港口岸橋小車減速箱軸承跑圈原因及解決方案

楊 健

（上海振華重工股份有限公司，上海 200125）

0 引言

在港口岸橋，特別是自行式或載重式小車驅(qū)動(dòng)的小車減速箱日常維護(hù)中，會(huì)發(fā)現(xiàn)小車減速箱內(nèi)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，即隨著軸承在運(yùn)動(dòng)時(shí)，因軸承的外圈鉗制力矩小于軸承套圈總驅(qū)動(dòng)力矩而使得軸承外套圈產(chǎn)生滑動(dòng)，俗稱“跟轉(zhuǎn)”。而當(dāng)軸承的外圈鉗制力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸承套圈總驅(qū)動(dòng)力矩從而使得軸承外套圈產(chǎn)生跑動(dòng)的現(xiàn)象，稱之為軸承跑圈。

1 岸橋小車系統(tǒng)介紹及小車減速箱軸承跑圈現(xiàn)象

在港口岸橋，使集裝箱或貨物作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)總成稱為運(yùn)行小車系統(tǒng)。運(yùn)行小車系統(tǒng)包括運(yùn)行小車總成、運(yùn)行小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、小車鋼絲繩纏繞和安全保護(hù)裝置。目前小車運(yùn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在港口岸橋上主要分為2種形式。

（1）牽引式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、減速器、卷筒、支撐及安全限位開關(guān)等組成。電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)卷筒，再經(jīng)過小車鋼絲繩纏繞系統(tǒng)，由卷筒來牽引小車沿大梁軌道作平移運(yùn)動(dòng)。這類形式多用于牽引式小車驅(qū)動(dòng)。

（2）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、聯(lián)軸器或萬向傳動(dòng)軸、制動(dòng)器、減速器及安全限位裝置等組成，小車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)在小車上。動(dòng)力經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)小車車輪，從而使小車沿大梁軌道作橫向運(yùn)動(dòng)。這類形式多用于自行式或載重式小車驅(qū)動(dòng)。

無論是哪種形式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，特別是在自行式或載重式小車驅(qū)動(dòng)的小車減速箱日常維護(hù)時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，小車減速箱內(nèi)軸承在一定時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，即“跟轉(zhuǎn)”或跑圈。

2 軸承在小車齒輪箱中的功能

該小車減速箱軸承布置主要為交叉布置，軸承在減速箱中主要用于軸系定位來確定軸及其軸上零件的功能位置，承受載荷來支撐軸系并承受系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的載荷及其系統(tǒng)固有的結(jié)構(gòu)載荷（包括重力和預(yù)負(fù)荷），規(guī)范運(yùn)動(dòng)來確保系統(tǒng)各零件在設(shè)計(jì)矢量方向的運(yùn)行關(guān)系。

3 軸承跑圈機(jī)理分析

以FH1035.24.A1A-00系列小車減速箱為例，減速箱潤(rùn)滑采用齒輪箱油（VG320），其他主要工作狀況見表1。

計(jì)算滾動(dòng)軸承摩擦力矩，一種方法是將摩擦力矩區(qū)分為1個(gè)無關(guān)負(fù)荷的力矩M0和1個(gè)由負(fù)荷決定的力矩M1，然后把兩者相加，即M=M0+M1。但是，如果按摩擦來源來區(qū)分，還可以有更精確的計(jì)算方法。實(shí)際上，M0代表額外的外部摩擦來源，再加上滾動(dòng)摩擦中的“流體動(dòng)力”成分，而這一成分中也有一部分與負(fù)荷相關(guān)。要精確計(jì)算滾動(dòng)軸承內(nèi)的摩擦，必須計(jì)算4個(gè)不同來源的摩擦力矩，即M=Mrr+Msl+Mseal+Mdrag。其中，M為總摩擦力矩，Mrr為滾動(dòng)摩擦力矩，Msl為滑動(dòng)摩擦力矩，Mseal為密封件摩擦力矩，Mdrag為由于拖曳損失、攪動(dòng)和飛濺等導(dǎo)致的摩擦力矩。

表1 減速箱主要工作狀況描述

當(dāng)減速箱內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為內(nèi)圈過盈、外圈間隙的狀態(tài)，軸承座的受力如圖1所示。如果定義Mco為外圈鉗制力矩，Mci為內(nèi)圈鉗制力矩，M為軸承套圈總驅(qū)動(dòng)力矩，那么軸承套圈的鉗制條件即Mco或Mci大于M。反之，Mco=M時(shí)，套圈產(chǎn)生微動(dòng)；Mco＜M時(shí)，套圈產(chǎn)生滑動(dòng)；Mco＜＜M時(shí)，套圈產(chǎn)生跑動(dòng)。

由上述分析不難發(fā)現(xiàn)，影響軸承摩擦力矩M的主要因素有6個(gè)，分別是軸承類型與尺寸、載荷構(gòu)成與大小、軸承內(nèi)部游隙、潤(rùn)滑介質(zhì)、運(yùn)行精度及運(yùn)行溫度。

圖1 軸承座受力示意

4 解決方案及其優(yōu)劣勢(shì)

為了解決軸承的跑圈現(xiàn)象，可以通過降低總驅(qū)動(dòng)力矩的方式，也就是從影響軸承摩擦力矩的主要因素著手，即軸承類型與尺寸的選擇、軸承內(nèi)部游隙、潤(rùn)滑介質(zhì)、運(yùn)行精度、運(yùn)行溫度等。但是這些方式降低總驅(qū)動(dòng)力矩的效果微乎其微，那么只能從增加鉗制力矩Mco的方式來考慮。

4.1 增加鉗制力矩 （Mco＞Mr，Mr為軸承總摩擦力矩）

4.1.1 增加鉗制表面積——選用更緊的配合

該方案通過將間隙配合提高至過渡配合后，鉗制表面積增加，將有利于提高外圈鉗制力矩（圖2）。這里需要注意的是，通常情況下，軸承供應(yīng)商會(huì)基于一般工業(yè)應(yīng)用提供配合公差作為應(yīng)用參考，而在實(shí)際應(yīng)用中，在減速箱條件允許的情況下，配合的選用必須按照實(shí)際應(yīng)用而進(jìn)行綜合平衡考慮。

這樣的解決方案主要有結(jié)構(gòu)改動(dòng)小、可適當(dāng)增加鉗制力矩的特點(diǎn)，但缺點(diǎn)也很明顯:對(duì)于分體式箱體，結(jié)構(gòu)一旦錯(cuò)位，即會(huì)形成多承載區(qū)；由于增加了鉗制表面積，也很有可能會(huì)干涉軸向浮動(dòng)；對(duì)于有沖擊和震動(dòng)載荷的應(yīng)用不能夠完全適應(yīng)。

4.1.2 增加鉗制力——套圈端面夾持

該方案是在軸承兩端增加端面夾持來增加軸承內(nèi)圈或外圈的鉗制力矩（圖3）。這類方案可以大幅增加鉗制力和鉗制力矩，同時(shí)增加鉗制表面并能夠適應(yīng)一般沖擊和震動(dòng)載荷的應(yīng)用。但是，由于結(jié)構(gòu)改變復(fù)雜，所需要的結(jié)構(gòu)改變較大并需要有足夠的空間來進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并且也會(huì)干涉軸向浮動(dòng)，對(duì)于既有設(shè)計(jì)并不太適用。

圖2 軸承外圈在座孔內(nèi)示意

圖3 套圈端面夾持示意

4.1.3 增加鉗制摩擦數(shù)——樂泰膠粘接

為了防止跑圈等類似的問題，在樂泰維修解決方案中提供了固持解決方案，主要針對(duì)圓柱形金屬零件進(jìn)行粘接，具有如下特性:①有中等強(qiáng)度及高強(qiáng)度產(chǎn)品可選，能夠消除微振磨損現(xiàn)象，承受高負(fù)載；②能夠填充所有空隙，防止微動(dòng)腐蝕現(xiàn)象；③降低公差要求；④100%接觸，在連接處負(fù)載與應(yīng)力分布均勻。

針對(duì)減速箱軸承外圈跑圈的情況，樂泰的工程師建議采用LOCTITE 680產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有極佳的耐動(dòng)態(tài)載荷、軸向載荷、徑向載荷性能，適用于軸、齒輪、滑輪以及其他類似的圓柱形部件的固持作業(yè)。一般使用條件下，初步固化時(shí)間為20 min，全部固化時(shí)間為24 h，且這類產(chǎn)品對(duì)于減速箱潤(rùn)滑油沒有污染，有耐高溫的特性。

該方案雖然可以大幅增加鉗制力矩及鉗制摩擦系數(shù)，但同樣會(huì)干涉軸向浮動(dòng)，而且一旦粘接失效會(huì)助長(zhǎng)滑動(dòng)。在操作上，該方案也并不簡(jiǎn)便，需要先對(duì)減速箱內(nèi)部進(jìn)行清洗再使用固持膠水進(jìn)行粘接。

4.1.4 增加鉗制摩擦數(shù)——增加O形圈

通過增加O形圈的方式也可以加大鉗制力矩和鉗制摩擦系數(shù)。但在實(shí)際使用中，軸承會(huì)出現(xiàn)偏載、干涉軸向浮動(dòng)，需要改變現(xiàn)有箱體的設(shè)計(jì)，這在安裝過程中較難把握。而且O形圈在潤(rùn)滑油中老化快、時(shí)效不長(zhǎng)，不利于日常維護(hù)。

4.2 結(jié)構(gòu)鉗制——增加套圈定位銷

相比于普通的軸承，也可以采用軸承外圈有固定槽的特殊軸承。根據(jù)ISO 20515—2012的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這類固定槽可以用于單列向心推力球軸承、四點(diǎn)接觸球軸承、徑向圓柱滾子軸承，但不適用于外圈密封屏蔽徑向球軸承或沒有擋邊的徑向圓柱滾子軸承。

這類方案的優(yōu)點(diǎn)是剛性鉗制力及鉗制力矩保持了既有的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可靠性高且能夠適應(yīng)頻繁啟停、換向、沖擊和振動(dòng)載荷的應(yīng)用，但缺點(diǎn)是需要改變箱體端蓋的設(shè)計(jì)、軸承增設(shè)了止動(dòng)槽及定位銷。另外目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)于適用的軸承范圍還比較少。

除了ISO 20515—2012規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)定位銷方案以外，也可以針對(duì)不同的減速箱參照該方案采用不同的定位銷及定位銷缺口。