上的钢球之间的球心间距相等。

7.一种低应力多球轴承座，其钢球直径配置按照权利要求1至6中任一项所述的设计方法确定并据此装配形成，所述多球轴承座包括上推力板、下推力板、设置于所述上推力板与所述下推力板之间的多个钢球以及用于对所述钢球进行限位的保持架组件，所述上推力板与所述钢球接触的第一承载表面以及所述下推力板与所述钢球接触的第二承载表面均为平面，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的低应力多球轴承座，其特征在于：所述多个钢球以所述轴线为中心形成多个同心层，相邻同心层中位于同一径向方向上的钢球之间的球心间距相等，每个同心层中的钢球采用六边形密排结构。

9.根据权利要求8所述的低应力多球轴承座，其特征在于：最内层设置6个钢球，由内向外每增加一层，该层钢球的数量增加6个，除最内层和最外层的钢球外，每个钢球周围等距分布6个相邻钢球。