軸承在礦山卡車應用中的分析探討

鐵姆肯公司 應用工程師 秦宏偉

軸承在礦山卡車應用中的分析探討

鐵姆肯公司 應用工程師 秦宏偉

近年來，在國際能源供應緊張的大背景下，我國對以風能為代表的新能源領域加大投入，使新能源的產量逐步提高，然而在很長一段時間內，我國以煤炭為主的能源結構將持續。露天采煤和井下采煤相比，擁有高生產率，低事故率，便于設備維護維修等客觀優勢。不管是在國內還是國際上，大力發展露天開采都是大趨勢。作為露天采礦生產所必須的重要設備之一的礦山卡車也將隨著露天礦的大力開發而迎來非常光明的前景。

鐵姆肯公司生產的圓錐滾子軸承在礦山卡車中有著數十年的應用歷史，同時也積累了相當豐富的應用經驗。本文將就礦山卡車使用圓錐滾子軸承應當注意的問題進行簡單的分析，希望能夠幫助廣大的礦山卡車設計者和用戶更好地選擇和使用軸承，提高礦山卡車的可靠性。

除了本身系統設計匹配和安裝調整的因素外，決定圓錐滾子軸承使用性能的主要有以下三個方面因素：1）軸承的材料 2）軸承滾道的粗糙度 3）軸承滾道的表面修形。接下來詳細分析在礦山卡車工況下，軸承選型時在這三方面分別應考慮的因素。

一、軸承的材料

在考慮軸承的材料時主要考慮兩點：鋼材的純凈度和鋼材的熱處理工藝。

軸承在正常運轉狀態下，當滾道表面出現6mm2的剝落時，我們就說這個軸承失效了，這個軸承運轉的時間就是它的疲勞壽命。剝落的產生主要是因為軸承鋼內部存在非金屬夾雜物。在軸承工作時，非金屬夾雜物會引起鋼材內部應力集中，產生薄弱點，隨著軸承日復一日地運轉，這些薄弱點慢慢發展成細微裂縫，最后引起滾道表面剝落 （圖1）。所以鋼材的純凈度對軸承至關重要，鋼材內部夾雜物顆粒體積越小，顆粒數量越少，則裂紋出現的概率越小，軸承的疲勞壽命也越高。

隨著現代冶煉技術的發展，國際一流品牌的軸承制造商在軸承鋼純凈度這一點上都達到了相當高的水準。他們除了有符合ISO和ABMA標準的軸承材料外，還將比之更純凈的鋼材做材料，以提高軸承在高載荷下的可靠性。拿礦山卡車里的輪轂軸承應用來說，軸承承載的力非常高。以200t載重量為例，整車滿載后350t左右，單側后輪輪轂軸承的受力達到120t左右。因此如果選擇標準材料的軸承，其尺寸將會非常大。為了盡可能減小輪轂尺寸，使設計更緊湊，這個位置常選用高純精度材料的軸承。即使這樣，軸承的內徑也有500mm左右。

除了軸承鋼的純凈度之外，軸承的熱處理工藝對軸承的性能也有相當大的影響。現在市場上的軸承主要有兩種熱處理工藝：全淬透和表面滲碳。全淬透熱處理的原材料是高碳鋼，經過全淬透熱處理后，這種鋼材內部和外部硬度都達到58~64HRC，鋼材表面產生張應力，當遇到比較大的沖擊載荷情況下，容易產生裂紋，甚至直接碎裂。滲碳熱處理的原材料為低碳鋼，采用的熱處理工藝為表面滲碳，這樣的材料特點是表面58~64HRC堅硬耐磨，而內部較軟30~35HRC，鋼材表面產生壓應力，能緩沖受到的沖擊載荷 （圖2），降低出現沖擊裂紋的可能性。

礦山卡車所用到的圓錐滾子軸承主要應用在橋包和輪端，這兩個地方的工作環境都非常惡劣，經常伴隨沖擊載荷和重載。再加上鑄件本身無法避免產生的磨粒，以及油封可能失效而帶來的外部污染，這些都對軸承本身帶來了巨大的考驗。在磨粒和重載的情況下，軸承的滾道表面無法避免地產生凹坑，如果選用全淬透的軸承，在材料本身較脆和表面張應力的雙重影響下，這個凹坑的發展將比較迅速，使得軸承在沒有達到疲勞壽命前提前失效。而假如選用滲碳軸承，由于材料本身有韌性和表面壓應力，該凹坑不易擴張，使得軸承仍舊可以達到較好的疲勞壽命。鐵姆肯公司通過試驗來模擬全淬透軸承和滲碳軸承在滾道表面有損傷的情況下的軸承壽命對比，結果顯示表面滲碳軸承比全淬透軸承能達到更高的疲勞壽命。基于以上原因，我們在選用礦山卡車所用的軸承時，應盡量選用滲碳軸承。

二、軸承滾道與滾子的表面粗糙度

影響軸承性能的因素除了剛剛提到的材料因素外，還有一個很大的因素是潤滑。據統計，70-80%的軸承提前失效是因為軸承潤滑不恰當所致。通常我們采用油或油脂來對軸承進行潤滑。潤滑系統在軸承工作時，會在金屬表面產生一層油膜。如果我們用高倍放大鏡去觀察軸承滾道，可以看到滾道表面不是光滑的，而是有很多小的金屬高點的，就像一座座 “山峰”。如果在軸承工作時，滾道和滾道之間 “山峰”直接接觸，那么 “山峰”就會斷裂，滾道表面產生微剝落 （如圖3），造成軸承表面損傷。油膜的目的就是使得滾道與滾子之間的小 “山峰”不直接接觸。要起到這樣的作用，油膜的厚度必須超過兩接觸表面粗糙度值之和。當我們發現油膜厚度無足以分開兩個金屬面時，可以有兩個選擇：使用更粘稠的潤滑油或油脂；降低滾道表面的粗糙度值。由于礦山卡車一般在橋包采用SAE80W-90油浴潤滑，而在輪端采用帶有EP添加劑的二號潤滑脂潤滑。受到重載低速的影響，可能會發生油膜厚度不夠的情況。如果無法改變齒輪油的粘度，我們可以通過提高滾道和滾子的表面光潔度來提高軸承性能。

三、 軸承滾道表面修形

現在我們來看一下影響軸承性能的另一個重要因素——滾道表面應力。有的讀者在這里可能會想,一個軸承只要不超過它的額定載荷，滾道表面產生的應力應該不是問題。如果有問題，說明這個軸承本身的額定載荷數據標高了。這種理解忽略了一點，軸承在受力時，它的外圈和內圈的中心線可能不在一條直線上，可能有一個夾角 （如圖4），導致軸承工作時不對中。這個不對中可能是安裝不當引起的，也可能是軸或軸承座在受重載的情況下產生輕微的形變引起的，可能是軸和軸承座在加工時的誤差引起的，或者是以上因素的綜合。圓錐滾子軸承在樣本上標的額定載荷是指軸承工作時，這個夾角要小于0.0005弧度。當這個不對中的夾角小于萬分之五的弧度時，不會影響軸承的壽命和性能，但當這個夾角超過萬分之五的弧度時，就會對軸承的性能產生一定影響。這個不對中會引起軸承滾道應力集中，使軸承無法達到設計的疲勞壽命而提前失效。這種失效形式如圖5所示，通常發生在滾道邊緣，并且上下180°方向上呈現對角線模式。

這種不對中現象而導致的軸承損傷在礦山卡車的軸承應用中很常見，主要是由于礦山卡車的承載太大，引起軸變形所致。當這種軸承損傷出現時，如果不細心分析而把它歸結于軸承的承載能力不夠，單單通過提高軸承的尺寸來應付，結果往往不理想。鐵姆肯公司針對因滾道邊界超過許用應力而最終導致軸承壽命偏低的應用推出了帶滾道修形的軸承，可以在不用提高軸承尺寸的情況下，解決滾道邊緣應力集中的問題，使得滾道表面的應力始終處于材料的需用范圍之內。

在對礦山卡車用軸承進行選型計算時，借助計算機，輸入工況條件使用專業軟件可以模擬出該軸承是否存在滾道邊界應力過大的問題。實踐中曾遇到這樣一個例子，某大噸位礦山卡車軸承選型，在壽命計算時發現前輪輪轂外側軸承壽命較小，無法滿足要求。在檢查該軸承滾子的應力水平時，發現有一個工況下滾道應力很高。如圖6所示，圖中該滾子的邊界應力已經超過了材料的需用應力，而滾道中間部分應力較小，說明該軸承的承載能力可以滿足這個應用。然后我們在原有軸承的基礎上對滾道進行修形，載入軟件重新計算，再檢查應力發現同樣的工況下，同一顆滾子的應力分布如圖7所示，軸承壽命也有相當大的提高。

四、總結

以上主要針對礦山卡車的應用特點，分別從軸承的材料、軸承滾道表面粗糙度以及滾道應力和修形這三個方面介紹了軸承選擇和分析要注意的問題，希望可以通過以上的解決方法，提高礦山卡車的可靠性，從而減少停車維護時間，提高采礦效率。