軸承在礦山卡車應(yīng)用中的分析探討

鐵姆肯公司 應(yīng)用工程師 秦宏偉

軸承在礦山卡車應(yīng)用中的分析探討

鐵姆肯公司 應(yīng)用工程師 秦宏偉

近年來，在國際能源供應(yīng)緊張的大背景下，我國對以風(fēng)能為代表的新能源領(lǐng)域加大投入，使新能源的產(chǎn)量逐步提高，然而在很長一段時(shí)間內(nèi)，我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)將持續(xù)。露天采煤和井下采煤相比，擁有高生產(chǎn)率，低事故率，便于設(shè)備維護(hù)維修等客觀優(yōu)勢。不管是在國內(nèi)還是國際上，大力發(fā)展露天開采都是大趨勢。作為露天采礦生產(chǎn)所必須的重要設(shè)備之一的礦山卡車也將隨著露天礦的大力開發(fā)而迎來非常光明的前景。

鐵姆肯公司生產(chǎn)的圓錐滾子軸承在礦山卡車中有著數(shù)十年的應(yīng)用歷史，同時(shí)也積累了相當(dāng)豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。本文將就礦山卡車使用圓錐滾子軸承應(yīng)當(dāng)注意的問題進(jìn)行簡單的分析，希望能夠幫助廣大的礦山卡車設(shè)計(jì)者和用戶更好地選擇和使用軸承，提高礦山卡車的可靠性。

除了本身系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配和安裝調(diào)整的因素外，決定圓錐滾子軸承使用性能的主要有以下三個(gè)方面因素：1）軸承的材料 2）軸承滾道的粗糙度 3）軸承滾道的表面修形。接下來詳細(xì)分析在礦山卡車工況下，軸承選型時(shí)在這三方面分別應(yīng)考慮的因素。

一、軸承的材料

在考慮軸承的材料時(shí)主要考慮兩點(diǎn)：鋼材的純凈度和鋼材的熱處理工藝。

軸承在正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，當(dāng)滾道表面出現(xiàn)6mm2的剝落時(shí)，我們就說這個(gè)軸承失效了，這個(gè)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間就是它的疲勞壽命。剝落的產(chǎn)生主要是因?yàn)檩S承鋼內(nèi)部存在非金屬夾雜物。在軸承工作時(shí)，非金屬夾雜物會(huì)引起鋼材內(nèi)部應(yīng)力集中，產(chǎn)生薄弱點(diǎn)，隨著軸承日復(fù)一日地運(yùn)轉(zhuǎn)，這些薄弱點(diǎn)慢慢發(fā)展成細(xì)微裂縫，最后引起滾道表面剝落 （圖1）。所以鋼材的純凈度對軸承至關(guān)重要，鋼材內(nèi)部夾雜物顆粒體積越小，顆粒數(shù)量越少，則裂紋出現(xiàn)的概率越小，軸承的疲勞壽命也越高。

隨著現(xiàn)代冶煉技術(shù)的發(fā)展，國際一流品牌的軸承制造商在軸承鋼純凈度這一點(diǎn)上都達(dá)到了相當(dāng)高的水準(zhǔn)。他們除了有符合ISO和ABMA標(biāo)準(zhǔn)的軸承材料外，還將比之更純凈的鋼材做材料，以提高軸承在高載荷下的可靠性。拿礦山卡車?yán)锏妮嗇炤S承應(yīng)用來說，軸承承載的力非常高。以200t載重量為例，整車滿載后350t左右，單側(cè)后輪輪轂軸承的受力達(dá)到120t左右。因此如果選擇標(biāo)準(zhǔn)材料的軸承，其尺寸將會(huì)非常大。為了盡可能減小輪轂尺寸，使設(shè)計(jì)更緊湊，這個(gè)位置常選用高純精度材料的軸承。即使這樣，軸承的內(nèi)徑也有500mm左右。

除了軸承鋼的純凈度之外，軸承的熱處理工藝對軸承的性能也有相當(dāng)大的影響。現(xiàn)在市場上的軸承主要有兩種熱處理工藝：全淬透和表面滲碳。全淬透熱處理的原材料是高碳鋼，經(jīng)過全淬透熱處理后，這種鋼材內(nèi)部和外部硬度都達(dá)到58~64HRC，鋼材表面產(chǎn)生張應(yīng)力，當(dāng)遇到比較大的沖擊載荷情況下，容易產(chǎn)生裂紋，甚至直接碎裂。滲碳熱處理的原材料為低碳鋼，采用的熱處理工藝為表面滲碳，這樣的材料特點(diǎn)是表面58~64HRC堅(jiān)硬耐磨，而內(nèi)部較軟30~35HRC，鋼材表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，能緩沖受到的沖擊載荷 （圖2），降低出現(xiàn)沖擊裂紋的可能性。

礦山卡車所用到的圓錐滾子軸承主要應(yīng)用在橋包和輪端，這兩個(gè)地方的工作環(huán)境都非常惡劣，經(jīng)常伴隨沖擊載荷和重載。再加上鑄件本身無法避免產(chǎn)生的磨粒，以及油封可能失效而帶來的外部污染，這些都對軸承本身帶來了巨大的考驗(yàn)。在磨粒和重載的情況下，軸承的滾道表面無法避免地產(chǎn)生凹坑，如果選用全淬透的軸承，在材料本身較脆和表面張應(yīng)力的雙重影響下，這個(gè)凹坑的發(fā)展將比較迅速，使得軸承在沒有達(dá)到疲勞壽命前提前失效。而假如選用滲碳軸承，由于材料本身有韌性和表面壓應(yīng)力，該凹坑不易擴(kuò)張，使得軸承仍舊可以達(dá)到較好的疲勞壽命。鐵姆肯公司通過試驗(yàn)來模擬全淬透軸承和滲碳軸承在滾道表面有損傷的情況下的軸承壽命對比，結(jié)果顯示表面滲碳軸承比全淬透軸承能達(dá)到更高的疲勞壽命?；谝陨显?，我們在選用礦山卡車所用的軸承時(shí)，應(yīng)盡量選用滲碳軸承。

二、軸承滾道與滾子的表面粗糙度

影響軸承性能的因素除了剛剛提到的材料因素外，還有一個(gè)很大的因素是潤滑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，70-80%的軸承提前失效是因?yàn)檩S承潤滑不恰當(dāng)所致。通常我們采用油或油脂來對軸承進(jìn)行潤滑。潤滑系統(tǒng)在軸承工作時(shí)，會(huì)在金屬表面產(chǎn)生一層油膜。如果我們用高倍放大鏡去觀察軸承滾道，可以看到滾道表面不是光滑的，而是有很多小的金屬高點(diǎn)的，就像一座座 “山峰”。如果在軸承工作時(shí)，滾道和滾道之間 “山峰”直接接觸，那么 “山峰”就會(huì)斷裂，滾道表面產(chǎn)生微剝落 （如圖3），造成軸承表面損傷。油膜的目的就是使得滾道與滾子之間的小 “山峰”不直接接觸。要起到這樣的作用，油膜的厚度必須超過兩接觸表面粗糙度值之和。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)油膜厚度無足以分開兩個(gè)金屬面時(shí)，可以有兩個(gè)選擇：使用更粘稠的潤滑油或油脂；降低滾道表面的粗糙度值。由于礦山卡車一般在橋包采用SAE80W-90油浴潤滑，而在輪端采用帶有EP添加劑的二號潤滑脂潤滑。受到重載低速的影響，可能會(huì)發(fā)生油膜厚度不夠的情況。如果無法改變齒輪油的粘度，我們可以通過提高滾道和滾子的表面光潔度來提高軸承性能。

三、 軸承滾道表面修形

現(xiàn)在我們來看一下影響軸承性能的另一個(gè)重要因素——滾道表面應(yīng)力。有的讀者在這里可能會(huì)想,一個(gè)軸承只要不超過它的額定載荷，滾道表面產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)該不是問題。如果有問題，說明這個(gè)軸承本身的額定載荷數(shù)據(jù)標(biāo)高了。這種理解忽略了一點(diǎn)，軸承在受力時(shí)，它的外圈和內(nèi)圈的中心線可能不在一條直線上，可能有一個(gè)夾角 （如圖4），導(dǎo)致軸承工作時(shí)不對中。這個(gè)不對中可能是安裝不當(dāng)引起的，也可能是軸或軸承座在受重載的情況下產(chǎn)生輕微的形變引起的，可能是軸和軸承座在加工時(shí)的誤差引起的，或者是以上因素的綜合。圓錐滾子軸承在樣本上標(biāo)的額定載荷是指軸承工作時(shí)，這個(gè)夾角要小于0.0005弧度。當(dāng)這個(gè)不對中的夾角小于萬分之五的弧度時(shí)，不會(huì)影響軸承的壽命和性能，但當(dāng)這個(gè)夾角超過萬分之五的弧度時(shí)，就會(huì)對軸承的性能產(chǎn)生一定影響。這個(gè)不對中會(huì)引起軸承滾道應(yīng)力集中，使軸承無法達(dá)到設(shè)計(jì)的疲勞壽命而提前失效。這種失效形式如圖5所示，通常發(fā)生在滾道邊緣，并且上下180°方向上呈現(xiàn)對角線模式。

這種不對中現(xiàn)象而導(dǎo)致的軸承損傷在礦山卡車的軸承應(yīng)用中很常見，主要是由于礦山卡車的承載太大，引起軸變形所致。當(dāng)這種軸承損傷出現(xiàn)時(shí)，如果不細(xì)心分析而把它歸結(jié)于軸承的承載能力不夠，單單通過提高軸承的尺寸來應(yīng)付，結(jié)果往往不理想。鐵姆肯公司針對因滾道邊界超過許用應(yīng)力而最終導(dǎo)致軸承壽命偏低的應(yīng)用推出了帶滾道修形的軸承，可以在不用提高軸承尺寸的情況下，解決滾道邊緣應(yīng)力集中的問題，使得滾道表面的應(yīng)力始終處于材料的需用范圍之內(nèi)。

在對礦山卡車用軸承進(jìn)行選型計(jì)算時(shí)，借助計(jì)算機(jī)，輸入工況條件使用專業(yè)軟件可以模擬出該軸承是否存在滾道邊界應(yīng)力過大的問題。實(shí)踐中曾遇到這樣一個(gè)例子，某大噸位礦山卡車軸承選型，在壽命計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)前輪輪轂外側(cè)軸承壽命較小，無法滿足要求。在檢查該軸承滾子的應(yīng)力水平時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)工況下滾道應(yīng)力很高。如圖6所示，圖中該滾子的邊界應(yīng)力已經(jīng)超過了材料的需用應(yīng)力，而滾道中間部分應(yīng)力較小，說明該軸承的承載能力可以滿足這個(gè)應(yīng)用。然后我們在原有軸承的基礎(chǔ)上對滾道進(jìn)行修形，載入軟件重新計(jì)算，再檢查應(yīng)力發(fā)現(xiàn)同樣的工況下，同一顆滾子的應(yīng)力分布如圖7所示，軸承壽命也有相當(dāng)大的提高。

四、總結(jié)

以上主要針對礦山卡車的應(yīng)用特點(diǎn)，分別從軸承的材料、軸承滾道表面粗糙度以及滾道應(yīng)力和修形這三個(gè)方面介紹了軸承選擇和分析要注意的問題，希望可以通過以上的解決方法，提高礦山卡車的可靠性，從而減少停車維護(hù)時(shí)間，提高采礦效率。