某大型儀器高精度轉盤軸承

崔旋，劉攀，趙雁，郭玉輝，毛斐然

(洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

1 軸承的工況及要求

某大型精密儀器作為天文臺內的重要設備，其回轉臺底座上使用的轉盤軸承應具有足夠的承載能力，高的回轉精度和運轉平穩性，良好的潤滑及密封性能。該軸承的安裝示意圖如圖1所示。支座軸與內圈止口配合，并通過螺栓固定在支座上，回轉臺通過螺栓固定在外圈上。儀器工作時，通過驅動裝置實現轉盤軸承的精確旋轉，達到調整方位角的目的。

圖1 軸承安裝示意圖

該軸承外形尺寸為Ф3 928 mm×Ф3 394 mm×216 mm；工作中軸向載荷Fa≥700 kN，徑向載荷Fr≥60 kN；最大工作轉速n=3 r/min；對于旋轉精度，軸向跳動應不超過0.06 mm，徑向跳動應不超過0.04 mm。

2 結構形式與材料

2.1 結構形式

基于軸承的工況及精度要求，選擇液體靜壓軸承雖能保證低摩擦力矩和邊緣剛度，但初始研究和維護費用較高；選用四點接觸球軸承、三列滾子軸承及兩列球軸承，雖剛度高且成本低，但摩擦阻力較大，而且需要增加預緊力來提高剛度，易使滾動體打滑；選用推力球軸承，雖然摩擦阻力較小，但需要優化軸承結構，使其具有一定的徑向承載能力。

基于以上對比分析，選擇了一種雙排球結構的轉盤軸承，結構如圖2所示。其中，下排球采用大接觸角(85°)設計和較大直徑鋼球，主要承受軸向載荷；而上排球使用直徑較小的鋼球，并具有一定的預載荷，主要承受徑向載荷。上排滾道采用直滾道形式，便于鋼球裝配、更換，鋼球與其他零部件構成三點接觸，滾道面為徑向方向的兩接觸面，軸向接觸面主要起到擋邊的作用。這種結構的軸承具有足夠的剛度，上排鋼球結構彌補了推力軸承徑向剛度較低的不足，而且由于鋼球良好的滾動特性具有較小的摩擦阻力。

1—內圈；2，6，11—螺釘；3—蓋板； 4—上排鋼球；5—下密封擋板；7—外圈；8—下密封擋板；9—保持架；10—下排鋼球；12—O形密封圈圖2 軸承結構

2.2 套圈

套圈材料選用42CrMo鋼，并進行調質處理,硬度為240～280 HB。42CrMo鋼屬于超高強度表面淬火鋼，具有優良的力學性能(抗磨損、抗剝蝕、抗塑性變形及抗沖擊等)，能獲得良好的表面淬火質量，可以保證軸承承載能力和壽命。由于軸承工作溫度為-30～+50 ℃，所以對內、外圈鍛件進行V形缺口夏比沖擊功試驗(-20 ℃時3次沖擊試驗能量值的平均值不應小于27 J，單值應不小于19 J)，以保證其力學性能滿足使用要求。

2.3 鋼球

大直徑鋼球采用ZGCr15SiMn高碳鉻軸承鋼制造，小直徑鋼球采用ZGCr15高碳鉻軸承鋼制造，熱處理質量應符合JB/T 1255—2001的規定。

鋼球直徑與軸承承載能力正相關，同時，綜合考慮軸承外形尺寸及保持架加工制造能力等因素，選取下排鋼球直徑為50.8 mm，精度等級為G40，上排鋼球直徑為18.256 mm，精度等級為G28。鋼球數的計算式為

式中：Dw為鋼球直徑；Z為鋼球數，Dpw為球組節圓直徑；Ks為載荷系數，一般取Ks=1.15～1.33。由此計算得，下排鋼球數為186，上排鋼球為619。

2.4 保持架

下排鋼球的保持架采用聚四氟乙烯分段式保持架(圖3)，球形兜孔能夠保證可靠地鎖住鋼球；聚四氟乙烯在-196～260 ℃均能保持優良的力學性能，其摩擦因數極低的優點有利于軸承低摩擦平穩運轉。

圖3 分段式保持架結構

2.5 潤滑油路

軸承采用整體循環供油的潤滑方式，通過軸承上的進油、溢油及排油油路與外部供油系統相連接(圖2)，進行可控供油潤滑。潤滑油經開設在上排滾道壓板上的進油孔進入軸承，對上排滾道及鋼球進行潤滑，而后經兩套圈之間的間隙進入下排滾道油池中；溢油孔保證潤滑油對下排鋼球的浸沒深度；排油孔在清除、更換潤滑油時使用。整套循環供油系統保證了軸承的充分潤滑，不僅降低了軸承的摩擦力矩，還降低了工作中溫度對軸承的影響。

2.6 密封

上排滾道采用非接觸式迷宮密封結構(圖4)，由環形蓋板與上擋板組成，防止外部灰塵雜質的侵入；下排滾道的密封結構由下擋板、O形圈與套圈結合而成(圖5)，主要防止潤滑油的滲漏及外部雜質侵入。

圖4 上排滾道局部示意圖

圖5 下排滾道局部示意圖

3 校核

由于軸承工作載荷分為軸向載荷和徑向載荷，由下滾道及上滾道分別承擔，所以需對軸承兩滾道分別校核，計算出滾道靜態安全系數和工作總轉數。需注意軸承材料42CrMo的點接觸許用接觸應力為3 850 MPa[1]。計算結果見表1，校核計算過程見文獻[2-3]。

表1 計算校核結果

4 結束語

設計的雙排異徑球轉盤軸承具有足夠的承載能力，高的回轉精度和運轉平穩性，良好的潤滑及密封性能，很好地滿足了主機的工況要求。