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軋機減速機用大型調心滾子軸承的設計與應用

2020-04-16
楊宏斌1 劉宇杰1 李官運1 賈松陽2,3
(1.河南科技大學機電工程學院,河南洛陽 471039;2.洛陽LYC軸承有限公司技術中心,河南洛陽 471039;3.航空精密軸承國家重點實驗室,河南洛陽 471039)
  摘 要:針對某鋼廠軋機減速機用241系列調心滾子軸承失效嚴重、壽命短的問題,對軸承的失效原因進行了分析,認為軸承承受了較大的軸向力和沖擊力。在原軸承結構的基礎上進行了設計改進,并闡述了大型鋼保持架的加工方法。經實踐驗證,優化后的軸承應用后效果良好,壽命大為提升。
  關鍵詞:減速機;調心滾子軸承;保持架;設計改進;兜孔加工
  0 前言
  滾動軸承是工業基礎件,被稱為機械的關節。調心滾子軸承能承受軸向和徑向雙向載荷,具有調心功能,可以補償軸彎曲變形以及配合面的不對中,因此被廣泛應用于工業齒輪箱中,被稱為“萬能軸承”。然而現實工況十分復雜,并沒有完美的軸承適應所有的場合。文獻中詳細闡述了工業齒輪箱中調心滾子軸承的受力和滾子運動情況。在軸向力與徑向力比值偏大、大沖擊載荷的工況下,滾動體會出現單列受載,將產生額外沖擊載荷,滾動體和保持架容易損傷,造成軸承提前失效,達不到其計算壽命,影響減速機的使用,但并未給出解決方案。為此,結合實例,本文作者對軋機減速機用調心滾子軸承進行優化設計,探討解決方案。
  國內某鋼廠熱軋生產線主減速機中采用斜齒輪傳動,軸承選用241系列調心滾子軸承,軸承內徑達到480mm,外徑790mm,寬度308mm,屬于大型軸承。該減速機使用過程中,軸承壽命短,易損壞。在對損壞軸承進行分析后,不拘泥于常規設計思路,進行了軸承結構改進和加工。經應用后軸承的壽命得到了極大提升,減少了生產停頓和軸承替換成本。
  1 原軸承結構及使用工況
  該減速機高速軸固定端軸承使用241系列CA型調心滾子軸承,軸承結構如圖1所示。軸承由外圈、內圈、滾動體、車制保持架和固定中擋邊組成。外圈有注油孔,內圈帶外擋邊。套圈材料GCr15SiMn。精度P0級,游隙C0級。軸承轉速0~180~425r/min。工作溫度-25~50℃。460#齒輪油循環潤滑。由于軸承受力情況不詳,其間分別嘗試過:
  (1)某國外公司軸承,銅保持架結構,滾子數量分別嘗試過22粒及21粒,所用軸承壽命為5~6個月。失效形式是銅保持架斷齒。
  (2)某國產公司分體鋼保持架,壽命4個月左右,失效形式是鋼實體保持架底副斷裂。
  (3)某國外公司軸承,4個半保持架鉚接的CA結構,出現鉚釘錯位。
圖1 原調心滾子軸承
  可見軸承失效原因均是保持架損壞。另經觀察,失效軸承內圈有一側滾道上痕跡不正常。
  2 失效原因分析
  經過分析,認為造成軸承提前失效的原因如下:
  (1)由于減速機采用斜齒輪傳動,該軸承安裝在傳動軸固定端,軸承承受了較大的軸向力。而241系列調心滾子軸承的設計初衷和應用場合主要承受較大徑向力,而軸向力承載能力較弱。
  (2)出現了單列受載的情況。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。此時理論上會出現單列受載的情況。滾子單列受載情況時會出現不受載列滾子打滑,使軸承運轉中有損傷風險。單列受載使兩邊滾子轉速有差別,保持架運行速度不同,受載列轉速較高,對保持架的性能有更高的要求。
  (3)在使用過程中振動較大,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和沖擊力。
  (4)軸承的固定中擋邊不能做軸向移動,不能調節兩列滾子載荷,加劇了兩列滾子的受力不均情況。
  3 設計優化方案
  針對以上工況,對軸承進行優化,具體結構如圖2所示。優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,增強其承載能力。具體的設計優化方案如下:
  (1)采用分體式碳鋼保持架取代黃銅保持架,材料選取20鋼,保持架相關尺寸增大,以加強其強度和承載力。
  (2)增加保持架齒寬??蛇x方案有兩種:第一種方案是滾子數量不變,減小滾子直徑;第二種方案是保持滾子直徑不變,減少滾子數量。由于工況中軸承受力復雜,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,確定為滾子數量減少至20粒。
圖2 改進調心滾子軸承
  (3)滾子長度由原來的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,裝配時滾子極易從保持架掉出。此例中L=105mm,α=13°,L1取值90mm,經安裝測試取值合適。
圖3 分體式碳鋼保持架
  (4)取消固定中擋邊,采用活動中擋圈?;顒又袚跞凸潭ㄖ袚踹叺闹饕獏^別在于:軸承運轉時,固定中擋邊不可做軸向移動,但對滾子引導良好。當承受軸向載荷時不能調節兩列滾子載荷,容易導致單列滾子受力或產生應力集中。而活動中擋圈可以做軸向移動,起到補償左右,當軸承在承受軸向載荷時可以調節兩列滾子的載荷,使其均勻受載,避免應力集中。若沒有活動中擋圈,其功能由保持架承擔。
  (5)軸承外形尺寸和套圈壁厚保持不變,以保證安裝。其他技術要求符合現行國家和行業標準,如形位公差、熱處理、探傷及檢測方法等。
  4 大兜孔保持架的加工
  上述設計方案的實現難點是大型碳鋼保持架兜孔的加工。保持架兜孔形狀如圖4所示,其結構仿形滾動體。傳統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。傳統的鉆削工藝在鉆削時產生的塑性變形區大于切削層厚度,加工后容易產生大量毛刺,影響使用。
圖4 保持架兜孔
  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壁和底部,因此,銑削選用90°可轉立式銑刀。刀片材料選用森泰英格的EB1220,不僅能滿足高轉速和大進給量的切削性能要求,而且銑削中可利用刀具的側刃加工,切削力小,刀具可重復使用,減小了刀具的準備時間,降低了成本。與傳統的鉆削加工相比,其塑性變形區與切削層厚度的差值更小,毛刺少。具體實施方案詳見文獻,采用自動編程方法。該加工方法已在某軸承廠多種大孔徑軸承實體保持架的制造上得到驗證,經濟可靠,加工效率較高,保持架精度達到要求。
  5 結束語
  改進后的軸承經安裝使用已達一年以上,目前尚無失效情況,遠遠超過原國外軸承壽命。需要說明的是該設計優化方案是在軸承受力不詳的情況下進行的,如果條件允許應精確檢測出軸承的受力情況,再進行軸承的選型或設計改進。軸承屬于基礎精密結構,不可盲目選型。
來源:《機床與液壓》2019年第4期