變速間歇沖擊載荷工況下的圓柱滾子軸承設(shè)計(jì)

張煦

（瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 瓦房店 116300）

近年來，圓柱滾子軸承在船舶、起重運(yùn)輸、大中型電動機(jī)、軋鋼機(jī)等行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，要求軸承在特殊工況下穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，因此對軸承的承載能力、可靠性等的要求越來越高。目前常用的一種加強(qiáng)型結(jié)構(gòu)即 E 型圓柱滾子軸承，其外形尺寸等已標(biāo)準(zhǔn)化。本文在 E 型圓柱滾子軸承的基礎(chǔ)上，通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及仿真分析滾子修形優(yōu)化，進(jìn)一步提高軸承性能，設(shè)計(jì)符合瞬間加速減速、間歇式、大沖擊載荷的圓柱滾子軸承。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

本文介紹的圓柱滾子軸承是為海裝配套的滑輪軸承，軸承的承載能力與旋轉(zhuǎn)靈活性對配套設(shè)備的正常工作起著至關(guān)重要的作用。軸承間歇式工作，轉(zhuǎn)速與載荷從零到最大值再回復(fù)到零，一個工作循環(huán)不超過 3 秒。該軸承既要承受沖擊載荷，又要在間歇式變速下靈活旋轉(zhuǎn)、不卡死。

軸承技術(shù)要求如下：（1） 軸承精度 P5，外圈旋轉(zhuǎn)；（2） 最高轉(zhuǎn)速 1 000 rpm；（3）環(huán)境溫度 -30～70 ℃；（4）最大徑向載荷Fr為 1 000 kN；（5）最大軸向載荷Fa為 65 kN。

2 軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇

2.1 軸承結(jié)構(gòu)

依據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，圓柱滾子軸承外形尺寸為φ320 mm×φ200 mm×90 mm，軸承外圈雙擋邊，內(nèi)圈帶平擋圈，保持架端面設(shè)計(jì)通孔與滾子兩端的沉孔用彈性圓柱銷聯(lián)接成組件。軸承結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)

2.2 套圈材料

依據(jù)承受沖擊載荷的工況要求，軸承套圈選用耐沖擊的滲碳軸承鋼 G20Cr2Ni4。與高碳鉻軸承鋼相比，用滲碳軸承鋼制造的套圈表面具有高耐磨性、高抗疲勞性，且心部組織具有高強(qiáng)韌性。ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織承認(rèn)，滲碳軸承鋼的使用性能與高碳鉻軸承鋼十分相似，不影響軸承理論計(jì)算壽命，并且沖擊載荷下用滲碳軸承鋼制造的軸承的實(shí)際壽命高于高碳鉻軸承鋼制造的。

2.3 滾子優(yōu)化

2.3.1 滾子尺寸優(yōu)化

軸承所承受的變速間歇沖擊載荷至少等效于其靜載荷值的兩倍，所以滾子尺寸的設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大限度地提高軸承的承載能力。為了提高軸承額定載荷，常設(shè)計(jì)加強(qiáng) E 型圓柱滾子軸承，依據(jù)其經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出的最大滾子尺寸為φ34.8 mm×66 mm[1]。理論上，當(dāng)軸向載荷與徑向載荷比值時，軸向載荷對軸承壽命的影響甚小，一般不予考慮。本文原設(shè)計(jì)軸承載荷比值小于 0.13，所以可以適當(dāng)增加滾子長度，滾子直徑在保證套圈壁厚及保持架兜孔間梁寬的前提下也隨之增加。經(jīng)優(yōu)化滾子尺寸可增加到φ35 mm×71.4 mm。

2.3.2 滾子修形優(yōu)化

滾子接觸區(qū)域的應(yīng)力分布情況與滾子母線的凸度設(shè)計(jì)密切相關(guān)，凸度量小，高應(yīng)力區(qū)集中在滾子端部；凸度量大，滾子中部應(yīng)力較大，兩者均會造成滾子接觸應(yīng)力分布不均勻。應(yīng)用英國 Romax Designer 仿真分析軟件，建立該軸系模型，對軸承施加最大工況載荷，即徑向載荷Fr= 1 000 kN，軸向載荷Fa= 65 kN（仿真模型見圖2）。運(yùn)行軸承軸系，通過對滾子接觸應(yīng)力線及云圖分析，迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)符合工況的最優(yōu)滾子對數(shù)母線修形曲線，使?jié)L子在工作載荷下既不發(fā)生邊緣效應(yīng)，也不存在應(yīng)力集中，軸承接觸應(yīng)力分布均勻。仿真分析結(jié)果見圖3，圖4。

圖2 Romax 仿真模型

圖3 滾道接觸應(yīng)力線

圖4 滾道接觸應(yīng)力云圖

2.4 保持架改進(jìn)

軸承在變速、間歇式?jīng)_擊載荷下工作極易產(chǎn)生滾子歪斜，減少軸承壽命，因此為該工況設(shè)計(jì)一體式帶彈性圓柱銷保持架。保持架特點(diǎn)如下：

（1）一體式。一體保持架具有優(yōu)良的動平衡性能，好的動平衡性能可以降低振動噪聲，在大的沖擊載荷下不易造成滾子歪斜，提高了軸承壽命與可靠性。

（2）直兜孔。直兜孔對滾子的包容量小，接觸面積小，可減少摩擦發(fā)熱，同時不易卡滾子，對提高軸承使用壽命至關(guān)重要，且加工簡單。

（3）保持架端面設(shè)計(jì)通孔與滾子端面用彈性圓柱銷連接。軸承頻繁地改變旋轉(zhuǎn)速度，將增加滾子在旋轉(zhuǎn)過程中卡死的幾率。本軸承保持架與滾子的這種安裝方式設(shè)計(jì)，使軸承在平穩(wěn)工作時，由于滾子端面沉孔直徑大于軸承徑向間隙，所以滾子與彈性圓柱銷不發(fā)生接觸，不會產(chǎn)生摩擦。當(dāng)高速變速時，一旦發(fā)生滾子歪斜，在回轉(zhuǎn)中心徑處的彈性圓柱銷可以與保持架兜孔共同幫助滾子回到正確旋轉(zhuǎn)軌道上，保證軸承不卡死。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于軸承每次工作時間很短、間歇式，且每次工作時轉(zhuǎn)速及載荷變化快，所以長時間較穩(wěn)定載荷、轉(zhuǎn)速下進(jìn)行的壽命試驗(yàn)無法有效地反映軸承在該工況下的適應(yīng)性，本文對軸承進(jìn)行了振動試驗(yàn)。試驗(yàn)條件快加速，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速 1 000 轉(zhuǎn)/分鐘，振動（加速度）質(zhì)量趨勢圖見圖5。由試驗(yàn)結(jié)果可知，軸承工作平穩(wěn)，旋轉(zhuǎn)正常，最大峭度2.51；試驗(yàn)后的軸承外觀完好，滾道、滾子接觸位置正常，保持架完整。證明軸承經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后能夠符合工況要求。

圖5 振動（加速度）質(zhì)量趨勢圖

4 結(jié)束語

通過對瞬間加速減速、間歇式?jīng)_擊載荷工況的研究，設(shè)計(jì)了一種符合工況和技術(shù)指標(biāo)要求的圓柱滾子軸承。應(yīng)用 Romax Designer 仿真分析軟件，迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)符合工況要求的滾子對數(shù)修形曲線。成品檢測后，對軸承進(jìn)行振動試驗(yàn)，驗(yàn)證軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，符合使用要求。