本发明涉及滚动轴承，具体地涉及一种减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承及寿命计算方法。
背景技术：
外啮合齿轮泵作为液压系统一个重要的组成成分，工作时利用两个相互外啮合的齿轮与油泵内壁之间的密闭的容积腔的体积的变化来实现吸排油。外啮合齿轮泵具有结构简单，尺寸和质量小，制造方便，自吸能力强，对油液污染不敏感等一系列的优点，但是同样存在着径向不平衡力使得外啮合齿轮泵的轴承磨损较为严重的问题。所以本发明在结构上加以改造，研究开发出一种可以减小轴承滚动体上所受径向不平衡力的滚动永磁复合轴承。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承及寿命计算方法，将普通的滚动轴承与永磁轴承进行组合，并在轴承结构上加以改造，对轴承的内外圈进行磁化，使得轴承内圈的内外两侧具有不同的磁性，轴承外圈组件由四部分组成，分别是两个磁化的部分和两个非磁化的部分，四部分之间通过和卡槽和螺栓连接固定，当外啮合齿轮泵在进行工作时，以轴承滚动体作为主要的受力装置，轴承内外圈之间产生的磁力作为辅助，用于减小轴承滚动体上所承受的齿轮泵的径向力，减小轴承滚子因摩擦挤压产生的磨损，提高轴承的寿命。与此同时，在结构上加以改造，将外圈设置成组件的形式，方便其安装与外圈的磁化处理过程。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：
本发明提供一种减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承，其包括磁化内圈、磁化外圈、滚动体以及保持架，所述滚动体设置在所述磁化内圈的内部，所述磁化外圈设置在所述磁化内圈的外侧，所述滚动体借助于所述保持架进行安装，
所述的轴承磁化内圈为圆环状，所述轴承磁化内圈上与轴相接触的内侧面的磁性和所述轴承磁化内圈上与滚动体相接触的外侧面的磁性相反，
所述的磁化外圈包括第一磁化组件、第二磁化组件、第一非磁化组件以及第二非磁化组件，所述第一磁化组件和第二磁化组件相对设置，所述第一非磁化组件和第二非磁化组件相对设置，第一磁化组件、第一非磁化组件、第二磁化组件以及第二非磁化组件首尾相接组合形成圆环状的所述磁化外圈，所述第一磁化组件和第二磁化组件的两个端部分别设置有一个凸起，所述第一非磁化组件和第二非磁化组件的两个端部分别设置有一个与所述凸起相配合的凹槽，所述第一磁化组件、第二磁化组件、第一非磁化组件以及第二非磁化组件的端部的外侧分别设置有一个凸台，所述凸台开设有螺栓孔，所述第一磁化组件、第二磁化组件、第一非磁化组件以及第二非磁化组件彼此之间通过凸起和凹槽连接后进一步借助于安装件穿过所述安装孔进行固定；
所述第一磁化组件和第二磁化组件的磁性相反，即所述第一磁化组件的内圈的磁性与所述轴承磁化内圈的外侧面相反，所述第二磁化组件的内圈的磁性与所述轴承磁化内圈的外侧面相同；
在安装过程中，先将磁化外圈的第一磁化组件、第二磁化组件、第一非磁化组件以及第二非磁化组件其中三个组件进行组合安装，构成一个不完整的外圈，然后在轴承内圈与不完整的外圈之间加入滚动体和保持架，在滚动体和安装架安装完成之后将磁化外圈剩余的一个组件进行安装；
在将轴承安装在齿轮泵上时，所述第一磁化组件安装在齿轮泵的高压油区，所述第二磁化组件安装在齿轮泵的低压油区，从而通过轴承磁化内圈外侧与磁化外圈的第一磁化组件的吸力和轴承磁化内圈与外圈第二磁化组件的斥力来减小一部分轴承滚动体上所承受的外啮合齿轮泵上由高压油区向低压油区的径向不平衡力。
优选地，所述安装件为螺栓，所述安装孔为螺栓孔。
优选地，当齿轮泵不工作时，磁化内圈处于正中位置，当齿轮泵在工作过程中，吸排油区的压力差产生的径向不平衡力作用在主轴上使得主轴发生偏移，主轴上的滚动轴承的磁化内圈与磁化外圈的距离发生变化，磁化内圈和磁化外圈下环面之间的磁性斥力增加，增加的磁性斥力能够平衡或者抵消一部分转轴上的径向不平衡力。
优选地，本发明还提供一种基于上述减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承的滚动轴承寿命计算方法，其包括以下步骤：
s1、计算轴承内外圈之间的磁力，其包括以下子步骤：
s11、作用在磁性颗粒上的磁力，由在磁化时所获得的的位能确定，其位能利用下式求出：
其中，μ0为真空中的磁导率，κ为介质的体积磁化率，dv为颗粒的体积元；
s12、根据力学定律，作用在磁性颗粒上的磁力利用颗粒位能的负梯度值来表示，
s13、当颗粒粒度不大时，假定颗粒的体积磁化率在所占的体积范围是个常数，其所占的体积内hgradh也近似常数，则磁性颗粒的磁力表示为：
f磁＝μ0κvhgradh；
s14、运用比磁力的概念消除矿物颗粒中实际存在的空隙对磁力计算的影响，得出磁性的磁力的计算公式：
其中，m为颗粒的质量，单位为kg，δ为颗粒的密度，单位为kg/m3，χ为颗粒的比磁化率，单位为m3/kg；
s15、对每一个磁性颗粒上作用的磁力进行积分，得到作用在内外圈之间的磁力大小；
s2、计算滚动轴承的寿命，其包括以下子步骤：
s21、计算外啮合齿轮泵上所受的径向不平衡力，外啮合齿轮泵上所受的径向不平衡力为：
p径＝f径-f磁
其中，f径表示外啮合齿轮泵的径向不平衡力，对于主动轮来说，f径＝f1，而对于从动轮来说，其所承受的径向力f径＝f2；
其中，主动轮轴承上的合力和从动轮轴承上的合力的计算公式如下：
f1＝0.75δpbda
f2＝0.85δpbda
其中，f1表示作用在主动轮轴承上的合力，单位为n；
f2表示作用在从动轮轴承上的合力，单位为n；
δp表示齿轮泵的出口与入口的压力差，单位为pa；
b表示齿轮泵的齿宽，单位为m；
da表示齿轮泵的齿顶圆直径，单位为m；
s22、计算滚动轴承上的当量动载荷，滚动轴承上的当量动载荷为：
其中，p径表示滚动轴承上所承受的径向力；p轴表示滚动轴承上所承受的轴向力；
s23、计算滚动轴承的寿命，滚动轴承的寿命计算公式为：
其中，lh表示滚动轴承的额定寿命，单位为小时；
n表示滚动轴承的工作转速，单位为r/min；
c表示滚动轴承的基本额定动载荷，单位为n；
p表示滚动轴承的当量额定动载荷，单位为n；
ε表示轴承的计算系数，对于滚动轴承，ε＝10/3。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明将滚动轴承的内外圈进行磁化，使得轴承的内外圈具有磁性，利用磁力可以减小一部分轴承滚动滚动体上所承受的外啮合齿轮泵的径向不平衡力，减小了因外力挤压导致的轴承滚子的过度磨损，提高了轴承的寿命。同时，将外圈设计成组件的形式，简便了轴承的组合安装过程并且有利于外圈组件的磁化处理过程。
2、相比较单纯的滚动轴承和单纯的永磁轴承而言，本发明将单纯的滚动轴承和单纯的永磁轴承进行组合，设计出一种滚动与永磁复合的滚动永磁复合轴承，该复合轴承既具有滚动轴承结构简单，便于安装与维护以及良好的互换性的优点，同时又在一定程度上结合了永磁轴承的无摩擦的优点，以轴承的滚动体为主要的承力装置，磁力作为辅助装置，利用轴承内圈受力时产生的形变导致内外圈之间磁力的变化，利用该磁力来减小一部分轴承滚动体所承受的压力。该复合轴承的内外环之间的磁力抵消或者平衡一部分齿轮泵的径向不平衡力，提高了轴承滚动体的寿命。与此同时，本发明将滚动轴承的外环做成组件的形式，外环由四部分组成外环组件，而不是单一的一个外环，这样更有利于外圈组件进行磁化处理，使得磁化处理的过程更加简便，与此同时，使得该滚动永磁复合轴承在安装时更加方便。在进行磁化处理时，只将四个外圈组件中两个进行磁化处理，另外的两个不进行处理，磁化部分和非磁化部分之间交替连接，四个外环组件之间依靠凸起与凹槽来首尾连接。
附图说明
图1是本发明减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承的结构示意图；
图2是本发明减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承的受力示意图；
图3是本发明减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承外圈组件的示意图；
图4是本发明减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承外圈磁化部分示意图；
图5是本发明减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承外圈非磁化部分的示意图；以及
图6是本发明减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承的受力示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
本发明提供一种减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承，其包括磁化内圈1、磁化外圈2、滚动体3以及保持架。
轴承磁化内圈1为圆环状，轴承磁化内圈1上与轴相接触的内侧面的磁性和轴承磁化内圈1上与滚动体3相接触的外侧面的磁性相反。
磁化外圈2包括第一磁化组件21、第二磁化组件22、第一非磁化组件23以及第二非磁化组件24，第一磁化组件21和第二磁化组件22相对设置，第一非磁化组件23和第二非磁化组件24相对设置，第一磁化组件21、第一非磁化组件23、第二磁化组件22以及第二非磁化组件24首尾相接组合形成圆环状的磁化外圈，第一磁化组件21和第二磁化组件22的两个端部分别设置有一个凸起，第一非磁化组件23和第二非磁化组件24的两个端部分别设置有一个与凸起相配合的凹槽，第一磁化组件21、第二磁化组件22、第一非磁化组件23以及第二非磁化组件24的端部的外侧分别设置有一个凸台，凸台开设有螺栓孔，第一磁化组件21、第二磁化组件22、第一非磁化组件23以及第二非磁化组件24彼此之间通过凸起和凹槽连接后进一步借助于螺栓进行固定。
第一磁化组件21和第二磁化组件22的磁性相反，即第一磁化组件21内圈的磁性与轴承磁化内圈的外侧面相反，第二磁化组件22内圈的磁性与轴承磁化内圈的外侧面相同。
由滚动轴承的计算公式可以看出，轴承的寿命与轴承上所承受的当量额定动载荷成反比，当轴承上承受的动载荷越大，其寿命也就越短，以轴承的滚动体作为主要的受力装置。
在轴承安装的过程中，先将轴承外圈组件的三部分进行组合安装，构成一个不完整的外圈，然后在轴承内圈与不完整的外圈之间加入滚动体和保持架，待安装完成之后将外圈组件剩余的一部分安装组合上去。
在将轴承安装在齿轮泵上时，第一磁化组件21安装在齿轮泵的高压油区，第二磁化组件22安装在齿轮泵的低压油区，从而通过轴承磁化内圈外侧与磁化外圈的第一磁化组件21的吸力和轴承磁化磁化内圈与外圈第二磁化组件22的斥力来减小一部分轴承滚动体上所承受的来自于外啮合齿轮泵上由高压油区向低压油区的径向不平衡力。
如图1所示，减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承，其内圈与普通的滚动轴承相似，对其进行磁化处理，使得内圈内外环面具有不同的磁性，内圈的内环面具有n极的磁性，内圈的外环面具有s极的磁性。
如图2，图3所示，减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承，其外圈组件分为四个部分，分别是两个磁化组件和两个非磁化组件，每一组件均为一个四分之一的圆环，磁化组件上加工有突起，非磁化组件上加工有相应的凹槽，通过凹槽配合以及螺栓5定位来实现四部分之间的连接固定。
如图4，图5所示，当外啮合齿轮泵在工作时，由于外啮合齿轮泵的结构原因，油泵的高压油区向低压油区会存在一个径向的不平衡力，使得轴会发生一定的挠性变形，轴上的轴承的滚子也会因轴的挠性变形而受到挤压，从而加速磨损，使得轴承的寿命降低。因此该减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承在内外圈上进行磁化，利用轴承磁化内圈和外圈的第一磁化组件之间的磁吸力以及轴承磁化内圈和外圈的第二磁化组件之间的磁性斥力来减小一部分轴承滚动体上所承受的来自于外啮合齿轮泵的径向不平衡力，使得齿轮泵在工作时轴承的变形减小甚至不发生变形，减小轴承因挤压而导致的磨损，提高轴承的寿命。
优选地，本发明还提供一种基于上述减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承的滚动轴承寿命计算方法，其包括以下步骤：
s1、计算轴承内外圈之间的磁力，其包括以下子步骤：
s11、作用在磁性颗粒上的磁力，由在磁化时所获得的的位能确定，其位能利用下式求出：
其中，μ0为真空中的磁导率，κ为介质的体积磁化率，，dv为颗粒的体积元；
s12、根据力学定律，作用在磁性颗粒上的磁力利用颗粒位能的负梯度值来表示，
s13、当颗粒粒度不大时，假定颗粒的体积磁化率在所占的体积范围是个常数，其所占的体积内hgradh也近似常数，则磁性颗粒的磁力表示为：
f磁＝μ0κvhgradh；
s14、运用比磁力的概念消除矿物颗粒中实际存在的空隙对磁力计算的影响，得出磁性的磁力的计算公式：
其中，m为颗粒的质量，单位为kg，δ为颗粒的密度，单位为kg/m3，χ为颗粒的比磁化率，单位为m3/kg；
s15、对每一个磁性颗粒上作用的磁力进行积分，得到作用在内外圈之间的磁力大小；
s2、计算滚动轴承的寿命，其包括以下子步骤：
s21、计算外啮合齿轮泵上所受的径向不平衡力，外啮合齿轮泵上所受的径向不平衡力为：
p径＝f径-f磁
其中，f径表示外啮合齿轮泵的径向不平衡力，对于主动轮来说，f径＝f1，而对于从动轮来说，其所承受的径向力f径＝f2；
其中，主动轮轴承上的合力和从动轮轴承上的合力的计算公式如下：
f1＝0.75δpbda
f2＝0.85δpbda
其中，f1表示作用在主动轮轴承上的合力，单位为n；
f2表示作用在从动轮轴承上的合力，单位为n；
δp表示齿轮泵的出口与入口的压力差，单位为pa；
b表示齿轮泵的齿宽，单位为m；
da表示齿轮泵的齿顶圆直径，单位为m；
s22、计算滚动轴承上的当量动载荷，滚动轴承上的当量动载荷为：
其中，p径表示滚动轴承上所承受的径向力；p轴表示滚动轴承上所承受的轴向力；
s23、计算滚动轴承的寿命，滚动轴承的寿命计算公式为：
其中，lh表示滚动轴承的额定寿命，单位为小时；
n表示滚动轴承的工作转速，单位为r/min；
c表示滚动轴承的基本额定动载荷，单位为n；
p表示滚动轴承的当量额定动载荷，单位为n；
ε表示轴承的计算系数，对于滚动轴承，ε＝10/3。
以下结合实施例对本发明减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承做进一步的描述：
在现代液压技术中，齿轮泵由于结构简单，不仅被广泛用于液压技术，而且也大量被用作润滑泵和食品、化工等工艺流程中的输液泵。以下实施例以小型液压泵站所使用的齿轮泵为例。
当齿轮泵静止不转时，齿轮泵的主轴的重量经由轴承传递给外壳，当齿轮泵的主轴重量不大时，可以忽略；当齿轮泵工作过程中，会存在压力较高的吸油区和压力较低的排油区，吸排油区之间的压力差会作用在主轴上，产生一个径向的不平衡力，使得主轴进一步压迫滚动轴承，滚动轴承的滚动体和轴承外圈之间的磨损加剧，从而减短滚动轴承的寿命。
运用此滚动永磁复合轴承之后，齿轮泵不工作时，滚动永磁复合轴承的内圈处于正中位置，当齿轮泵在工作过程中，吸排油区的压力差产生的径向不平衡力作用在主轴上使得主轴发生偏移，主轴上的滚动轴承内圈与外圈的距离发生变化，轴承内圈和外圈下环面之间的磁性斥力增加，增加的磁性斥力用于平衡或者抵消一部分转轴上的径向不平衡力。使得减轻滚动永磁复合轴承滚动体的磨损，从而延长其寿命。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明将滚动轴承的内外圈进行磁化，使得轴承的内外圈具有磁性，利用磁力可以平衡或者抵消一部分外啮合齿轮泵的径向不平衡力。在受力时，仍然以轴承滚动体为主要的承力装置，磁力只是作为辅助装置，减小了因外力挤压导致的轴承滚子的过度磨损，提高了轴承的寿命。与此同时，将轴承的外圈做成外圈组件的形式，方便轴承外圈的磁化处理，并且方便该滚动永磁复合轴承的组合安装。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
1.一种减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承，其特征在于：其包括磁化内圈、磁化外圈、滚动体以及保持架，所述滚动体设置在所述磁化内圈的内部，所述磁化外圈设置在所述磁化内圈的外侧，所述滚动体借助于所述保持架进行安装，
所述的轴承磁化内圈为圆环状，所述轴承磁化内圈上与轴相接触的内侧面的磁性和所述轴承磁化内圈上与滚动体相接触的外侧面的磁性相反，
所述的磁化外圈包括第一磁化组件、第二磁化组件、第一非磁化组件以及第二非磁化组件，所述第一磁化组件和第二磁化组件相对设置，所述第一非磁化组件和第二非磁化组件相对设置，第一磁化组件、第一非磁化组件、第二磁化组件以及第二非磁化组件首尾相接组合形成圆环状的所述磁化外圈，所述第一磁化组件和第二磁化组件的两个端部分别设置有一个凸起，所述第一非磁化组件和第二非磁化组件的两个端部分别设置有一个与所述凸起相配合的凹槽，所述第一磁化组件、第二磁化组件、第一非磁化组件以及第二非磁化组件的端部的外侧分别设置有一个凸台，所述凸台开设有安装孔，所述第一磁化组件、第二磁化组件、第一非磁化组件以及第二非磁化组件彼此之间通过凸起和凹槽连接后进一步借助于安装件穿过所述安装孔进行固定；
所述第一磁化组件和第二磁化组件的磁性相反，即所述第一磁化组件的内圈的磁性与所述轴承磁化内圈的外侧面相反，所述第二磁化组件的内圈的磁性与所述轴承磁化内圈的外侧面相同；
在安装过程中，先将磁化外圈的第一磁化组件、第二磁化组件、第一非磁化组件以及第二非磁化组件其中三个组件进行组合安装，构成一个不完整的外圈，然后在轴承内圈与不完整的外圈之间加入滚动体和保持架，在滚动体和安装架安装完成之后将磁化外圈剩余的一个组件进行安装；
在将轴承安装在齿轮泵上时，所述第一磁化组件安装在齿轮泵的高压油区，所述第二磁化组件安装在齿轮泵的低压油区，从而通过轴承磁化内圈外侧与磁化外圈的第一磁化组件的吸力和轴承磁化内圈与外圈第二磁化组件的斥力来减小一部分轴承滚动体上所承受的外啮合齿轮泵上由高压油区向低压油区的径向不平衡力。
2.根据权利要求1所述的减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承，其特征在于：所述安装件为螺栓，所述安装孔为螺栓孔。
3.根据权利要求1所述的减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承，其特征在于：当齿轮泵不工作时，磁化内圈处于正中位置，当齿轮泵在工作过程中，吸排油区的压力差产生的径向不平衡力作用在主轴上使得主轴发生偏移，主轴上的滚动轴承的磁化内圈与磁化外圈的距离发生变化，磁化内圈和磁化外圈下环面之间的磁性斥力增加，增加的磁性斥力能够平衡或者抵消一部分转轴上的径向不平衡力。
4.一种基于权利要求1所述的减少齿轮泵平衡径向力的磁性滚动轴承的滚动轴承寿命计算方法，其特征在于：其包括以下步骤：
s1、计算轴承内外圈之间的磁力，其包括以下子步骤：
s11、作用在磁性颗粒上的磁力，由在磁化时所获得的的位能确定，其位能利用下式求出：
其中，μ0为真空中的磁导率，κ为介质的体积磁化率，dv为颗粒的体积元；
s12、根据力学定律，作用在磁性颗粒上的磁力利用颗粒位能的负梯度值来表示，
s13、当颗粒粒度不大时，假定颗粒的体积磁化率在所占的体积范围是个常数，其所占的体积内hgradh也近似常数，则磁性颗粒的磁力表示为：
f磁＝μ0κvhgradh；
s14、运用比磁力的概念消除矿物颗粒中实际存在的空隙对磁力计算的影响，得出磁性的磁力的计算公式：
其中，m为颗粒的质量，单位为kg，δ为颗粒的密度，单位为kg/m3，χ为颗粒的比磁化率，单位为m3/kg；
s15、对每一个磁性颗粒上作用的磁力进行积分，得到作用在内外圈之间的磁力大小；
s2、计算滚动轴承的寿命，其包括以下子步骤：
s21、计算外啮合齿轮泵上所受的径向不平衡力，外啮合齿轮泵上所受的径向不平衡力为：
p径＝f径-f磁
其中，f径表示外啮合齿轮泵的径向不平衡力，对于主动轮来说，f径＝f1，而对于从动轮来说，其所承受的径向力f径＝f2；
其中，主动轮轴承上的合力和从动轮轴承上的合力的计算公式如下：
f1＝0.75δpbda
f2＝0.85δpbda
其中，f1表示作用在主动轮轴承上的合力，单位为n；
f2表示作用在从动轮轴承上的合力，单位为n；
δp表示齿轮泵的出口与入口的压力差，单位为pa；
b表示齿轮泵的齿宽，单位为m；
da表示齿轮泵的齿顶圆直径，单位为m；
s22、计算滚动轴承上的当量动载荷，滚动轴承上的当量动载荷为：
其中，p径表示滚动轴承上所承受的径向力；p轴表示滚动轴承上所承受的轴向力；
s23、计算滚动轴承的寿命，滚动轴承的寿命计算公式为：
其中，lh表示滚动轴承的额定寿命，单位为小时；
n表示滚动轴承的工作转速，单位为r/min；
c表示滚动轴承的基本额定动载荷，单位为n；
p表示滚动轴承的当量额定动载荷，单位为n；
ε表示轴承的计算系数，对于滚动轴承，ε＝10/3。
技术总结