大包轉臺用推力關節軸承

何國輝

(福建龍溪軸承(集團)股份有限公司,福建 漳州 363000)

大包轉臺是連鑄技術的重要組成部分，是連鑄機的主要平臺設備，其主要任務是支承鋼包，將鋼包由受包位回轉到澆鑄位。鋼包升降由兩支升降液壓油缸推動，油缸兩端各連接一套推力關節軸承，承受鋼包及提升臂的全部質量并隨油缸升降做來回擺動，工況極其惡劣。因此，有必要對大包轉臺用推力關節軸承進行研究。

1 設計要點

1.1 摩擦副的選擇

大包轉臺推力關節軸承(圖1)承受的軸向載荷很大，轉速較低，在±12°范圍內每天擺動15次，環境溫度在80 ℃以內，周圍環境較臟，可能會有臟物進入，在擺動過程中承受一定的沖擊，但不應出現振動的聲音。在這種工況下，采用現有的表面硬度較軟的PTFE織物和PTFE復合材料作為摩擦副，存在臟物損傷自潤滑層而縮短使用壽命的可能。因此在設計中選用了新型的雙金屬自潤滑材料做摩擦副，如圖2所示。該材料是鋼和銅經過高溫燒結而成，銅層彌散著一定比例的固體自潤滑材料。采用此種材料主要基于以下幾個原因：(1)雙金屬材料的銅層里彌散著固體自潤滑材料；(2)銅層比鍍鉻層軟，沖擊時不會產生聲音，也不會咬合在一起；(3)其在工作中既可以不加潤滑脂，也可以加潤滑脂，加潤滑脂后的摩擦系數非常低，小于0.1；(4)其中的固體自潤滑材料在運轉中可以在摩擦面形成轉移膜，使用壽命較長。

1.2 試驗驗證

對采用新型摩擦副材料制成的推力關節軸承在自制的關節軸承摩擦磨損試驗機上進行試驗。

1—座圈；2—密封圈；3—襯墊；4—軸圈；5—沉頭螺釘

圖2 雙金屬材料顯微組織圖

共試驗了3套軸承，試驗過程中不加油脂。試驗參數為：試驗載荷P=32.5 kN，擺動角度β=40°，擺動頻率f=35 次/min。軸承失效的判定條件為溫度超過150 ℃或摩擦系數大于0.2。試驗結果如表1所示。

表1 摩擦磨損試驗結果

從表1可知，軸承溫度最后達到150 ℃，試驗機報警并停止試驗，此時軸承的摩擦系數為0.2。

從試驗后拆下來的軸承來看，雙金屬自潤滑材料銅層發生磨損，但磨損均勻，軸圈外球面有一層固體自潤滑材料轉移膜，銅層磨掉后，軸承軸圈鍍鉻球面與雙金屬材料的鋼背摩擦，造成溫度急劇升高，超過150 ℃。

從實時監測的摩擦系數和溫升來看，軸承在正常磨損情況下，摩擦系數一直穩定在0.1～0.15，溫度穩定在85 ℃左右，實際壽命超過了計算壽命，可見該軸承采用這種雙金屬自潤滑材料作為摩擦副是合適的。

1.3 雙金屬自潤滑材料的固定

一般關節軸承的自潤滑材料的固定方式都采用膠粘劑粘貼固化。但雙金屬自潤滑材料采用此固定方式存在以下問題：(1)如果周圍環境溫度較高，膠粘劑容易老化；(2)自潤滑材料嚴重磨損導致關節軸承失效后,自潤滑材料不可更換，使得軸承不能重復使用；(3)較大的沖擊時，膠粘層容易失效；(4)雙金屬材料厚度為2～3 mm，較難粘貼。基于以上問題，采用螺釘固定方式，同時把雙金屬材料的固定孔預先整成錐形，與座圈的錐孔配合，用螺釘鎖緊，以防止雙金屬材料在重載擺動時產生滑移。此固定方式不僅可靠，而且使軸承的修復變得簡單。

1.4 潤滑槽的設計

由于大包轉臺工作環境較臟，同時軸承在使用過程中會磨掉不少銅屑，這些臟物會粘在球面上，從而影響軸承的使用壽命。如果球面上有少許的潤滑脂可以把摩擦系數從0.12左右降到0.08左右，從而提高軸承的使用壽命，因此，在大包轉臺維護時，可以添加鋁基潤滑脂。

為了使潤滑脂能在高載荷下到達承載區，在座圈外徑上均布設計3個注脂孔，在雙金屬材料的球面上加工兩條徑向潤滑槽；同時每片雙金屬材料之間的間隙作為軸向潤滑槽，與注脂孔相交(圖3)。此設計使潤滑脂能夠到達球面的每個地方。

圖3 座圈潤滑槽示意圖

2 加工要點

2.1 雙金屬材料的加工與整形

由于每片未成形前的雙金屬材料的四周都是圓弧，且加工精度對雙金屬材料能否準確裝配至關重要，采用了加工中心加工雙金屬材料外形和固定孔，這樣才能保證雙金屬材料的尺寸穩定性，保證雙金屬材料能夠互換。

整形是制造過程中難度最大的工序，雙金屬材料厚度為2～3 mm，由兩種不同的金屬組成，在整形過程中反彈很大，需要反復修改整形模具才能達到要求，一旦反彈量掌握不好，就會造成模具報廢，損失較大。整形模具采用徑向整形的結構形式，如圖4所示。利用該模具對雙金屬材料進行整形，下料后可使其直接成形，省去了預成形工序；最關鍵在于它可以根據不同型號的反彈量反復修模以達到所要求的尺寸，且成形效果好于軸向整形的模具結構。整形模具為一個球臺，在數控加工中需要在模具對面同時加工一個模具(主要用于配重和測量尺寸)。由于是斷續切削，加工效率不高，同時球的對稱度測量存在難點，所以整形模具加工質量直接影響雙金屬材料的成形質量。

圖4 整形模具

2.2 軸圈、座圈的加工

軸圈、座圈都采用數控車床加工，由于尺寸很大，裝夾一次要花很長時間。測量軸圈、座圈的球徑尺寸和球位時，為了提高效率和精度，需要在線測量，以避免反復裝夾。根據數控機床精度高的特點，把千分表裝在刀架上，通過刀架的x和y坐標的移動，與基準面的尺寸相比較，測量出球面上3個截面的尺寸和變動量，如果和預先計算出來的尺寸一致，就證明加工的球徑和球位是準確的。把加工好的軸圈、座圈放在三坐標機上測量，與在線測量的結果一致，表明這種在線測量的方法是可靠的。

這樣加工軸圈、座圈的球徑尺寸是統一的，可使用戶在安裝時對軸圈、座圈隨意組配。

座圈的固定孔用來固定雙金屬材料，如果加工精度達不到要求，雙金屬材料就無法固定。加工時，鉆頭要對準球面的法線，而且工作臺要準確分度。為此，設計了專用的鉆床加工，固定鉆頭的卡夾可以準確轉動任意角度，工作臺可以快速準確轉動分度，加工出來的孔尺寸穩定性好，加工效率高。

3 結束語

根據大包轉臺推力關節軸承轉速低、承載大、承受一定沖擊的特點，采用雙金屬自潤滑材料做為軸承的摩擦副。在產品結構設計上，確定了雙金屬自潤滑材料固定方式與潤滑槽的結構形式，在加工工藝上，解決了雙金屬自潤滑材料的整形與軸、座圈的加工難點，產品滿足客戶需求，在國內各大鋼廠得到廣泛使用，替代了進口產品。