一種超高速磨鉆用微型球軸承的設計方法
【專利摘要】一種超高速磨鉆用微型球軸承的設計方法，涉及軸承【技術領域】，包括軸承內圈（1）、軸承外圈（2）、保持架（3）、兜孔間隙（4）、引導間隙（5）和滾動體（6），所述軸承內圈（1）和軸承外圈（2）的材質為Cronidur30不銹鋼，所述滾動體（6）的材質為Si3N4陶瓷球，所述保持架（3）的材質為聚酰亞胺復合材料，并采用ADAMS系統(tǒng)CMD語言開發(fā)參數(shù)化角接觸球軸承剛柔多休動力學仿真模塊，通過分析保持架的載荷、變形、溫度的參數(shù)，確定兜孔間隙（4）與引導間隙（5）的比值為D/Y=1.5，兜孔間隙（4）和陶瓷球直徑的比值為D/T=0.09；本發(fā)明使超高速軸承的壽命由平均40小時提高到200小時以上，滿足了醫(yī)療手術動力裝置的要求，且提高超高速軸承壽命的目的。
【專利說明】一種超高速磨鉆用微型球軸承的設計方法
[0001]【【技術領域】】
本發(fā)明涉及軸承【技術領域】，具體地說本發(fā)明涉及一種超高速磨鉆用微型球軸承的設計方法。
[0002]【【背景技術】】
公知的，高速磨鉆微型軸承在工作運轉中，手持式高速磨鉆微型軸承工作轉速為8萬轉/分~30萬轉/分，要求軸承在2秒之內能夠達到最高轉速30萬轉/分，單次使用時間3飛小時，累積壽命大于200小時，在手術過程中有生理鹽水、人體體液、血液滲入到軸承位置，軸承能耐受酶清洗液浸泡后清水沖洗；能耐受高溫壓力蒸汽(150°C)消毒、消毒液(戊二醛等)浸泡消毒、低溫等離子體消毒環(huán)境滅菌后其性能，壽命，耐腐性無影響；軸承受力為隨機交變載荷，軸承噪音< 60dB，由于軸承工作條件十分苛刻，在實際使用過程中軸承出現(xiàn)了以下幾種失效模式:
①無法達到最高轉速；
②高速下軸承保持架運動不穩(wěn)定導致軸承掉速以及保持架劇烈磨損甚至斷裂；
③軸承在沖擊載 荷作用下滾道破壞，無法達到要求的壽命；
④高速條件下軸承接觸點溫度過高出現(xiàn)表面燒傷；
⑤普通不銹鋼軸承在反復使用及消毒過程中出現(xiàn)了輕微生銹的現(xiàn)象；
【
【發(fā)明內容】
】
為了克服【背景技術】中的不足，本發(fā)明公開了一種超高速磨鉆用微型球軸承的設計方法，實現(xiàn)了超高速軸承的壽命由平均40小時提高到200小時以上，滿足了醫(yī)療手術動力裝置的要求，且提高超高速軸承壽命的目的。
[0003]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
一種超高速磨鉆用微型球軸承的設計方法，包括軸承內圈、軸承外圈、保持架、兜孔間隙、引導間隙和滾動體，在軸承內圈的外部設有軸承外圈，多個滾動體設置在軸承內圈與軸承外圈之間的滾道內，所述保持架將多個滾動體一一隔開，所述軸承內圈和軸承外圈的材質為Cronidur30不銹鋼，所述滾動體的材質為Si3N4陶瓷球,所述保持架的材質為聚酰亞胺復合材料，并采用ADAMS系統(tǒng)CMD語言開發(fā)參數(shù)化角接觸球軸承剛柔多休動力學仿真模塊，通過分析保持架的載荷、變形、溫度的參數(shù)，確定兜孔間隙與引導間隙的比值為D/Y=L 5，兜孔間隙和陶瓷球直徑的比值為D/T=0.09。
[0004]所述的超高速磨鉆用微型球軸承的設計方法，所述D/Y=l.5中的D為兜孔間隙，Y為引導間隙，所述D/T=0.09中的T為陶瓷球直徑。
[0005]由于采用了上述技術方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)越性:
1、軸承內圈I和軸承外圈2的材質為Cronidur30不銹鋼材質，由于Cronidur30是一種高氮鉻合金鋼，其中的鉻提高了材料的耐腐蝕性，鑰可以防止麻點產(chǎn)生，氮能夠顯著提高耐腐蝕性能，其抗腐蝕性是原軸承內外套圈材料9Crl8不銹鋼的100倍；碳和氮又能增加鋼的硬度和耐磨性，其疲勞磨損壽命是普通9Crl8不銹鋼的4倍；通過軸承內圈I和軸承外圈2材質的改進，解決了軸承在沖擊載荷作用下由于滾道破壞，而無法達到要求的壽命以及輕微生銹的現(xiàn)象，有效提高了套圈的承載能力，且滿足了軸承內圈I和軸承外圈2在交變載荷下的工作可靠性，使超高速軸承的壽命由平均40小時提高到200小時以上，滿足了醫(yī)療手術動力裝置的要求；
2、將滾動體的材質選用Si3N4陶瓷球，由于陶瓷材料的硬度可達到9Crl8不銹鋼的兩倍，彈性模量是原鋼球9Crl8的1.5倍，因此陶瓷球的承載能力也大大高于不銹鋼球的承載能力，提高了軸承抗交變載荷的能力；由于陶瓷球軸承的工作轉速達到了 9Crl8不銹鋼極限轉速的1.3倍以上，且解決了不銹鋼軸承經(jīng)常達不到最高轉速的難題；陶瓷球軸承在30萬轉/分轉速下運轉時的溫升約為9Crl8不銹鋼軸承溫升的60%，在運行中摩擦溫升小，陶瓷球的質量約為不銹鋼的40%，超高速運轉時，滾動體所受離心力和陀螺力矩小，自旋滑動小，因此摩擦損失明顯低于不銹鋼軸承；Si3N4陶瓷球能抵抗各類無機酸、有機酸的腐蝕，大大提高了軸承的耐腐蝕性；陶瓷球軸承可實現(xiàn)自潤滑，從而提高了對惡劣潤滑環(huán)境的適應性；通過滾動體的材質的改進,解決了滾道接觸點溫度過高出現(xiàn)表面燒傷、軸承無法達到最高轉速及輕微生銹的現(xiàn)象，提高了超高速軸承在惡劣工作環(huán)境中的適應性；
3、保持架的材質為聚酰亞胺復合材料，所述材料有非常好的耐蠕變性能、低而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、非常好的尺寸穩(wěn)定性和生理惰性(適合與食品級潤滑脂接觸)和良好的加工性能，解決了高速下軸承保持架運動不穩(wěn)定導致軸承掉速以及保持架劇烈磨損甚至斷裂的現(xiàn)象；且利用ADAMS系統(tǒng)CMD語言開發(fā)參數(shù)化角接觸球軸承剛柔多休動力學仿真模塊；通過分析保持架的載荷、變形、溫度等參數(shù)，最終確定最佳的兜孔間隙(D)和引導間隙(Y)比值為D/Y=l.5時，會獲得最小的球兜孔力，獲得最佳的質心軌跡，其中兜孔間隙(D)和陶瓷球直徑(T)之比為D/T=0.09，根據(jù)仿真分析確定了性能比較好的保持架結構參數(shù)(保持架兜孔間隙和引導間隙)，并通過軸承試驗驗證了保持架結構優(yōu)化的合理性，提高了保持架在超高速環(huán)境下的穩(wěn)定性，減小了保持架異常磨損。
[0006]【【專利附圖】

【附圖說明】】
圖1是本發(fā)明的結構示意圖；
圖2是本發(fā)明30萬轉/分無優(yōu)化保持架質心運動軌跡；
圖3是本發(fā)明30萬轉/分無優(yōu)化保持架質心運動軌跡；
在圖中:1、軸承內圈；2、軸承外圈；3、保持架；4、兜孔間隙；5、引導間隙；6、滾動體。
[0007]【【具體實施方式】】
通過下面的實施例可以更詳細的解釋本發(fā)明，本發(fā)明并不局限于下面的實施例；
結合附圖1所述的超高速磨鉆用微型球軸承的設計方法，包括軸承內圈1、軸承外圈2、保持架3、兜孔間隙4、引導間隙5和滾動體6，在軸承內圈I的外部設有軸承外圈2，多個滾動體6設置在軸承內圈I與軸承外圈2之間的滾道內，所述保持架3將多個滾動體6 —一隔開，所述軸承內圈I和軸承外圈2的材質為Cronidur30不銹鋼，所述滾動體6的材質為Si3N4陶瓷球，所述保持架3的材質為聚酰亞胺復合材料，并采用ADAMS系統(tǒng)CMD語言開發(fā)參數(shù)化角接觸球軸承剛柔多休動力學仿真模塊，通過分析保持架的載荷、變形、溫度的參數(shù)，確定兜孔間隙4與引導間隙5的比值為D/Y=l.5，兜孔間隙和陶瓷球直徑的比值為D/T=0.09。
[0008]所述的超高速磨鉆用微型球軸承的設計方法，所述D/Y=l.5中的D為兜孔間隙，Y為引導間隙，所述D/T=0.09中的T為陶瓷球直徑。[0009]實施本發(fā)明所述的超高速磨鉆用微型球軸承的設計方法，將軸承內圈I和軸承外圈2材料改為Cronidur30不銹鋼，由于原軸承內外套圈材料使用9Crl8不銹鋼，9Crl8不銹鋼雖然有較強的抗腐蝕性，但在血液、生理鹽水的反復作用下，也出現(xiàn)了輕微的銹蝕痕跡，另外9Crl8耐磨性較差，在手術環(huán)境的沖擊載荷作用下，出現(xiàn)了套圈滾道破壞甚至斷裂的情況；綜合以上情況，將軸承內圈I和軸承外圈2材料改為Cronidur30不銹鋼，Cronidur30是一種高氮鉻合金鋼，其中的鉻提高了材料的耐腐蝕性，鑰可以防止麻點產(chǎn)生，氮能夠顯著提高耐腐蝕性能，其抗腐蝕性是9Crl8不銹鋼的100倍，碳和氮又能增加鋼的硬度和耐磨性，其疲勞磨損壽命是普通9Crl8不銹鋼的4倍，通過套圈改進材料，解決了軸承在沖擊載荷作用下滾道破壞，無法達到要求的壽命以及輕微生銹的現(xiàn)象。
[0010]將滾動體6的材料設計改為Si3N4陶瓷球:原軸承滾動體材料使用9Cr 18鋼球，在高速條件下，軸承接觸點溫度過高出現(xiàn)了鋼球與套圈表面燒傷的現(xiàn)象，另外，軸承還經(jīng)常達不到最高轉速，綜合考慮，將9Crl8鋼球改為Si3N4陶瓷球，采用陶瓷球后有如下優(yōu)點:
A、承載能力高:陶瓷材料的硬度可達到9Crl8不銹鋼的兩倍，彈性模量是9Crl8的1.5倍，因此陶瓷球的承載能力也大大高于不銹鋼球的承載能力，提高了軸承抗交變載荷的能力。
[0011]B、極限轉速高:陶瓷球軸承的工作轉速達到了 9Crl8不銹鋼極限轉速的1.3倍以上。解決了不銹鋼軸承經(jīng)常達不到最高轉速的難題。
[0012]C、摩擦溫升小:陶瓷球軸承在30萬轉/分轉速下運轉時的溫升約為9Crl8不銹鋼軸承溫升的60%。
[0013]D、摩擦損失小:陶瓷球的質量約為不銹鋼的40%，超高速運轉時，滾動體所受離心力和陀螺力矩小，自旋滑動小，因此摩擦損失明顯低于不銹鋼軸承。
[0014]E、耐腐蝕性好:Si3N4陶瓷球能抵抗各類無機酸、有機酸的腐蝕，大大提高了軸承的耐腐蝕性。
[0015]F、自潤滑性能好:陶瓷球軸承可實現(xiàn)自潤滑，從而提高了對惡劣潤滑環(huán)境的適應性。
[0016]通過滾動體的改進，解決了滾道接觸點溫度過高出現(xiàn)表面燒傷、軸承無法達到最高轉速及輕微生銹的現(xiàn)象，提高了超高速軸承在惡劣工作環(huán)境中的適應性。
[0017]保持架作為軸承中最薄弱的一個環(huán)節(jié)，軸承轉速越高，軸承保持架所受到的沖擊力就越大，保持架運轉的穩(wěn)定性也就越不好，解決保持架運動不穩(wěn)定導致的失效主要通過保持架的尺寸優(yōu)化設計和試驗，提高保持架的高速穩(wěn)定性，以往由于缺乏保持架動態(tài)仿真分析手段，所以軸承保持架的尺寸只能在軸承試制完成后，才能換用不同的結構參數(shù)的保持架進行軸承動態(tài)試驗，來確定最終的保持架尺寸，本發(fā)明采用軸承動態(tài)仿真分析軟件可以對軸承保持架質心軌跡進行高速動態(tài)仿真，同時根據(jù)仿真結果進行了軸承保持架優(yōu)化設計。
[0018]原軸承使用ICrlSN1Ti鋼制保持架，鋼制保持架雖然強度高，但在超高速環(huán)境下，其質心軌跡也較為紊亂且鋼制保持架與食品級潤滑脂匹配性較差從而極大影響了保持架的高速穩(wěn)定性，導致軸承掉速甚至出現(xiàn)了保持架劇烈磨損甚至斷裂的現(xiàn)象；針對以上現(xiàn)象，保持架做了如下兩方面的改進:
A、保持架3材料:材料由lCrl8Ni9Ti鋼改為聚酰亞胺復合材料，該材料有非常好的耐蠕變性能、低而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、非常好的尺寸穩(wěn)定性和生理惰性(適合與食品級潤滑脂接觸)、良好的加工性能,通過改進材料,解決了高速下軸承保持架運動不穩(wěn)定導致軸承掉速以及保持架劇烈磨損甚至斷裂的現(xiàn)象。
[0019]B、優(yōu)化保持架參數(shù):保持架3最重要的兩個參數(shù)是兜孔間隙4和引導間隙5，它們的不同組合會極大的影響球兜孔力和磨損，利用ADAMS系統(tǒng)CMD語言開發(fā)參數(shù)化角接觸球軸承剛柔多休動力學仿真模塊；通過分析保持架的載荷、變形、溫度等參數(shù)，最終確定最佳的兜孔間隙(D)和引導間隙(Y)比值:D/Y=1.5時，會獲得最小的球兜孔力，獲得最佳的質心軌跡。其中兜孔間隙(D)和陶瓷球直徑(T)之比為:D/T=0.09，附圖2為30萬轉/分無優(yōu)化保持架質心運動軌跡示意圖，附圖3為30萬轉/分優(yōu)化后保持架質心運動軌跡示意圖，可以根據(jù)仿真分析確定了性能比較好的保持架結構參數(shù):保持架兜孔間隙和引導間隙，并通過軸承試驗驗證了保持架結構優(yōu)化的合理性，提高了保持架在超高速環(huán)境下的穩(wěn)定性，減小了保持架異常磨損。
[0020]本發(fā)明未詳述部分為現(xiàn)有技術。
[0021]為了公開本發(fā)明的發(fā)明目的而在本文中選用的實施例，當前認為是適宜的，但是，應了解的是，本發(fā)明旨在包括一切屬于本構思和發(fā)明范圍內的實施例的所有變化和改進。
【權利要求】
1.一種超高速磨鉆用微型球軸承的設計方法，包括軸承內圈(I)、軸承外圈(2)、保持架(3)、兜孔間隙(4)、引導間隙(5)和滾動體(6)，在軸承內圈(I)的外部設有軸承外圈(2)，多個滾動體(6)設置在軸承內圈(I)與軸承外圈(2)之間的滾道內，所述保持架(3)將多個滾動體(6)—一隔開，其特征是:所述軸承內圈(I)和軸承外圈(2)的材質為Cronidur30不銹鋼,所述滾動體(6)的材質為Si3N4陶瓷球,所述保持架(3)的材質為聚酰亞胺復合材料，并采用ADAMS系統(tǒng)CMD語言開發(fā)參數(shù)化角接觸球軸承剛柔多休動力學仿真模塊，通過分析保持架的載荷、變形、溫度的參數(shù)，確定兜孔間隙(4)與引導間隙(5)的比值為D/Y=l.5，兜孔間隙(4)和陶瓷球直徑的比值為D/T=0.09。
2.根據(jù)權利要求1所述的超高速磨鉆用微型球軸承的設計方法，其特征是:所述D/Y=L 5中的D為兜孔間隙，Y為引導間隙，所述D/T=0.09中的T為陶瓷球直徑。
【文檔編號】F16C33/62GK104033488SQ201410272016
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權日:2014年6月18日
【發(fā)明者】孫北奇, 葛世東, 程俊景, 于曉凱, 馬小梅, 韓濤, 張文濤, 屈馳飛 申請人:洛陽軸研科技股份有限公司