摘  要:針對(duì)某鋼廠軋機(jī)減速機(jī)用241系列調(diào)心滾子軸承失效嚴(yán)重、壽命短的問題，對(duì)軸承的失效原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為軸承承受了較大的軸向力和沖擊力。在原軸承結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，并闡述了大型鋼保持架的加工方法。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，優(yōu)化后的軸承應(yīng)用后效果良好，壽命大為提升。

關(guān)鍵詞:減速機(jī);調(diào)心滾子軸承;保持架;設(shè)計(jì)改進(jìn);兜孔加工

0 前言

滾動(dòng)軸承是工業(yè)基礎(chǔ)件，被稱為機(jī)械的關(guān)節(jié)［1］ 。調(diào)心滾子軸承能承受軸向和徑向雙向載荷，具有調(diào)心功能，可以補(bǔ)償軸彎曲變形以及配合面的不對(duì)中，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)齒輪箱中，被稱為“萬(wàn)能軸承”［2－5］。然而現(xiàn)實(shí)工況十分復(fù)雜，并沒有完美的軸 承適應(yīng)所有的場(chǎng)合。文獻(xiàn)［3］中詳細(xì)闡述了工業(yè)齒輪箱中調(diào)心滾子軸承的受力和滾子運(yùn)動(dòng)情況。在軸向力與徑向力比值偏大、大沖擊載荷的工況下，滾動(dòng)體會(huì)出現(xiàn)單列受載，將產(chǎn)生額外沖擊載荷，滾動(dòng)體和保持架容易損傷，造成軸承提前失效，達(dá)不到其計(jì)算壽命，影響減速機(jī)的使用，但并未給出解決方案。為此，結(jié)合實(shí)例，本文作者對(duì)軋機(jī)減速機(jī)用調(diào)心滾子軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，探討解決方案。

國(guó)內(nèi)某鋼廠熱軋生產(chǎn)線主減速機(jī)中采用斜齒輪傳動(dòng)，軸承選用241系列調(diào)心滾子軸承，軸承內(nèi)徑達(dá)到480mm，外徑790mm，寬度308mm，屬于大型軸承。該減速機(jī)使用過程中，軸承壽命短，易損壞。在對(duì)損壞軸承進(jìn)行分析后，不拘泥于常規(guī)設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行了軸承結(jié)構(gòu)改進(jìn)和加工。經(jīng)應(yīng)用后軸承的壽命得到了極大提升，減少了生產(chǎn)停頓和軸承替換成本。

1 原軸承結(jié)構(gòu)及使用工況

該減速機(jī)高速軸固定端軸承使用241系列CA型調(diào)心滾子軸承，軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示。軸承由外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體、車制保持架和固定中擋邊組成。外圈有注油孔，內(nèi)圈帶外擋邊。套圈材料GCr15SiMn。精度P0級(jí)，游隙C0級(jí)。軸承轉(zhuǎn)速0～180～425 r/min。工作溫度－25～50℃。460#齒輪油循環(huán)潤(rùn)滑。由于軸承受力情況不詳，其間分別嘗試過:

(1)某國(guó)外公司軸承，銅保持架結(jié)構(gòu)，滾子數(shù)量分別嘗試過22粒及21粒，所用軸承壽命為5～6個(gè) 月。失效形式是銅保持架斷齒。

(2)某國(guó)產(chǎn)公司分體鋼保持架，壽命4個(gè)月左右，失效形式是鋼實(shí)體保持架底副斷裂。

(3)某國(guó)外公司軸承，4個(gè)半保持架鉚接的CA 結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)鉚釘錯(cuò)位。

可見軸承失效原因均是保持架損壞。另經(jīng)觀察， 失效軸承內(nèi)圈有一側(cè)滾道上痕跡不正常。

 2 失效原因分析

經(jīng)過分析，認(rèn)為造成軸承提前失效的原因如下: 

(1)由于減速機(jī)采用斜齒輪傳動(dòng)，該軸承安裝在傳動(dòng)軸固定端，軸承承受了較大的軸向力。而241系列調(diào)心滾子軸承的設(shè)計(jì)初衷和應(yīng)用場(chǎng)合主要承受較大徑向力，而軸向力承載能力較弱。

(2)出現(xiàn)了單列受載的情況。該類軸承游隙大于0且軸向力和徑向力比值大到一定程度，出現(xiàn)下列情況:

Fa/Fr ＞tanα 

式中:Fa為軸向力;Fr為徑向力;α為接觸角。此時(shí)理論上會(huì)出現(xiàn)單列受載的情況。滾子單列受載情況時(shí)會(huì)出現(xiàn)不受載列滾子打滑，使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中有損傷風(fēng)險(xiǎn)［4］ 。單列受載使兩邊滾子轉(zhuǎn)速有差別，保持架運(yùn)行速度不同，受載列轉(zhuǎn)速較高，對(duì)保持架的性能有更高的要求。

(3)在使用過程中振動(dòng)較大，有大沖擊載荷的存在，使保持架承受較大沖擊力，黃銅和相同尺寸的碳鋼保持架不足以承載振動(dòng)和沖擊力。

(4)軸承的固定中擋邊不能做軸向移動(dòng)，不能調(diào)節(jié)兩列滾子載荷，加劇了兩列滾子的受力不均情況。 

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

針對(duì)以上工況，對(duì)軸承進(jìn)行優(yōu)化，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。優(yōu)化思路為在不改變軸承外形尺寸(安裝位置限制)和承載力的情況下，加大保持架厚度，增強(qiáng)其承載能力。具體的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案如下:

(1)采用分體式碳鋼保持架取代黃銅保持架，材料選取20鋼，保持架相關(guān)尺寸增大，以加強(qiáng)其強(qiáng)度和承載力。

(2)增加保持架齒寬。可選方案有兩種:第一種方案是滾子數(shù)量不變，減小滾子直徑;第二種方案是保持滾子直徑不變，減少滾子數(shù)量。由于工況中軸承受力復(fù)雜，為保證滾子有足夠的承載力，減小其直徑的方案不可取，因此選擇第二種方案，確定為滾子數(shù)量減少至20粒。

(3)滾子長(zhǎng)度由原來的128mm減小到120mm，以增大保持架梁寬。因滾子減短，需注意如圖3中保持架外徑開口鎖量L1尺寸，若選取不當(dāng)，裝配時(shí)滾子極易從保持架掉出。此例中L=105 mm，α=13°， L1取值90mm，經(jīng)安裝測(cè)試取值合適。

(4)取消固定中擋邊，采用活動(dòng)中擋圈?；顒?dòng)中擋圈和固定中擋邊的主要區(qū)別在于:軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，固定中擋邊不可做軸向移動(dòng)，但對(duì)滾子引導(dǎo)良好。當(dāng)承受軸向載荷時(shí)不能調(diào)節(jié)兩列滾子載荷，容易導(dǎo)致單列滾子受力或產(chǎn)生應(yīng)力集中。而活動(dòng)中擋圈可以做軸向移動(dòng)，起到補(bǔ)償左右，當(dāng)軸承在承受軸向載荷時(shí)可以調(diào)節(jié)兩列滾子的載荷，使其均勻受載，避免應(yīng)力集中。若沒有活動(dòng)中擋圈，其功能由保持架承擔(dān)［7］ 。 

(5)軸承外形尺寸和套圈壁厚保持不變，以保證安裝。其他技術(shù)要求符合現(xiàn)行國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如形位公差、熱處理、探傷及檢測(cè)方法等。 

4 大兜孔保持架的加工

上述設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)是大型碳鋼保持架兜孔的加工［8－9］ 。保持架兜孔形狀如圖4所示，其結(jié)構(gòu)仿形滾動(dòng)體。傳統(tǒng)的銅保持架兜孔加工采用TK9213臥式鉆床，刀具采用高速鋼仿形鉆頭，增大保持架兜孔孔徑后，需相應(yīng)增大鉆頭直徑，保持架材料改為鋼 后，加工中切削力大，易燒損鉆頭。傳統(tǒng)的鉆削工藝在鉆削時(shí)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)大于切削層厚度，加工后容易產(chǎn)生大量毛刺，影響使用。

基于以上原因，鋼制保持架大兜孔的加工更改為銑削方式，由于銑削加工面包括兜孔側(cè)壁和底部，因此，銑削選用90°可轉(zhuǎn)立式銑刀。刀片材料選用森泰英格的EB1220，不僅能滿足高轉(zhuǎn)速和大進(jìn)給量的切削性能要求，而且銑削中可利用刀具的側(cè)刃加工，切 削力小，刀具可重復(fù)使用，減小了刀具的準(zhǔn)備時(shí)間，降低了成本。與傳統(tǒng)的鉆削加工相比，其塑性變形區(qū)與切削層厚度的差值更小，毛刺少。具體實(shí)施方案詳見文獻(xiàn)［10］，采用自動(dòng)編程方法。該加工方法已在某軸承廠多種大孔徑軸承實(shí)體保持架的制造上得到驗(yàn)證，經(jīng)濟(jì)可靠，加工效率較高，保持架精度達(dá)到要求。 

5 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)后的軸承經(jīng)安裝使用已達(dá)一年以上，目前尚無(wú)失效情況，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原國(guó)外軸承壽命。需要說明的是該設(shè)計(jì)優(yōu)化方案是在軸承受力不詳?shù)那闆r下進(jìn)行的，如果條件允許應(yīng)精確檢測(cè)出軸承的受力情況，再進(jìn)行軸承的選型或設(shè)計(jì)改進(jìn)。軸承屬于基礎(chǔ)精密結(jié) 構(gòu)，不可盲目選型。

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