叉車門架滾輪軸承承載能力的評(píng)價(jià)方法

朱曉宏，李興林，李斌，陳寶國(guó)

（1.江蘇萬達(dá)特種軸承有限公司，江蘇 南通 226500；2.杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司，杭州 310022；3.機(jī)械工業(yè)軸承產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心（杭州），杭州 310022）

叉車門架導(dǎo)軌用滾輪軸承（簡(jiǎn)稱門架滾輪）是叉車的重要零部件，分別成左右對(duì)稱安裝在叉車外門架頂端、內(nèi)門架下端和貨叉架的支承軸上。門架滾輪的內(nèi)圈固定，外圈在所匹配的門架槽鋼內(nèi)低速旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)，隨著門架的上升與下降作周期性的正反方向旋轉(zhuǎn)，支承和引導(dǎo)門架升降。門架滾輪在車輛載重（包括門架自重）的作用下承受較大徑向載荷，偏載條件下在承受徑向載荷的同時(shí)還承受軸向載荷，同時(shí)由于門架滾輪與匹配的槽鋼存在運(yùn)動(dòng)間隙，在叉車行駛、門架前后傾斜特別是叉車在叉取貨物（如盤鋼卷材等）過程中還要承受較大的沖擊載荷。由于運(yùn)動(dòng)及受力的特殊性，門架滾輪與其他滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)及使用存在較大差別，要求具有高的強(qiáng)度及耐沖擊性能，其外圈材料及熱處理方式均不同于其他滾動(dòng)軸承。采用GB/T 6391—2010《滾動(dòng)軸承 額定動(dòng)載荷和額定壽命》及GB/T 4662—2012《滾動(dòng)軸承 額定靜載荷》計(jì)算門架滾輪的承載能力會(huì)與實(shí)際結(jié)果有一定的偏差，故需采用試驗(yàn)的方法評(píng)價(jià)軸承的承載能力。

1 門架滾輪結(jié)構(gòu)及材料

1.1 結(jié)構(gòu)

門架滾輪結(jié)構(gòu)一般有深溝球軸承（圖1a）、雙列深溝球軸承（圖1b）、三（四）點(diǎn)接觸球軸承（圖1c）和圓柱滾子（針）軸承（圖1d）4種結(jié)構(gòu)類型。對(duì)軸向力要求高的場(chǎng)合，往往采用雙列深溝球軸承和三（四）點(diǎn)接觸球軸承，特殊場(chǎng)合采用滿裝結(jié)構(gòu)以提高承載能力。大型叉車采用圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)，具有較高的徑向承載能力。

圖1 門架滾輪常見的結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Common structures of track roller for mast frame

1.2 材料

在門架滾輪設(shè)計(jì)中，為滿足門架滾輪外徑與門架槽鋼尺寸匹配的需要，外圈一般采用增大壁厚的設(shè)計(jì)。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度和耐沖擊性能的要求，外圈材料多選用優(yōu)質(zhì)軸承鋼（GCr15，GCr15SiMn）、碳素鋼（55＃鋼、60＃鋼）、合金結(jié)構(gòu)鋼（20CrMnTi，20CrMo）等。外圈熱處理后滾道硬度要求為58～62 HRC，外徑面硬度要求為30～42 HRC。門架滾輪內(nèi)圈和鋼球材料選取和熱處理方式與其他滾動(dòng)軸承相同。

2 門架滾輪的載荷計(jì)算

門架滾輪設(shè)計(jì)中的相關(guān)載荷主要有額定動(dòng)載荷C、額定靜載荷C0及徑向當(dāng)量動(dòng)載荷Pr。門架滾輪徑向基本額定動(dòng)載荷Cr可參考GB/T 6391—2010計(jì)算，徑向基本額定靜載荷C0r可參考GB/T 4662—2012計(jì)算。影響叉車作用在門架滾輪上的載荷P的因素較多，主要與車輛設(shè)計(jì)載荷（車輛載重）及叉車使用過程中的沖擊載荷有關(guān)。門架滾輪設(shè)計(jì)時(shí)，所需承受的徑向載荷P一般由車輛、門架設(shè)計(jì)廠家給出，通常取車輛設(shè)計(jì)載重G的0.7倍，即P＝0.7G。門架滾輪的當(dāng)量動(dòng)載荷應(yīng)大于理論工況載荷，且一般不大于車輛載重，即G≥Pr＞P。

3 門架滾輪理論承載能力的評(píng)價(jià)方法

門架滾輪承載能力一般由用戶通過臺(tái)架試驗(yàn)（門架疲勞試驗(yàn)）及后期實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，但在門架滾輪設(shè)計(jì)及制造過程中，需對(duì)門架滾輪動(dòng)、靜承載能力進(jìn)行分析驗(yàn)證。

3.1 動(dòng)承載能力

門架滾輪的壽命指門架在一定的試驗(yàn)（壽命）周期內(nèi)，門架滾輪隨門架升降所需旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)。門架滾輪壽命要求一般由車輛（門架）設(shè)計(jì)廠家給出，也可通過下式計(jì)算，即

式中：L為門架滾輪在門架中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的距離，一般取門架單節(jié)槽鋼的長(zhǎng)度；N為門架試驗(yàn)（使用）過程中門架升降的次數(shù)；D為門架滾輪外徑。

根據(jù)GB/T 6391—2010可得向心球軸承額定壽命的計(jì)算公式為

向心滾子軸承的基本額定壽命為

最新修訂的JB/T 7360—2007《滾動(dòng)軸承 叉車門架用滾輪、鏈輪軸承 技術(shù)條件》為評(píng)價(jià)軸承動(dòng)承載能力，要對(duì)軸承進(jìn)行壽命試驗(yàn)。門架滾輪與滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)原理類似，試驗(yàn)中內(nèi)圈固定，外圈旋轉(zhuǎn)，施加的載荷為當(dāng)量動(dòng)載荷 Pr。參考JB/T 7360—2007要求試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為80 r/min，實(shí)際試驗(yàn)中試驗(yàn)轉(zhuǎn)速也可大于該轉(zhuǎn)速，但不允許超過120 r/min。通常采用定時(shí)截尾法（定時(shí)間或轉(zhuǎn)數(shù)）進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)轉(zhuǎn)數(shù)后停止試驗(yàn)，檢查門架滾輪是否存在疲勞剝落、裂紋等現(xiàn)象，從而確定門架滾輪是否滿足L′10設(shè)計(jì)要求。

3.2 靜承載能力

軸承基本額定靜載荷并不是破壞載荷，能使軸承破壞的載荷通常高于基本額定靜載荷，這也是通常軸承能在高于其基本額定靜載荷工況下運(yùn)行的原因。門架滾輪也是如此，且其壁厚、材料、熱處理方式都與標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承不同，其額定靜載荷僅可作為門架滾輪的一個(gè)參數(shù)供設(shè)計(jì)與使用參考。門架滾輪靜承載能力往往通過強(qiáng)度試驗(yàn)獲得，一般以靜壓測(cè)試為主，必要時(shí)也可采用沖擊測(cè)試。

靜壓測(cè)試一般在液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)具備可緩慢勻速加載和數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄功能。加載速度為5 kN/s，壓力量程范圍為0～1 000 kN，在試驗(yàn)的門架滾輪達(dá)到壓力極限破裂時(shí)自動(dòng)卸載，此時(shí)的壓力為門架滾輪的實(shí)際靜壓強(qiáng)度。門架滾輪在試驗(yàn)機(jī)上的安裝方式如圖2所示，門架滾輪通過支承芯軸安裝在V形支架上。加載方式有直上式和橋式，如圖3所示，直上式要求載荷通過單個(gè)滾動(dòng)體中心，而橋式則要求載荷通過2個(gè)滾動(dòng)體中間位置。試驗(yàn)過程中一般分別在2種加載方式下進(jìn)行試驗(yàn)，但對(duì)于滿裝門架滾輪可不規(guī)定其載荷施加方式。而對(duì)雙列球結(jié)構(gòu)的門架滾輪，規(guī)定至少有一列鋼球加載方式為橋式，最少進(jìn)行一組試驗(yàn)即可。靜壓試驗(yàn)不允許內(nèi)圈或滾動(dòng)體等其他零件破壞的現(xiàn)象。

圖2 安裝方式示意圖Fig.2 Diagram of installation method

圖3 加載方式Fig.3 Loading methods

門架滾輪沖擊試驗(yàn)是測(cè)試門架滾輪強(qiáng)度的另一種方式，其原理是利用重力錘在一定的高度自由落地沖擊門架滾輪，如圖4所示。為能滿足門架滾輪沖擊試驗(yàn)的要求，開發(fā)了帶加速度傳感器、電荷放大器、DSO-2090采集系統(tǒng)的門架滾輪沖擊試驗(yàn)機(jī)，專門應(yīng)用于門架滾輪的沖擊試驗(yàn)，其測(cè)試時(shí)對(duì)門架滾輪的安裝方式等要求與靜壓測(cè)試基本相同。在測(cè)試前要通過經(jīng)驗(yàn)初定落錘質(zhì)量和高度，并通過反復(fù)試驗(yàn)完成沖擊極限高度的初測(cè)，在此基礎(chǔ)上完成沖擊試驗(yàn)。

圖4 沖擊試驗(yàn)示意圖Fig.4 Diagram of impact test

靜壓和沖擊試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)有2種方式：1）實(shí)物對(duì)比法，對(duì)具有相同功能的2類軸承進(jìn)行測(cè)試對(duì)比；2）量化測(cè)試目標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比，要求所得測(cè)試結(jié)果應(yīng)符合目標(biāo)數(shù)據(jù)。

4 實(shí)例分析

以某型載重為4 000 kg的叉車為例分析，其門架滾輪型號(hào)為MG45A1-YF1503-5，單列球結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。基本額定動(dòng)載荷Cr為48.9 kN，基本額定靜載荷C0r為29.5 kN，單節(jié)門架槽鋼長(zhǎng)度L為2 065 mm，要求門架滾輪的試驗(yàn)載荷Pr為29.4 kN，直上式壓碎載荷≥290 kN，橋式壓碎載荷≥240 kN，試驗(yàn)周期內(nèi)門架升降的次數(shù)為70 000。

表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters

4.1 壽命試驗(yàn)

由（1）式可得門架滾輪所需的轉(zhuǎn)數(shù)L′10為7.45×105r。由（2）式可得門架滾輪的基本額定壽命為4.6×106r，滿足L10＞L′10的壽命設(shè)計(jì)要求。對(duì)MG45A1-YF1503-5型門架滾輪進(jìn)行壽命試驗(yàn)。4套門架滾輪同時(shí)試驗(yàn)，每2套成對(duì)安裝，通過壓力油缸對(duì)門架滾輪徑向加載，載荷為29.4 kN，中間主動(dòng)輪帶動(dòng)門架滾輪旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為80 r/min，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)轉(zhuǎn)數(shù)約為7.45×105r。壽命試驗(yàn)結(jié)束后門架滾輪外觀形貌如圖5所示，4套門架滾輪均無疲勞、裂紋等缺陷，仍可繼續(xù)使用，壽命滿足要求。

圖5 外圈形貌Fig.5 Morphology of outer ring

4.2 靜壓測(cè)試

測(cè)試設(shè)備使用CHT4106微機(jī)液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，取8套門架滾輪進(jìn)行靜壓測(cè)試，其中1＃，2＃，3＃，4＃軸承載荷施加方式為直上式，5＃，6＃，7＃，8＃軸承載荷施加方式為橋式，測(cè)試結(jié)果見表2，均符合直上式壓碎載荷≥290 kN，橋式壓碎載荷≥240 kN的要求。

表2 壓碎載荷Tab.2 Crushing load

4.3 沖擊測(cè)試

沖擊強(qiáng)度測(cè)試一般采用實(shí)物對(duì)比法，對(duì)MG45A1-YF1503-5的測(cè)試選用相同噸位叉車已使用的門架滾輪MG45A2-5T作為參照物。使用WZJ6120-微機(jī)沖擊試驗(yàn)機(jī)，選用沖擊錘質(zhì)量51 kg，初選沖擊落錘高度1.8 m，每次增加0.1 m，重復(fù)沖擊試驗(yàn)，高度達(dá)到2.2 m時(shí)門架滾輪MG45A2-5T被砸壞，初定2.2 m為沖擊極限。在2.2 m落錘高度上，分別取10套MG45A1-YF1503-5和MG50A2-5T型門架滾輪進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為MG45A2-5T有4套損壞，MG45A1-YF1503-5有1套損壞，結(jié)果表明MG45A1-YF1503-5的耐沖擊性能要優(yōu)于MG50A2-5。

5 結(jié)束語

針對(duì)門架滾輪軸承的特殊工況條件及設(shè)計(jì)要求，其動(dòng)承載能力可通過壽命試驗(yàn)進(jìn)行，靜承載能力可采用靜壓測(cè)試和沖擊試驗(yàn)進(jìn)行，并以叉車門架滾輪MG45A1-YF1503-5為例進(jìn)行了分析。分析結(jié)果可為該類軸承的設(shè)計(jì)提供參考。