高速板材矯正機齒輪分配箱潤滑方式及供油機構的分析—滾針軸承與推力球軸承組合的潤滑方式、油路夾層板式供油機構

王 冰，孫瑞濤

WANG Bing, SUN Rui-tao

（機科發展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

目前，根據“輥式板材矯正機”行業標準中規范的基本參數：鋼板寬度在1000mm以上的輥式板材矯正機其最大矯正速度Vmax≤1m/s，（對應的鋼板強度σs≤400N/mm2）按此速度設計的大多數矯正機的齒輪分配箱的齒輪最大圓周速度V≤12m/s。因此，按照“基本參數”所設計的各種齒輪分配箱均可采用浸油潤滑的方式。

浸油潤滑方式借助齒輪或其他輔助零件轉動將潤滑油帶到嚙合處，并將油甩到箱壁上面得以散熱，同時部分潤滑油又會落到箱內的油槽里去潤滑軸承。由于齒輪軸的轉速不太高，因此，浸油潤滑方式中潤滑的主體是各齒輪嚙合副，而對軸承部分，或者依靠飛濺到油槽里的油去潤滑，或者在一些較低速的齒輪分配箱內將油浸泡沒過軸承來潤滑，依靠飛濺方式的潤滑其飛濺到油槽里的油量與轉速和線速度有直接的聯系，而完全浸泡的潤滑方式其油的粘度、溫度、及清潔又極易被箱內的工作環境所破壞。因此，浸油潤滑方式對于高速重載荷的齒輪分配箱潤滑不宜采用。

作者所在公司在承擔為某鋼廠的板材配送中心設計年產量10萬噸的“板材矯平橫切生產線”時所遇到的生產設計指標如下：

1）鋼板寬度/厚度：1500mm / 0.5～2.5mm

2）鋼板強度：σs ≤ 500 MPa /σb ≤ 800 MPa

3）最大矯正速度：V ≤150m/min (2.5m/s)

4）最大負荷特性：Wx≈4700N.m

5）工作輥數-輥徑/輥距：21-60 / 63

6）工作輥最大扭矩：Mx≈630N.m

7）工作輥最大轉速：n ≤800 r.p.m

8）板材剪切精度：長度偏差 ±0.35mm / 對角線偏差 ±0.50mm

在“板材矯平橫切生產線”的生產設計指標超出行業標準規范的基本參數的情況下，經過調研和計算，針對齒輪分配箱的潤滑設計，放棄了浸油潤滑方式，而采用對軸承組合強制潤滑并對齒輪嚙合副噴淋潤滑的“連續復合壓力潤滑“方式。（本文僅對軸承組合潤滑方式進行工藝分析）

1 設計重點

1.1 軸承的確定

圖1 常用潤滑油路布置分類圖

由于生產線對板材的剪切精度要求很高，為了盡量降低速度波動對剪切板材精度的影響，矯平機在方案設計階段要求盡量減小齒輪分配箱上各輸出軸與矯平機各工作輥之間裝配萬向聯軸器后形成的扇形角度。為此重點要求控制齒輪分配箱輸出軸之間的排距。在設計上，除了利用斜齒輪的特點通過加大齒寬來減小模數和齒數，從而控制分度圓以保證各分配齒輪軸之間的中心距和排距外；另一方面在支撐各分配齒輪軸的軸承選型方面作了多種的比較，根據斜齒輪的受力計算和潤滑方式的特殊要求，確定了軸承選型的原則：

1）對斜齒輪在傳動時所產生的徑向力和軸向力，分別用滾針軸承和推力球軸承來加以克服；

2）利用滾針軸承較薄的特征可有效地減小軸承孔的直徑，增加軸承孔之間材料的厚度，從而減小各軸承孔的排距；

3）在常用的軸徑范圍內，當滾針軸承的外徑、寬度、額定負荷相同時，不帶內圈的滾針軸承可配裝更大的軸徑，既相同直徑的軸，配裝不帶內圈的滾針軸承所對應的軸承孔徑為最?。?/p>

4）利用推力球軸承的座圈孔徑大于軸圈孔徑的環形間隙作為潤滑油的流動通道；

1.2 潤滑方式的分析

常用的潤滑油路布置方式按油的流動方向大體可分為以下3種，如圖1所示。

1） 軸向供油方式：機構較為簡單，一般在軸端的密封法蘭蓋上留出注油孔從外面接上管路即可，對于不貫穿箱壁的軸端上軸承多采用此種方式；

2）徑向供油方式：機構較為復雜，需要沿軸承孔的徑向 (上方、下方或斜向)鉆出注油孔，借助滾針軸承外圈上的油孔和環形油槽或者圓錐滾子軸承內外圈錯開的臺階將潤滑油引至滾動體內，對于貫穿箱壁的軸段上軸承多采用此種方式。由于各軸承孔距離箱壁邊緣有一定的距離，因此，沿軸承孔的徑向直接鉆細的注油孔其深度會很長，這給加工帶來一定的難度，如果改變鉆細長孔的加工方式又會增加制造成本。

為此，在箱體設計上也采取一些辦法來避免鉆細長孔的工藝：一種方法是采用凸臺式結構，在箱壁外側軸承區域周邊設置凸臺，由于凸臺厚度有限，因此，可縮短注油孔的深度，從而可以直接從外向內鉆孔；另一種方法是采用分箱式結構，將箱壁沿中心軸線分開，(根據箱體結構可分為2層、3層甚至4層) 從軸承孔內向外鉆可控深度的盲孔，之后再通過鉆橫孔與其連通；

3）轉向供油方式：是前兩種方式的復合形式，往往布置在較特殊的部位，一般的形式是注油孔沿徑向布置，而進入滾動體內的潤滑油沿軸向流動，對于貫穿和不貫穿箱壁的軸上軸承均可以采用此種方式。

2 潤滑方式和供油機構

在確定了軸承的組合形式后，如何將強制潤滑的油路引至每個軸承點是箱體設計的重點和難點。由于齒輪分配箱是由減速箱、模塊箱、分配箱及模塊箱內的中部支架所組成，作為支撐軸承的箱壁就不僅只有前后2排，而是如下圖2所示有5排。

圖2 齒輪箱橫斷面圖

綜合分析5排箱壁上軸承孔的布置情況，因軸承孔較多、箱壁較高、空間較緊湊而不易直接設置注油通道的部位處在前部箱壁和中前部箱壁。結合供油的3種類型，專門設計了稱為“油路夾層板”式的潤滑供油機構。

油路夾層板式機構是在箱壁的一側附加另一塊板，在該板與箱壁的接合面上開有對應各軸承孔的油槽，油路夾層板上的油槽將供油通道引至箱壁的上部，而從箱壁的上部另外再鉆出連通盲孔并與油槽相連通，從而構成完整的潤滑供油通道。油路夾層板與分配齒輪軸端上的推力球軸承從兩面夾住箱壁。從上方注入的潤滑油經油封的阻擋繼而轉向沿軸向從滾針軸承的一端進入，自另一端經過推力球軸承后流出，形成轉向供油潤滑方式。其原理如圖3所示。

圖3 油路夾層板結構圖

注：當分配齒輪軸上的斜齒輪所產生的軸向力頂向某一端推力球軸承時，此端的推力球軸承和箱壁便會壓緊互無間隙，從滾針軸承流過的潤滑油必然要經過該推力球軸承的座圈與軸的環形間隙流至滾動體上潤滑后再流出。而另一端的推力球軸承由于不受軸向力作用，其與箱壁之間會處于分離或臨界狀態，從此處滾針軸承流過的潤滑油可以從推力球軸承與箱壁之間的微小縫隙流出，或是經推力球軸承的座圈與軸的環形間隙流至滾動體上潤滑后再流出。由于此處的推力球軸承不受軸向力作用，因此，在此部位可以不用連續潤滑。

3 特點和工藝性

采用“油路夾層板”式轉向供油方式帶來了如下的便利：

1）在箱壁上附帶油路夾層板的結構雖然增加了一定的加工量，但是卻將鉆細長注油孔的較難度加工轉變為銑長注油槽的簡單加工，由于注油槽的長度不受加工方式的限制，因此，不論是處在箱壁中部還是處在邊緣的軸承孔的注油通道都能夠很簡便地引至箱壁的頂部匯集；

2）附帶油路夾層板的結構也使得各箱壁上的軸承孔群的加工變得簡單了，由于不帶油路夾層板的單一箱壁上的軸承孔需要作成臺階孔，這使得加工難度增加。而附帶油路夾層板后，箱壁上的這些軸承孔可直接加工成通孔，擋住軸承的臺階可在油路夾層板上構成；

3）油路夾層板的可拆卸結構為注油通道堵塞、污染后的清洗帶來方便。當然，油路夾層板與箱壁的接合面上需要密集的螺釘，在裝配時在接合面上還要求涂抹密封膠，特別是油路夾層板周邊的密封格外重要。(局部油槽和油槽之間的縫隙串流屬于內部泄漏，并不影響油路夾層板整體的密封性)

4）直接利用滾針軸承外圈上的油孔和環形油槽進行徑向供油，受到油孔小和環形油槽淺所形成的謎宮條件限制，供油的壓力要提高、而流量卻有限。另外，滾針軸承外圈上的小孔一旦堵塞，會對軸承潤滑帶來嚴重后果。而采用油路夾層板后，潤滑油所通過路徑簡單、方式直接、潤滑效果一步到位。油路夾層板的外形如圖4所示。

圖4 油路夾層析外形圖