軋機用雙列圓柱滾子軸承支柱焊接保持架結構優化

楊明奇，李韶凡，呂振偉

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039 )

軋機軸承承受的載荷大，沖擊大，且工作環境溫度高，因此，對軸承的設計和制造提出了較高要求。若軸承設計不合理，則極有可能因軸承部分零件失效而導致整套軸承提前失效，造成生產線頻繁停止運行，生產成本增加。

某公司的粗軋機架主減速機用雙列圓柱滾子軸承，因使用工況惡劣，原采用的進口軸承不能達到設計壽命，全部提前失效。對失效軸承進行初步分析，發現其滾道和滾子均沒有發生大的損傷，而所采用的支柱焊接保持架嚴重損壞。

1 原因分析

經進一步分析認為，保持架損壞的主要原因是軸承在運行過程中保持架支柱脫焊，導致保持架散套。由于軸承在運行過程中轉速較高，且存在較大沖擊，造成了軸承的早期失效。

如圖1所示，當軸承內圈順時針旋轉時，滾子逆時針旋轉，外圈保持靜止，保持架支柱沒有自轉，僅隨滾子一起繞軸承中心旋轉。在運動過程中支柱受到滾子對其的摩擦力fw及推力F,其中fw沿支柱與滾子切線方向向下，F沿滾子組節圓順時針切線方向。

圖1 支柱與滾子接觸處的受力分析

保持架墊圈與支柱的配合為內側螺紋連接，外側焊接以保證支柱螺紋不松動，如圖2所示。軸承在承受沖擊時，fw及F均瞬時增大，如果支柱材料承受沖擊時韌性不好，則軸承容易因支柱脆性斷裂而失效；如果支柱材料能夠長期承受此沖擊，則此摩擦力fw由支柱傳遞給保持架墊圈，最終由其連接部位承受。

圖2 保持架支柱與墊圈的連接

軸承在運行時，兩列保持架支柱所受摩擦力fw方向相同，但支柱與保持架焊接部位均為外側，因此總有一列螺紋鎖緊方向與fw方向相反，此螺紋受到力fw的作用，容易松脫。同時，軸承在運轉過程中所受的沖擊及振動，使保持架支柱與墊圈之間的焊接部位容易松脫。當焊接部位松脫后，連接此列保持架支柱與墊圈間的螺紋將在短時間內松脫，導致保持架散套，軸承提前失效。

為防止保持架提前失效，除選用較好的支柱材料，防止支柱在運行過程中因承受較大的力而脆性斷裂外，更重要的是必須防止螺紋連接處松動。螺紋連接件一般采用單線普通螺紋，螺紋升角小于螺旋副的當量摩擦角，因此，連接螺紋能滿足自鎖條件。此外，擰緊后螺栓頭部的摩擦力也有防松作用，所以在靜載荷和工作溫度變化不大時，螺紋連接不會自動松脫。但在沖擊、振動或變載荷的作用下，螺旋副間的摩擦力可能減小或瞬時消失，這種現象多次重復后，就會使連接松脫。另外，在高溫或溫度變化較大的情況下，由于螺紋連接件和被連接件的材料發生蠕變和應力松弛，也會使連接中的預緊力和摩擦力逐漸減小，最終導致連接失效。

2 設計改進

為防止支柱焊接失效，螺紋連接松脫，將軸承保持架墊圈內側支柱上、下兩側各切削一個10°的楔形槽(如圖3所示)，使軸承在高速運轉的時候保持架支柱與滾子接觸部位充分潤滑，減小滾子對支柱的摩擦力fw。并按照軸承運轉方向，將兩列保持架支柱的螺紋方向由雙右旋改為一側左旋，一側右旋。則軸承運行中支柱所受fw由使其松脫的力變為使其緊固的力，這不僅可以在支柱與墊圈間的焊接失效時克服由于沖擊、振動導致的螺紋連接松脫，也可對由于軸承在高溫環境下工作導致的支柱與保持架墊圈之間的應力松弛進行有效的預防。

圖3 優化后的保持架支柱及墊圈

為確保軸承保持架達到設計要求，除了改進保持架結構外，還對焊接結構進行了改進。為增加焊接牢固性，不僅要盡量減少焊接頭部位的應力集中，采用應力集中系數較小的對接接頭，并避免焊縫起止點處出現凹形焊口；還要加大焊接面積，增加其粘接性。如圖4所示，加長支柱焊接頭伸出部分，使其伸出保持架墊圈端面，并在端面上添加一個焊接槽，以提供更大的焊接面積。

圖4 墊圈與支柱焊接處的優化

3 結束語

經過改進試裝，軸承壽命大大提高，完全符合客戶要求。同時說明，對于惡劣工況下的軸承失效，應分析其結構薄弱點，并做出針對性改進，以彌補結構缺陷帶來的影響，使影響其壽命的各個方面得到改善，最終滿足使用要求。